Ермошкевич В.Н. Ветер Беларуси: наш попутчик или странник?

Ермошкевич В.Н. Ветер Беларуси: наш попутчик или странник? // Фiзiка: праблемы выкладання. – 1996. – Вып. 2. – С. 57-66.

Ветер образуется в результате перемещения воздушных масс из области высокого в область низкого давления. Скорость и направление ветра зависят от рельефа местности, высоты над поверхностью суши и других факторов. В большинстве своем эти характеристики ветра переменны, причем их изменения наблюдаются даже на протяжении суток.

Человечество давно использует силу ветра в полезных целях. Так, попутный ветер позволил с помощью парусов связать континенты и несколько столетий был основным движителем морского флота. Эти свойства ветра используются и в настоящее время. Однако и встречный ветер может не только препятствовать движению, но и оказывать положительные действия. Одно из них — получение механической или электрической энергии с помощью ветроэнергоустановок (ВЭУ).

Конструктивно ВЭУ состоит из следующих основных узлов: ветроколеса, механической передачи, генератора, систем регулирования и ориентации, опорной башни. Поток воздуха, проходя через ветроколесо, превращает кинетическую энергию ветра в механическую, а с помощью генератора — в электрическую.

Историческая справка

Механическая энергия, полученная в результате вращения лопастей ветроколеса, на первом этапе использовалась для помола зерна, подачи воды, осушения заболоченных мест, распиловки древесины и т.д. Следы использования ветряных мельниц, найденных в Египте, относятся к IV ст. до н.э. Обнаружены следы использования ВЭУ в Китае, Иране. Этот период относится к X ст. н.э. И, наконец, к 1990 г. на побережье Северного моря, между Голландией и Данией, использовалось уже сто тысяч ветряков, которые выполняли различную механическую работу. А вспомним борьбу Дон-Кихота против ветряных мельниц! Энергия ветра нашла применение и на другом континенте. Так, в США в 20-е гг. нашего века насчитывалось около 6 млн. ветроустановок. Появилось и новое их предназначение — производство электрической энергии.

Развитие ветроэнергетики в СССР началось в 30-е гг. В 1931 г. был организован Центральный ветроэнергетический институт. Исследовательские работы проводились и в других институтах. Налаживалось их производство. Так, только на Херсонском заводе выпуск ВЭУ мощностью 11 и 75 кВт составлял 2000 штук в год. В том же 1931 г. в Крыму была построена самая крупная в то время ВЭУ мощностью 100 кВт, которая работала до 1942 г. В 1935 г. была разработана ВЭУ мощностью 1000 кВт. Производство ветроустановок набирало силу, и в 1956 г. их выпуск достиг 9000 штук. Однако вскоре их производство было прекращено. В стране набирала силу «гигантомания».

К вопросу о целесообразности использования энергии ветра возвратились в 70-х гг., особенно за рубежом. Это событие связывают с резким ростом цен на нефть, т.е. с разразившимся нефтяным кризисом.

Основные принципы преобразования энергии ветра

Воздушный поток, проходя перпендикулярно через лопасти ветроколеса, вызывает его вращение, производя механическую энергию. Если объем протекающего за 1 с воздуха V = S·v, то мощность ВЭУ может быть получена из выражения:N = 1/2ρ·v3·S[Вт], где S— площадь ветроколеса, v и ρ — скорость и плотность воздуха соответственно. Однако не вся, а лишь часть энергии ветра может быть преобразована в механическую энергию. Эта величина оценивается коэффициентом использования энергии ζ, который определяется как отношение энергии, преобразованной в механическую, к полной энергии потока. Теоретическое значение коэффициента ζ равно 0,59. Практически же этот коэффициент в современных конструкциях составляет примерно 0,45 - 0,48.

Механическая энергия может быть преобразована в электрическую с коэффициентом полезного действия η, учитывающего потери в системе преобразования. Тогда окончательно мощность ВЭУ

N = 1/2η·ζ·ρ·v3·S[Вт].

Как видим, мощность ВЭУ пропорциональна скорости потока в третьей степени, что является чрезвычайно важным фактором. Так, если скорость потока увеличится (или уменьшится) всего лишь в два раза, то мощность увеличится (или уменьшится) в восемь раз.

Важными показателями для оценки эффективности работы ВЭУ являются минимальная, номинальная, максимальная и среднегодовая скорости ветра. Чем меньше минимальное и номинальное значения скоростей ветра, тем эффективнее работа ВЭУ в районах с низкими скоростями ветра. Так, некоторые ВЭУ начинают работу с 3,5 м/с. Наибольшая экономическая эффективность для использования энергии ветра достигается в зонах, где среднегодовая скорость ветра равна или превышает 5 м/с на высоте 10 м. Для исключения поломки ветроагрегата в случае превышения скорости ветра (порывы, шторм и т.д.) выше максимальной используются различные технические решения.

