«Ветер в сеть Барнаул 2008 ББК 20.1+31.1 Э 65 Энергетика Алтая. Ветер в сеть / под ред. О.З. Енгоян. — Барнаул: изд-во АКОФ Алтай — 21 век, 2008. Издание посвящено проблемам энергообеспечения юга Западной Сибири, Алтая и ...»

Энергетика Алтая

Ветер в сеть

Барнаул 2008

ББК 20.1+31.1

Э 65

Энергетика Алтая. Ветер в сеть / под ред. О.З. Енгоян. — Барнаул: изд-во

АКОФ «Алтай — 21 век», 2008.

Издание посвящено проблемам энергообеспечения юга Западной Сибири,

Алтая и возможным путям их решения. Основное внимание уделено

вопросам использования энергии ветра — теории и практике применения

ветроустановок для тепло- и электроснабжения.

Издание осуществлено при информационной поддержке Национальной библиотеки Республики Алтай им. М.В. Чевалкова и при финансовой поддержке Pacific Enviromental (USA) Особую благодарность выражаем заместителю директора ООО «Электросервис» г. Горно-Алтайск, инженеру — Юрию Ивановичу Тошпокову за неоценимую помощь в подготовке издания.

Содержание Часть I

Введение

Камо грядеши?

Как спасали Зейскую ГЭС

Такие знакомые грабли…

На кого будем равняться? На Запад?

или… на Восток?

Хорошо забытое старое…

Проблемы энергообеспечения и возможности региона................ Теплоснабжение — ключевой вопрос энергоснабжения Сибири

Негатив и позитив

Научный подход к установлению ВЭС

Автономное энергоснабжение и энергосбережение в Республике Алтай на базе НВИЭ

Часть II

Энергия ветра: немного теории

Семь раз отмерь…

Тише едешь…

Устройство ветроустановок

Классификация ветроустановок

Куда и сколько ставить будем?

Энергогенерирующий комплекс: движение воздуха и воды

Использование энергии ветра на ТЭЦ

Иллюстрации

Часть III Приложения

Приложение I П.К. Горчаков, Ю.В. Кондратюк Основные характеристики и перспективы ветроэнергетики

Ветер как энергетический ресурс

Основные вопросы проектирования ветросиловых агрегатов

Крымская ветроэлектростанция

Ветроэлектростанция 100 кВт

Перспективы промышленного использования энергии ветра

Работа по ветроэнергетике в третьей пятилетке............... Иллюстрации

Приложение II Будем строить флюгер Вильда

Приложение III Ветроэнергетика в России

Приложение IV Финансирование ветроэнергетического проекта

Первоначальные капитальные затраты

Ежегодные эксплуатационные затраты

Приложение V Федеральный закон «Об электроэнергетике» (извлечения)

Приложение VI Нормативно-правовое сопровождение............... ГОСТ Р 51237-98 Ветроэнергетика Термины и определения

ГОСТ Р 51990-2002 Ветроэнергетика Установки ветроэнергетические Классификация

ГОСТ Р 51991-2002 Ветроэнергетика Установки ветроэнергетические Общие технические требования

Приложение VII Часто задаваемые вопросы

Приложение VIII Соотношения некоторых единиц энергии (работы, теплоты)

Приложение IX Список использованной и рекомендуемой литературы

Приложение X Интернет–ресурсы

Приложение XI Производители ветроэнергетического оборудования

С течением времени «железная пята» этаких электростанций ступить на берега прозрачных рек, люди будут мечтать (Из беседы В.И. Ленина с Г.М. Кржижановским1, 1921 год) Камо грядеши?

За последнее десятилетие в разы увеличилось количество техногенных катастроф, связанных с ошибками, просчетами, недочетами и прочими оплошностями и промахами при проектировании энергетических объектов. Зарегулированные плотинами реки выходят из берегов, сносят жилища, отрезают поселки от мира2. Выбросы электростанций, работающих на угле, опасно превышают ПДК, заброшенные угольные шахты проваливаются, на работающих шахтах все больше взрывов и жертв3. Газ и нефть непрерывно дорожают и чреЦит. по: Наука и жизнь. №7, 1988.

Справедливости ради нужно отметить, что при паводках у властей и общества возникает противоречие:

— во избежание подъема уровня зеркала водохранилища и затоплений выше плотины воду в водохранилище нельзя аккумулировать, то есть нужно сбрасывать воду;

— во избежание подъема уровня воды в русле реки ниже гидроузла воду из водохранилища в нижний бьеф сбрасывать нежелательно.

Ситуация более чем парадоксальная: при любом решении страдают местные жители.

Один из последних примеров: 18 ноября, на шахте им. Засядько в Донецке произошел взрыв газовоздушной смеси. На момент аварии под землей ваты не меньшими проблемами, чем уголь, — как загрязнением окружающей среды отходами добычи и использования, так и образованием пустот в земной коре1.

Происходит это не потому, что строить стали плохо (хотя отчасти и поэтому), но в значительной степени потому, что вторжение человека в природные процессы оказалось слишком большим, тогда как его знания об этих процессах оказались слишком примитивными. Природные процессы, как показала жизнь, гораздо сложнее теоретической механики или даже ядерной физики.

Последними примерами (перед изданием этой книжки) были взрывы на донбасских и кузбасских угольных шахтах, взрыв магистрального трубопровода в Татарстане (когда горело сразу три нитки газопровода) и, конечно, ситуация, сложившаяся вокруг «спасения» Зейской ГЭС2. На последнем примере остановимся подробнее.

Как спасали Зейскую ГЭС первая крупная гидроэлектростанция Дальнего Востока.

Наша миссия заключается в производстве дешевой электроэнергии и защите жителей Приамурья от разрушительных наводнений…» Июль 2007-го года стал для людей, проживающих вблизи Зейской ГЭС, катастрофическим: многодневные проливные дожди привели к тому, что зарегулированная река вышла из берегов, водохранилище Зейской ГЭС переполнилось, и вздыбившаяся река стала представлять реальную угрозу для плотины. Чтобы спасти плотину Зейской ГЭС, энергетикам пришлось увеличить попуски воды — находилось 457 человек. В первые дни были обнаружены тела 88 погибших шахтеров, 77 из них в первые сутки были подняты на поверхность.

Неизвестной остается судьба 12 горняков, считающихся с момента аварии пропавшими без вести. — http://www.rosbalt.ru/2007/11/21/433047.html.

Кстати, горно-рудные выработки шахтного типа стоят на втором месте по влиянию на сейсмичность региона после искусственных водохранилищ (см., например, «Природные опасности России»: В 6 т. Т. 2: «Сейсмические опасности» / Под общ. ред. В.И. Осипова, С.К. Шойгу. — М.: КРУК, 2000. — 295с).

См. Точка зрения №7. По материалам сайта «Стихийные бедствия» от 22 июля 2007 г http://www.rambler.ru/news/events/disasters.html..

Официальный сайт Зейской ГЭС ((http://www.zges.ru).

сбросить лишнюю воду через створы гидроэлектростанции. Уровень воды в Зейском водохранилище поднимался на 10–15 см ежедневно (только за сутки 22 июля поднялся на 13 см) и достиг отметки почти 320 метров (над уровнем моря, причем высота самой плотины «всего» 115,5 м), несмотря на увеличение сбросов воды с 3,7 до 4,15 тыс.

кубометров в секунду. Суточный приток воды более чем втрое превышал ее допустимый расход через шлюзы и работающие агрегаты Зейской ГЭС.

Масштабные сбросы вызвали затопление более 40 домов островной части села Овсянка. Поднявшаяся вода отрезала от внешнего мира село Александровка, где на тот момент проживали 228 человек. Людей пришлось вывозить с помощью МЧС.

В зону подтопления попало также село Алгач, где затоплены 2 моста. В районе поселков Юбилейный и Поляковский произошел обрыв линий связи. Вода подошла к домам на улице Портовая в городе Зея.

Из зон подтопления были эвакуированы сотни людей. В Зейский район, где был введен режим чрезвычайной ситуации, направили «КамАЗ» с полевыми кухнями, машину связи для обеспечения бесперебойной связи оперативных групп, работающих в населенных пунктах. Кроме того, вертолет доставил 3 комплекта оборудования средств космической связи.

По информации регионального центра МЧС, группировка сил и средств, направленных на ликвидацию чрезвычайной ситуации, составляла 360 человек. В районе ЧС находились 162 единицы техники, в том числе плавсредства.

Согласно заявлению генерального директора Зейской ГЭС Ирины Савельевой, город и район были переведены в режим чрезвычайной ситуации. Никогда за время существования этой ГЭС (а она работает уже более сорока лет — с 1964 года) здесь не было таких масштабных сбросов.

Итак, под удар стихии попали несколько населенных пунктов, сотни людей фактически лишились жилья, остались без средств к существованию… В то же время для защиты ГЭС спасатели возвели насыпную дамбу и снесли временные перекрытия на реке Зее, чтобы разгрузить ее русло… В том или ином масштабе подобные ситуации складываются практически на любом техногенном объекте: для сохранения или создания объекта в жертву приносятся интересы местных жителей.

При этом подводится благовидная основа — «дескать, вы сейчас, пока мы все это строим, претерпите неудобства, потери, зато потом…» Как правило, этого «потом» не бывает. Вернее, бывает, но не совсем то, что обещали «благодетели». Такова практика реализации подавляющего большинства проектов, связанных с разрушением привычной среды обитания людей, которые живут в непосредственной близости к ГЭС, АЭС, месторождениям нефти и газа, магистральным трубопроводам.

Такие знакомые грабли… Технология «уговоров» местного населения мало чем отличается от любой другой рекламной или политической технологии.

Вы замечали, что когда начинается, как сейчас модно говорить, «раскрутка» нового товара, о нем говорят много, иногда просто многократно повторяя одно и то же. Ведь главное на этом этапе — вбить потенциальному покупателю в голову, что такой товар (магазин, услуга) имеется, что без этого товара (магазина или услуги) жизнь этого покупателя и не жизнь вовсе, а так, прозябание.