По мощности действующие ВЭУ подразделяются на три группы: малой, средней и большой мощности. Установки первой группы имеют мощность от 1 до 45 кВт, второй — 45 - 600 кВт и третьей — 1000 кВт и более.

Энергия ветра в национальных энергетических программах развитых государств

Энергетический кризис 70-х гг., истощения запасов органического топлива и ухудшающаяся экологическая обстановка вынудили многие государства вернуться к тем источникам энергии, с которыми человечество входило в цивилизацию. Одним из таких источников является энергия ветра.

Природное, т.е. теоретические ресурсы, составляют 1,5 - 2,5% солнечной энергии, поступающей на землю и непрерывно превращающейся в кинетическую энергию воздушных потоков в атмосфере. Часть этой энергии может быть преобразована техническими средствами в полезную энергию, пригодную для практического использования (т.е. это технический потенциал). И лишь долю последней можно преобразовать в традиционный вид энергии с экономически оправданными по сравнению с обычными энергоресурсами (т.е. экономический потенциал).

Каждое государство имеет свои возможности освоения такого вида энергии, но и это в значительной степени зависит от уровня технической оснащенности, наличия традиционных видов топлива и их стоимости.

Многие государства мира составили свои национальные программы освоения энергии ветра, создали соответствующую правовую базу, продумали систему мер, стимулирующих разработку, производство и внедрение ВЭУ.

Безусловным лидером среди этих государств являются США. Широкомасштабные исследования начались с 1975 г., когда около Кливленда была построена ВЭУ мощностью 100 кВт с размахом лопастей 38 м. С тех пор ВЭУ построены в различных местах США и особенно в штате Калифорния, который стал мировым полигоном для исследования ВЭУ различных модификаций. На конец 1989 г. в штате работали десятки тысяч ВЭУ общей мощностью 1500 МВт, что соответствовало примерно 90% от мировой выработки энергии на ветроустановках. Опыт эксплуатации ВЭУ в штате Калифорния за период с 1981 по 1989 г. показал:

на первом этапе ВЭУ приобретались по цене 2-3 тыс. дол/кВт, в последние годы — за 0,8 тыс. дол/кВт;

стоимость вырабатываемой электроэнергии снизилась с 20 - 30 до 5 - 7 центов/кВт·ч и практически сравнялась со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой на угольных электростанциях. Имеется твердая тенденция к снижению стоимости электроэнергии до уровня 1,6 - 1,8 цента/кВт·ч уже в 2000 г. В США в начале следующего столетия предполагается за счет энергии ветра покрывать около 10% общего ее потребления.

Из европейских государств лидером в развитии ветроэнергетики является Дания. Так, еще в начале 1985 г. в стране работало около 1400 ВЭУ с суммарной установленной мощностью 50 МВт. Здесь же на суше была построена самая мощная в Европе ветроэлектростанция (ВЭС), которая состоит из 134 ВЭУ мощностью 100 кВт каждая. Дания — одна из первых стран, которая с 1988 г. эксплуатирует ВЭС мощностью 4,95 МВт, расположенную в прибрежных водах, и на шельфе строит еще более мощную. Одновременно Дания является одним из крупнейших в мире экспортеров ВЭУ. Например, в середине 80-х гг. Дания экспортировала агрегаты общей мощностью 100 МВт на сумму 100 млн. долларов, а на конец 1989 г. около 45% всех ВЭУ были датского производства. Дания экспортирует ВЭУ мощностью 100 и более кВт в одном агрегате. В результате улучшения технологии производства и увеличения единичной мощности новые ВЭУ в 2 - 2,5 раза эффективнее произведенных в 1980 г. Себестоимость электроэнергии уменьшилась с 14 центов/кВт·ч в 1980 г. до 4,6 цента/кВт·ч в 1988 г. и прогнозируется ее снижение до 3,5 цента/кВт·ч. Стоимость же электроэнергии, произведенной на угольных электростанциях, составляет около 4 центов/кВт·ч.

Правительство Дании наметило до 2000 г. построить 60 тыс. ВЭУ, которые позволят обеспечить 4 - 5% использования тепла в индивидуальных жилых домах и до 10% потребностей электроэнергии.