Вот и при агитации за тот или иной природоразрушительный проект применяется та же технология: без Алтайской ГЭС невозможно обойтись — это первоочередной объект энергетики в Республике Алтай; без газопровода в Китай — тем более. И все идет по той же технологии: сначала апологеты проектов заверяют: «поверьте нам, мы же специалисты»; потом убеждают, что нужно чем-то пожертвовать, ведь «не разбивши яйца — не сделать яичницу»; а потом говорят, что, дескать, «да, не рассчитали, есть проблемы, но уже никуда не денешься, пусть стоит»… А ведь энергетическую проблему можно решить гораздо меньшей кровью. И проблему электроснабжения, и, что для Сибири гораздо важнее, проблему теплоснабжения.

Безусловно, уровень решения во многом зависит от уровня проблемы: снабжать электроэнергией ткацкую фабрику, завод железнобетонных изделий или металлопрокатный комбинат — это совершенно разные подходы к энергоснабжению. Снабжение теплом и горячей водой туристического комплекса и научноисследовательского института может решаться одинаково, а снабжение этих учреждений электроэнергией во многом будет зависеть от специфики того и другого.

Вот сейчас в Республике Алтай делается ставка на развитие элитного туризма — проектируется создание современного горнолыжного курорта. Но решение энергетического обеспечения этого курорта, увы, далеко от современных подходов к энергетике, как, впрочем, и от требований охраны окружающей среды, уникальной природы Горного Алтая.

На кого будем равняться?

На Запад?

И, главное, ведь есть уже не просто примеры, но практически сформировавшаяся тенденция экономически эффективного внедрения и использования действительно современного энергетического оборудования на базе возобновляемых источников энергии, причем в странах с климатом, очень близким к алтайскому, например, в Швеции.

Вот только один, но далеко не единственный пример. Начиная с конца 2005 года, на горе Алмоса (60 км к северу от Остерсунда) функционирует ветряной генератор1. Лыжная база, расположенная на территории Алмоса, получает электричество от ветряной станции мощностью 0,85 МВт, годовая производительность которой составляет 2000 МВт•ч. И хотя при запуске устройства возникли некоторые проблемы, однако в настоящее время станция работает исправно даже при отключенной системе очистки ото льда2. Ветряной проект Алмоса является частью экологической программы Йемткрафт, заключающейся в разработке новой технической базы для генерации электричества из ветряной энергии. После оценки прибыли от станции было принято решение об инвестировании других проектов3.

Другой пример. Норвегия реализует проект по созданию ветростанции на острове Кармой. Основная причина этого решения:

стремление обеспечить бесперебойное энергоснабжение острова, где среди прочего расположен завод, специализирующийся на производстве металлов (!).

Еще пример. Великобритания за короткий период построила ветропарки (морского базирования), общая установленная мощность Диаметр лопастей равен 52 метрам.

При таком условии потеря электричества составляет 10%.

Чистая энергия, №1’2004, стр. 2.

которых превысила 210 МВт и сейчас реализует проекты, которые в ближайшем будущем увеличат этот показатель почти на порядок.

Но безусловным лидером в Европе является Германия, где установленная мощность ветропарков составляет почти 20 тыс. МВт, вырабатывающих почти 6% потребляемой немцами энергии. Не отстают Дания и Голландия.

или… на Восток?

Азиатские страны, хотя и отстают пока от Германии даже по суммарной установленной мощности, тем не менее ежегодно приращивают установленную мощность в среднем на 46%. Лидером здесь является Индия, где установленная мощность ветропарков в 2006 году приблизился к 4,5тыс. МВт.

В Китае оценили наиболее доступный потенциал ветроэнергии:

на суше он составил 253 тыс. МВт, а шельфовая зона может обеспечить еще 750 тыс. МВт. Однако реально введены в строй пока только (!) чуть меньше 1,5 тыс. МВт. Здесь нужно отметить, что создание ветропарков в Китае сопровождается законодательно не только в плане регулирования цен на вырабатываемую в этих ветропарках энергию, но и, например, в такой сфере, как производство комплектующих деталей для ветростанций — 70% этих комплектующих должно быть произведено в Китае!

Япония, делая в основном ставку на высокие технологии (а посему активно развивающая и совершенствующая производство солнечных батарей), тем не менее за четыре года (2002–2006) увеличила установленную мощность ветропарков более чем в два раза: с 461 МВт до более чем 1 тыс. МВт.

Хорошо забытое старое… Но вернемся на родину. Как бы странно это ни звучало, но Россия имеет не менее богатый опыт внедрения ветродвигателей, чем, скажем, Германия. Хотя многое идет именно оттуда.

И если Германия стремилась компенсировать исчерпаемость ресурсов и их труднодоступность1, то Россия (в свою бытность Советским Союзом) делала это для того, чтобы не отстать, чтобы передоЧему, кстати сказать, немало способствовал энергетический кризис 70-х годов прошлого века.

вые технологии рождались бы здесь, в родных пенатах, а не ввозились бы зарубежными «благодетелями»1.

В начале 19-го века энергия ветра в России использовалась главным образом для помола зерна. Число ветряных мельниц достигало 200 тыс. шт. Это были деревянные ветряные мельницы с четырьмя лопастями средней мощностью 3,5 кВт. Ветряные мельницы перемалывали в год около 34 млн. тонн зерна. Все ветряные мельницы были местного крестьянского производства, их постройка основывалась на многолетнем практическом опыте.