Большие планы в освоении энергии ветра намечены в Голландии, Германии, Швеции, Англии, Франции и других государствах Европы. Для нашей страны интересен опыт Германии, где освоение энергии ветра осуществляется не только на побережье, но и в глубине материка. Особенно интенсивно проводятся работы в землях Северный Рейн-Вестфалия, Гамбург, Шлезвиг- Гольштейн (здесь построен первый в Германии ветропарк — полигон Кайзер-Вильгельм-Коог). Так, если до 1989 г. было изготовлено и установлено ВЭУ общей мощностью 3 МВт, 1991 г. — 70 МВт, 1993 — 250 МВт. Намечена и осуществляется программа дальнейшего строительства ВЭУ. Успешно функционируют как отдельные ВЭУ, так и ВЭУ, объединенные в группы, представляющие собой ветропарки.

Приведем средние значения стоимости одного киловатта установленной мощности ВЭУ, созданных более чем 20 немецкими фирмами: ВЭУ мощностью 2 кВт — 15000DM/кВт, 10 кВт — 5000DM/кВт, 100 кВт — 2700 DM/кВт, 500 кВт — 1800 DM/кВт. В настоящее время имеется ряд конструкций ВЭУ, удельная стоимость одного киловатта которых в пределах мощностей 100 - 500 кВт равна 1700 - 1500 DM.

Цены для нас кажутся большими. Однако правительства в развитых странах полны оптимизма и развитие ветроэнергетики в мире идет большими темпами.

{mospagebreak} 

В табл. 1 приведены мощности ВЭС в странах Европейского сообщества за период 1981 — 1994 гг., в табл. 2 — планируемое развитие ветроэнергетики в Европе и в США.

Таблица 1

Год

Установленная мощность, МВт

Год

Установленная мощность, МВт

Год

Установленная мощность, МВт

1981

10

1986

137

1991

533

1982

25

1987

171

1992

930

1983

37

1988

215

1993

1210

1984

52

1989

268

1994

1510

1985

80

1990

360

   

Таблица 2

Европа

США

Год

Установленная мощность, МВт

Год

Установленная мощность, МВт

2000

4600

2000

10000

2005

11500

2005

нет данных

2010

25000

2010

50000

Зарубежная практика эксплуатации ВЭУ позволяет сделать следующие выводы;

  • с увеличением мощности ВЭУ снижается стоимость одного киловатта мощности, что делает их экономически эффективнее;
  • для крупномасштабного производства электроэнергии необходимо создавать многоагрегатные ветроэлектростанции (ветропарки);
  • в целях эффективного использования вырабатываемой ВЭУ электроэнергии необходимо предусматривать как автономную ее работу, так и работу на общую сеть;
  • для успешного освоения энергии ветра необходимо издать нормативно-правовую базу и систему государственных поддержек, стимулирующих внедрение ВЭУ.

В последние годы в России и на Украине на базе ВЭУ «Радуга-1» мощностью 1000 кВт и ВЭУ АВЭ-250с мощностью 200 кВт создается экспериментальная база мощностью 5 МВт, строится Воркутинская ВЭС мощностью 8 МВт и Калмыцкая ВЭС мощностью 22 МВт. Ведутся проектные разработки ВЭС общей мощностью 175 МВт.

На Украине издано Постановление Кабинета Министров, согласно которому производится отчисление средств на создание ВЭУ в различных районах страны. Это позволило на базе изготовляемых украинскими предприятиями ВЭУ мощностью 100 - 200 кВт создать в Крыму ряд ветроэлектростанций. Стоимость вырабатываемой на них электроэнергии составляет 2,1 цента/кВт·ч.

В настоящее время Украина и Россия объединяют свои усилия на создание конкурентоспособных конструкций ВЭУ мощностью 200, 220 и 500 кВт и строительство на их базе ветроэлектростанций.

Ветроэнергетика Беларуси: прогнозы и реальность

Беларусь находится внутри континента, не обладает ярко выраженной гористой местностью. Так, высота отдельных зон над уровнем моря составляет всего 200 - 300 м. Достаточно большая удаленность от моря, погодные условия, наличие лесных массивов накладывают свои специфические условия на скорость ветра и его направление.

Специальные исследования по оценке ветроэнергетического потенциала Беларуси не проводились. Однако многолетние наблюдения за параметрами ветра, производимые Гидрометеоцентром на высотах 10 - 12 м, а в отдельных случаях 16 - 18 м, дают возможность произвести некоторые оценки. Прежде чем привести данные такой оценки, необходимо обратить внимание на следующие обстоятельства. Достаточно сильные ветры с устойчивыми характеристиками могут быть вблизи водоемов и вдоль рек. Известно также, что скорость ветра увеличивается с высотой. Его скорость и направление изменяются также в зависимости от рельефа местности, наличия на ней склонов, лесных массивов и т.д. Существует ряд специфических условий, подлежащих учету при оценке ветроэнергетические потенциала конкретного региона. В частности, необходимо знать; а) физикогеографические характеристики конкретного региона; б) среднегодовую скорость и направление ветра; в) повторяемость скорости ветра в течение года и по месяцам; г) распределение ветровых периодов и периодов затишья по длительности; д) максимальную скорость ветра, удельную мощность и удельную энергию ветрового потока; е) основные характеристики ВЭУ.