Советская власть, стремясь наверстать упущенное практически во всех сферах человеческой деятельности, в том числе в науке, индустриализации, сельском хозяйстве, старалась не только взять самое передовое из западной практики, но и развить все это, сделать доступным, рабочим, но в то же время наукоемким2.

Так, 8 апреля 1921 года Ленин писал Кржижановскому: «Я хорошо помню, что читал до войны о замечательном развитии ветряных двигателей и о том, что достигнуты там замечательные успехи.

Нельзя ли заказать спецу точную справку: укажи литературу, особенно немецкую. И сначала изучить (в Госплане) ее»3. Но еще в апреле 1918 г. в «Наброске плана научно-технических работ»

В.И. Ленин предлагает Всесоюзному совету народного хозяйства (ВСНХ) поручить академии наук «образовать ряд комиссий из специалистов для возможно более быстрого составления плана реорганизации промышленности и экономического подъема России». В наброске определялись основные направления плана: рациональное размещение промышленности в России; слияние и сосредоточение производства в немногих крупнейших предприятиях; наибольшее обеспечение возможности самостоятельно снабдить себя всеми главнейшими видами сырья; особое внимание — электрификации промышленности и транспорта и применению электричества к земледелию; применение водных сил и ветряных двигателей вообще и в частности к земледелию.

Когда старое оборудование продается в Россию, а европейские ветропарки комплектуются новым, более мощным и современным.

Кстати сказать, ветроэлектроустановки использовались и на юге Томской губернии, здесь, на Алтае. Например, в отдаленных районах сельские радиоточки были оборудованы ветряком с аккумулятором: ветер заряжал аккумулятор и репродуктор работал.

В.И. Ленин. Полное собрание сочинений, т. 52, стр. 134.

Надо сказать, что советские изобретатели не оставили без внимания эти замечания вождя. Более того, отрасль ветроиндустрии развивалась достаточно быстрыми темпами.

Теоретические и экспериментальные работы по ветродвигателям начали проводиться в 1920-х годах, в результате чего для нужд сельского хозяйства были разработаны многолопастные ветродвигатели цельнометаллической конструкции диаметром 5–8 м (ТВ–5 и ТВ–8). Массовое производство этих установок относится к 1936 г., когда было построено 1300 установок, укомплектованных поршневыми насосами. Производительность ТВ–5 составляла 1 м3/ч при скорости 3 м/с и 5 м3/ч при скорости ветра 5 м/с. ТВ–8 обеспечивала в 3–3,5 раза большую производительность.

К довоенному периоду относится также разработка ВЭУ с ветроколесами диаметром 8 и 12 м. Последний агрегат был укомплектован генератором 15 кВт. Он использовался на 16-ти станциях Северного морского пути и показал высокую надежность в работе в условиях Крайнего Севера.

Фамилии специалистов, ученых, которые разрабатывали ветроустановки, исследовали принципы и возможности использования ветроресурсов, — эти фамилии достаточно известны не только в сфере изобретательства. Достаточно вспомнить одного из основоположников космонавтики Юрия Владимировича Кондратюка, руководившего разработкой рабочего проекта мощной (по тем временам — мощнейшей) Крымской ветроэлектрической станции. Эта станция была построена в 1931 году недалеко от Севастополя. Мощность станции составляла 100 кВт, она имела ветроколеса диаметром 30 м и была оснащена асинхронным генератором. Станция работала очень успешно на местную энергосистему.

Кстати сказать, эти разработки положили начало широкомасштабной научно-исследовательской и практической работе по ветродвигателям и ветроустановкам: руководством страны было принято решение о переходе на проектирование и строительство маломощных ветроэлектростанций, для чего был создан Ветросектор при Теплоэлектропроекте. Начальником этого сектора стал Юрий Васильевич Кондратюк. Осенью 1939 года им в соавторстве с П.К. Горчаковым была опубликована статья «Основные характеристики и перспективы ветроэнергетики» в журнале «Электрические станции». Вплоть до ухода добровольцем на фронт в июле 1941 года Ю.В. Кондратюк руководил отделом по проектированию маломощЧасть I ных ветроэлектростанций ВЭС–2–Д–20 на 100 кВт и ВЭС–2–Д– на 250 кВт.

Кондратюком было сделано многое для становления ветроэнергетики в СССР. Уровень же Кондратюка как ученого можно оценить хотя бы по тому, что его работы в значительной степени способствовали развитию космонавтики в нашей стране.

Когда знакомишься с литературой того времени, посвященной ветроэнергетике, поражает та основательность, проработанность и масштабность, с которой эти книги, брошюры, статьи написаны. А работ было написано немало.

Чтобы дать представление о том, насколько серьезным был подход к использованию ветроэнергии в СССР и внедрению ветроагрегатов в жизнь, перечислим лишь несколько наиболее приметных изданий: Е.М. Фатеев «Системы ветродвигателей», Госэнергоиздат, 1933 г.; Е.М. Фатеев «Ветродвигатели и ветроустановки», Сельхозгид, 1948 г.; А.В. Кармишин «Применение ветродвигателей на животноводческих фермах», Машгиз, 1952 г.; Я.И. Шефтер, И.В. Рождественский «Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках», Издательство Министерства сельского хозяйства СССР, Москва, 1957 г. и другие.

В 1963 году были разработаны и опубликованы «Методы разработки ветроэнергетического кадастра».

Но публикациями дело не ограничивалось. Изготавливались экспериментальные модели, начиналось серийное производство.

Однако многому помешала война. Крымская ВЭС была разрушена, заводы, выпускавшие до войны комплектующие для ветродвигателей и сами ветроустановки, во время войны были переориентированы на военные нужны, а после войны — на масштабное восстановление народного хозяйства. Поэтому послевоенное время ознаменовалось не только началом использования атомной энергии, но и ориентацией как в промышленности, так и в производстве энергии на централизованные системы, а это требовало создания мощных энергоузлов, линий электропередач.

Тем не менее в 50-х годах в СССР ветродвигатели выпускали 44 завода. Максимальный уровень производства был достигнут в 1955 году — 9142 шт. Наибольшим спросом пользовался ветродвигатель ТВ–8, который стал применяться не только для различных видов водопользования, но и для переработки кормов. На водоснабЧасть I жение ферм в России в 7-ми областях в 1958 году работали 2352 установки. Ветродвигатели окупали себя за 1–2 года работы.

Ветродвигатель Д–12 также использовался для механизации трудоемких процессов в животноводстве и для водоснабжения. Более 3 тысяч радиоузлов в стране в 1956 году питалось от аккумуляторных батарей, заряжаемых с помощью ветроэлектрических агрегатов типа ВЭ–2 мощностью 100 кВт.

На базе ветроагрегата Д–18 была создана ветро-дизельная электростанция мощностью 25 кВт и многоагрегатная станция мощностью 400 кВт.

С развитием централизованного электроснабжения и электрификации сельского хозяйства ВЭУ стали терять свое прежнее значение для села. Задачей ветроэнергетики на современном этапе стало обеспечение энергией удаленных потребителей.

Ориентация на централизованное энергоснабжение и крупные электростанции привела к тому, что ветроэнергетика отошла на задний план. Тем не менее в период с 1968 по 1975 годы в ряде организаций были разработаны новые ветроэлектрические агрегаты мощностью от 1 до 30 кВт.

Однако это не могло, конечно, соперничать с широкомасштабными разработками в сфере ветроэнергетики, которые велись в европейских странах. Толчком к таким широкомасштабным разработкам стал энергетический кризис, охвативший развитые страны в 1973–1976 годах. Правительства этих стран вынуждены были искать альтернативные пути решения энергетических проблем, что послужило поводом к формированию как общественного движения в поддержку и за развитие возобновляемых экологически безопасных источников энергии, так и государственных программ, нацеленных на финансирование разработок в этой сфере.

Результатом стало не только решение энергетических проблем с минимальным ущербом для окружающей среды, но создание вполне конкурентоспособного сектора экономики и сотен тысяч рабочих мест, развитие наукоемких производств, формирование положительного имиджа ряда европейских стран, в которых ветроэнергетика развивается наиболее успешно.

Кроме того, всплеск в 1970-х годах интереса к альтернативным экологически безопасным источникам энергии показал, что возможности ветроэнергетики значительно шире, чем водоснабжение отдельных хозяйств или переработка кормов. Сегодня за счет испольЧасть I зования ветропарков производится столько электроэнергии, что ее хватает для удовлетворения потребностей в энергии крупного города, такого, как, например, Сан-Франциско в течение года.

Проблемы энергообеспечения и возможности региона Мы уже отмечали, что подход в решении энергетических проблем во многом зависит от уровня энергопотребления предприятий или региона в целом. Ветроэнергетика, в отличие от гелиоэнергетики или биогаза, позволяет решать гораздо более широкий спектр задач: от энергоснабжения крупного предприятия до обеспечения теплом и светом небольших ферм, поселков, хуторов. И решать эти задачи ветроэнергетика позволяет очень эффективно.

Именно вопрос энергоснабжения разрозненных потребителей наиболее актуально стоит в отдаленных районах, каковых много на юге Западной Сибири, на Алтае. Зачастую такие территории имеют все возможности развиваться, создавать производства, оказывать самые разнообразные услуги — есть и специалисты, и природные ресурсы, и спрос… Основным препятствием здесь является инфраструктура: электроснабжение, теплоснабжение, дороги, связь.

Энергетические проблемы можно условно подразделить на три основные группы: электроснабжение, теплоснабжение и выполнение механической работы.

Несмотря на обилие электричества в нашей жизни, основные энергозатраты приходятся на теплоснабжение. В тоннах условного топлива1 в нашем регионе энергозатраты на теплоснабжение на порядки превышают потребности в электричестве. Это связано, естественно, с климатическими особенностями региона: низкие зимние температуры, продолжительный холодный период, резко континенТаблицу соответствий см. в Приложении.

тальный климат. И в этом контексте ветроэнергетика приобретает дополнительные преимущества.

Во-первых, ветроагрегаты без особых сложностей можно не только использовать в сочетании с различными электрогенерирующими источниками энергосистемы, но и как совершенно самостоятельный источник теплоснабжения. Тем более что в этом случае отпадает надобность в некотором оборудовании, которое необходимо при использовании ветряков для производства электроэнергии.