В табл. 3 приведены данные ветроэнергетического потенциала страны для случая, когда вся территория Беларуси разбивается на пять площадок с характерной для каждой из них высотой.

Таблица 3

Регионы и их высота, м

Показатели

100- 150

150-200

200-250

250-300

300-350

Всего

Класс площадок

I

II

III

IV

V

 

Полная площадь региона, кв. км

91741

99421

13907

2283

208

207560

Площадь под установку ВЭУ, кв. км

18348

19884

2781

457

42

41512

Среднегодовая скорость ветра, м/с на высоте 10 м

3,8

4,2

4,5

4.9

5,3

 

Максимальная средняя скорость ветра, м/с

на высоте 10 м

на высоте 50 м

4,5

6,0

4,3

6,4

5,4

7,0

5,8

7,4

6,2

7,8

 

Суммарная мощность ВЭУ, МВт

29356

37779

6952

1371

151

75609

Годовая выработка 30000 работающих ВЭУ, млрд. кВт·ч

88,1

113,3

20,8

4,1

0,45

226,7

Ориентировочная единичная мощ­ность ВЭУ в кВт и их количество из расчета 9 ВЭУ на 1 кв. км

160

165133

190

178957

240

25032

290

4109

350

378

373

609

Из таблицы следует, что если будут использованы только площадки IV и V классов, то с помощью ВЭУ может быть произведено 5,5 млрд. кВт·ч электроэнергии в год. Если же будет задействована вся территория страны и из технического потенциала будет освоено всего 10%, то ветровая энергия позволит произвести 22,7 млрд. кВт·ч в год, что эквивалентно 7 млн. т у.т. в год. Это серьезный потенциал для нашего государства. Он составляет 20% от потребляемого в настоящее время топлива.

Безусловно, при выборе месторасположения ВЭУ и ВЭС, а также конкретной конструкции необходимо произвести оценку экономической эффективности. Для этого важно учитывать: а) энергетическую выработку каждой ВЭУ в конкретном месте, б) надежность ВЭУ, в) полную стоимость, включая стоимость ВЭУ, ее монтажа и подключения к общей сети, г) эксплуатационные расходы.

Освоение ветровой энергии позволит не только облегчить решение топливно-энергетических проблем в нашей стране, но и в значительной степени оздоровить экологическую обстановку за счет исключения вредных выбросов при сжигании органического топлива.

К сожалению, в Беларуси имеется еще немало донкихотов, посвятивших себя борьбе с «ветряными мельницами», несмотря на большие успехи в освоении этого вида энергии в развитых странах.

Для успешного использования энергии ветра в Беларуси необходимо:

1) создать испытательный полигон для экспериментальной отработки и сертификации ВЭУ различных модификаций в условиях Беларуси.

2) Создать 3-4 пилотных (демонстрационных) объекта в регионах с наиболее оптимальными ветровыми характеристиками и осуществить их опытную эксплуатацию.

3) Уточнить ветроэнергетический потенциал с оценкой оптимального мощностного ряда энергоустановок и разработкой схемы наиболее рационального размещения ВЭУ на территории Беларуси.

4) Организовать совместное производство ВЭУ с фирмами ближнего и дальнего зарубежья с максимальным учетом накопленного опыта эксплуатации и специфики климата Беларуси.

5) Создать правовую базу и систему поддержек, стимулирующих развитие этого направления энергетики.

Необходимо иметь в виду, что с экономической точки зрения целесообразно создавать одиночные ВЭУ, групповые или ветроэлектростанции относительно большой мощности (100 и более кВт) с подключением их к общей энергетической системе.

И только от нас зависит, станет ли ветер нашим попутчиком в мир цивилизации или он еще долгое время будет бродить, как странник, по территории нашего государства, пугая детей своим воем в трубах и свистом в проводах.

Выложил alsak
Опубликовано 02.01.10
Просмотров 4987
Рубрика Материалы к уроку
Тема Энергетика
Комментарии

Комментарии (0)

Оставить комментарий

Пожалуйста, войдите, чтобы комментировать.

Последние комментарии

Sergey Kozhinin

10. апреля, 2018 |

Задача №4. По условию стыковка должна произойти "без дополнительной...

Сакович

14. сентября, 2016 |

Этот вопрос надо задавать не мне, а авторам статьи. Их данные можно...

Где взять?

14. сентября, 2016 |

Напишите пожалуйста, где взять такую базу?