Во-вторых, интенсивность ветров по сезонам года совпадает с пиковыми сезонными нагрузками энергосистем (и теплоснабжения, и электроснабжения) — зимой ветры чаще и сильнее, чем летом;

одновременно и потребность в теплоэнергии и электроэнергии зимой выше, чем летом.

Поэтому для удаленных территорий, имеющих перспективы для развития ветроэнергетики (а юг Западной Сибири, Алтай, безусловно относится к таким территориям) использование ветроустановок для теплоснабжения имеет большое значение.

Увы, но идеальный источник энергии, который мы, люди, могли бы использовать, не оказывая абсолютно никакого влияния на окружающую нас среду — еще не придуман человечеством. А потому нельзя в нашей книжке обойти стороной и вопросы баланса плюсов и минусов, достоинств и недостатков, которые присущи ветроустановкам.

Начнем с негатива. Основной недостаток — ветер изменчив и не всегда предсказуем. При работе в энергосистеме требуются дублирующие мобильные мощности, а при работе на локального потребителя — аккумулятор.

Затем, любое техногенное сооружение имеет свои недостатки. У ветроустановок их три.

1. Шум. Вращение лопастей, работа генератора не бывает бесшумной, а вращение лопастей в несколько метров — тем более. Однако современные конструкции этих агрегатов1 позволяют снизить Это касается только современных конструкций ветродвигателей, созданных и произведенных не ранее середины 90-х годов прошлого века.

шумовое воздействие настолько, что при условии, если ветродвигатель располагается на расстоянии более 250 метров, уровень звука его работающих деталей не превышает уровня звука обычной автострады.

2. Птицы1. Вращающиеся лопасти действительно могут стать причиной гибели пернатых, а также летучих мышей. Дискуссии на эту тему ведутся уже давно. Одно из основных правил: прежде чем устанавливать один, а тем более несколько ветряков, нужно изучить, как птицы и летучие мыши используют данную территорию. Но на самом деле важность этой проблемы остается под вопросом до сих пор. Ведь, как правило, птицы замечают появившиеся в ареале их обитания новые постройки, научаются их избегать (особенно вращающиеся лопасти) и… продолжают здесь кормиться и размножаться. Проблемы же возникают в том случае, если ветроустановки были размещены на маршрутах миграции большого количества птиц или в особо привлекательных местах их кормежки и гнездования.

Кроме того, современные ветровые установки имеют лопасти, которые вращаются значительно медленнее, чем у их предшественников, а стало быть, создают гораздо меньше проблем в плане сохранения птиц, летучих мышей и мест их обитания.

3. Эстетика. Увы, не всем нравится наблюдать ветровые турбины на фоне природного пейзажа, ведь это высокие (по нескольку десятков метров в высоту) сооружения, которые видны с относительно больших расстояний. С другой стороны, они выглядят гораздо изящнее, чем нефтяной фонтан, газовый факел или колючая проволока атомной электростанции, и уж точно значительно приятнее гниющих берегов искусственных водохранилищ ГЭС.

Позитивных моментов, конечно, больше. Во-первых, это сохранение наших рек, наших природных богатств, наших недр, наших ресурсов. Во-вторых, это отсутствие выбросов парниковых газов и Использование устаревших, вышедших из употребления агрегатов (а именно такие ветроустановки сегодня пытаются навязать России западные производители, обновляющие европейский парк ветряков) может привести, с одной стороны, к реальному ущербу от шумового и вибрационного воздействия ветродвигателя устаревшей модели, а с другой, — к дискредитации самой идеи внедрения ветроустановок в нашу жизнь.

Современные конструкции ветряков (см. предыдущую сноску) позволяют свести практически к нулю вибрационное воздействие на почвы, грунт и сообщества животных, обитающих на данной территории.

твердых частиц, загрязняющих среду обитания, а значит, снижение воздействия на климат. В-третьих, доступность, а значит, возможность сформировать свою собственную энергетическую базу как отдельному предпринимателю, так и отдельному населенному пункту, группе предприятий, региону. В-четвертых, ветроустановки позволяют использовать энергию ветра как для получения электрической энергии, так и для теплоснабжения. В-пятых, ветроустановка может работать как на аккумулятор, так и в единую энергетическую сеть, а это значит, что вырабатываемую энергию можно продавать.

Кроме того, развитие ветроиндустрии оказывает положительно влияние на социально-экономическую сферу:

— создание и развитие новых производств: как собственно ветроагрегатов, так и комплектующих к ним;

— развитие инфраструктуры (в том числе, строительство и производство строительных материалов);

— вложения в местную экономику (особенно, если это проект локальной энергосистемы или теплоснабжения);

— создание рабочих мест на предприятиях по текущему ремонту и обслуживанию ВЭУ;

— годовой доход по проекту;

— арендная плата за землю;

— налоги в бюджеты разных уровней (в зависимости от уровня ВЭС и ее включенности в централизованное энергоснабжение);

— страхование (владельцы могут захотеть получить страховку от непредвиденных обстоятельств).

А как наиболее дешевый и доступный источник электроэнергии, ветер имеет своих сторонников в 95 странах мира. Правда, сегодня энергетики этих стран уделяют больше внимания строительству ветряных турбин большой мощности — от 1 мегаватта и выше, которые дают в десятки раз больше электричества, чем средняя модель ВЭС.

Однако и маломощным установкам уделяется далеко не последнее внимание в самых разных странах — Японии, Англии и других.

Успешное планирование проектов по использованию энергии ветра требует хорошего знания ветрового режима в той или иной местности. Для оценки рентабельности проекта необходимо рассчитать среднегодовой объем производства энергии ветродвигателем данного типа, а для этого, в свою очередь, требуется знать скорость и направление ветра на определенных высотах. Для обычных горизонтальных ветродвигателей — это высота оси ветроколеса над землей. Поскольку энергия ветра пропорциональна кубу (третьей степени) его скорости, точность оценки средней скорости ветра должна быть очень высокой. Ведь при изменении этой величины погрешность в 10% может привести к отклонению среднего значения расчетной выработки энергии примерно на 30%, что существенно затрудняет экономические прогнозы. Это, кстати, единственная из немногих существенных ошибок, допускаемых при установке ВЭС.

Поэтому совершенно очевидно, что вопрос о доступности и качестве данных является очень серьезным и важным.

Объем потребляемой энергии и структура потребления, т.е. его изменчивость во времени, имеют большое значение при рассмотрении вопроса о целесообразности установки одного или нескольких высокопроизводительных ветродвигателей или обычной силовой установки. Существует значительное различие между гибридной системой и ветроустановками, подключенными к сети энергосистемы. Если ветродвигатели осуществляют подачу энергии в систему, то предварительный анализ должен включать изучение эксплуатационных качеств систем различного типа. То есть необходимо знание электрических сетей и трансформаторных подстанций, находящихся на местности, где собираются устанавливать ВЭС.

Если ветровой режим достаточно благоприятен, то изучаются характеристики предполагаемой ветроэнергетической системы, чтобы оценить рентабельность проекта.

Когда ветродвигатели функционируют в рамках центральной сети, скорость оборотов турбины, а также частота генераторов переменного тока машины поддерживаются на постоянном уровне с помощью гораздо более мощных обычных генераторов, подключенных к сети. Принципиальное назначение сетевых ветродвигателей заключается в снижении нагрузки на обычные генераторы: экономия топлива на ТЭС, снижение потребности в аккумулировании воды на ГЭС и т.д.

Когда же доля энергии, произведенной ветродвигателями, становится сопоставимой с объемом энергии, вырабатываемой обычЧасть I ными генераторами, возникают проблемы, связанные с регулированием частоты системы. Но это отдельная тема для разговора.

Ветроэнергетические системы можно подключать к энергосети больших городов или использовать в отдаленных районах для их автономного энергоснабжения.

Современные ветровые агрегаты новых типов практически не нуждаются в привычном эксплуатационном персонале — они включаются и работают автоматически. Почти все узлы машин стандартны и поставляются в комплектном исполнении. Стоимость строительной части установок составляет около 10%. Поэтому сроки возведения установок и количество рабочих, необходимых для монтажа, минимальны. Практически машину мощностью 1000 кВт бригада из 10 рабочих сможет собрать и подготовить к пуску в течение месяца.

Конечно, ветер изменчив, и массовое строительство ветряков сделает необходимым создание в энергосистеме аккумулирующих (тепловых, электромагнитных или иных) систем. Однако примечательно, что энергия ветра и потребность в энергии (нагрузка системы) в течение года изменяются синхронно! В летний период, когда ветры слабы, требуется минимальная мощность в системе. В этот период можно ремонтировать, заменять и, при необходимости, добавлять в систему ветроагрегаты.

Ветроэнергетические установки новых типов имеют небольшую материалоемкость, высокую заводскую готовность, допускают полную автоматизацию, требуют минимального отвода земли на пустырях, в степях, долинах, где ветры не способствуют другим видам деятельности, а также на вершинах гор и холмов. При развитии электросетей это позволяет ожидать, что себестоимость электроэнергии, получаемой на ветряках в указанных регионах, будет не выше средней существующей себестоимости. Мощность устанавливаемых ветряков зависит, как мы уже писали, от хозяйственных потребностей.

Благодаря усилиям энтузиастов за последние несколько лет были разработаны несколько проектов закона «О поддержке возобновляемых источников энергии». Были сделаны несколько попыток провести эти законопроекты через Государственную Думу (один из вариантов был одобрен Советом Федерации, но на него президентом было наложено вето).

Однако, в ноябре 2007 года все-таки первые шаги были предприняты: были приняты поправки в федеральный закон «Об электроэнергии», в некоторой степени отражающие ряд основных положений, касающихся поддержки возобновляемых источников энергии1.

Автономное энергоснабжение и энергосбережение Основу экономики Республики Алтай составляют сельское хозяйство, туристический бизнес, и частично перерабатывающая промышленность.

Конечно, можно утверждать, что оптимальным решением является централизованная электрификация. Однако с этим можно поспорить. Централизованная электрификация, как любая экономическая деятельность, хороша при условии достаточной рентабельности или же при существенной поддержке со стороны законодательства, исполнительной власти, государственного бюджета различного уровня. Ведь строительство линий электропередач, тем более в условиях сложного горного рельефа, — это достаточно дорогое удовольствие. Кроме того, чем протяженнее линии электропередач, тем больше в них потери, как коммерческие, так и некоммерческие, или, как говорят энергетики, «потери на корону»2.

Животноводство, как традиционный вид деятельности, в течение многих тысячелетий было отгонным и в значительной степени определяло уклад жизни, менталитет народов, населяющих эти земли, а также специфику расселения различных групп по территории Алтая.

Поэтому сохранение этого вида животноводства имеет не только экономическое, но и социальное, политическое и, — как ни странно бы это звучало, — экологическое значение. Ведь сохранение самобытности, налаженных взаимоотношений с природой — Выдержки из поправок в ФЗ «Об электроэнергетике» см. Приложение.

Корона электрическая — одна из форм электрического разряда в газах, называемая также коронным разрядом. Коронный разряд приводит к значительным потерям энергии. (См. Советский энциклопедический словарь, Справочная книжка энергетика и т.п.).

основа социальной стабильности, экологической, экономической и прочих видов безопасности.

И это вовсе не призыв к сохранению печного отопления, как основы теплоснабжения, или использования лучин для освещения.

Современное развитие цивилизации позволяет животноводам, пчеловодам, служителям кордонов и т.д. пользоваться достижениями научно-технического прогресса, сводя вероятность ущербов от этого самого прогресса к минимуму, а в ряде случаев исключая ущерб вовсе.

Ориентация руководства региона на развитие туристической сферы экономики также способствует созданию собственной базы генерирующих мощностей на основе собственных возобновляемых источников энергии. Наверное, заявление о том, что ветер или солнце является «собственным» энергоисточником, звучит несколько необычно, но для их «доставки» на место использования точно не нужно тратить бюджетные средства.

Поэтому сегодня все больше возникает ситуаций, когда нужно искать альтернативные решения с использованием имеющихся потенциальных энергетических ресурсов в первую очередь — возобновляемых.

Республика Алтай обладает огромным возобновляемым энергетическим потенциалом. Например, по количеству часов солнечного сияния Чуйская долина является чемпионом России, экономический ветроэнергетический потенциал региона оценивается более чем в 2 млрд. кВт•ч возможной годовой выработки электроэнергии, а стойловое содержание скота в зимние месяцы создает условия для использования биогазовых энергоустановок.

Оборудование для автономного энергообеспечения производится отечественными предприятиями серийно. В конце настоящего издания приведен перечень (по состоянию на момент публикации) российских предприятий, производящих ветроустановки, а также сопутствующее оборудование.

Ветер — ресурс капризный: налетел, по листочкам пробежал, кепку сорвал, окно распахнул — и нет его. Как тут энергию получать? Вот и первая ошибка: не там мы меряем скорость ветра, ведь ветроколесо будет располагаться не на уровне нашего окна, а, как минимум, на высоте не ниже 10–15 м.

Как же определить скорость ветра? Как оценить ветропотенциал?

Семь раз отмерь… Вопрос о том, где ставить ветроустановку, какой высоты должна быть ее мачта, какой мощности вам нужны будут ветроагрегаты, на каком удалении от жилья и различных уязвимых природных объектов можно расположить ветропарк — все эти вопросы необходимо тщательно изучить до начала монтажа ветроустановок. Хотя ветряки достаточно мобильны (их можно, при желании, переустановить в другом месте), все-таки лучше сэкономить силы, средства и время и не выбирать место установки экспериментально, а приложить некоторые усилия для выбора оптимального места размещения ветроэлектростанции.

На разных высотах ветер характеризуется разными скоростями и направлением.

Скорость ветра, как пишут в учебниках, выражается длиной пути, который проходят частицы движущихся воздушных масс за 1 секунду. Она измеряется в метрах в секунду (м/сек). Скорость ветра является одной из основных характеристик воздушного потока, так как определяет его энергию. Чем больше скорость ветра, тем больше и энергия, заключенная в потоке.

Для измерения скорости ветра применяются специальные приборы: от простейших флюгеров, которые можно изготовить самостоятельно, до сложных анемометров, выпускаемых предприятиями точной техники.

Простейшим прибором для измерения скорости ветра является флюгер Вильда, изображенный на рисунке 1. Его можно изготовить собственными силами1. Устройство флюгера следующее: к штоку жестко прикреплена флюгарка 2, которая при изменении направления ветра устанавливает плоскость металлической пластинки 3 перпендикулярно направлению потока.

1 — шток, 2 — флюгарка, 3 — пластинка, 4 — горизонтальная ось, 5 — сектор.

Пластинка имеет возможность качаться относительно горизонтальной оси 4.

Угол отклонения пластинки зависит от величины давления на нее ветрового потока. Этот угол тем больше, чем выше скорость ветра. Пластинка имеет размеры 150x300 мм и может быть изготовлена весом в 200 г (для районов с небольшими среднегодовыми скоростями ветра) или 800 г (для районов, где среднегодовые скоПодробно об этом см. Приложение.

рости ветра составляют 6 м в секунду и выше и часто дуют ураганные и буревые ветры).

Более точно скорость ветра можно определить с помощью анемометра. При отсутствии флюгера Вильда или анемометра приближенное определение средней скорости ветра может быть сделано по различным внешним признакам на местности по приведенной ниже таблице.

Таблица для определения скорости ветра по внешним признакам Характер Скорость ветра, Очень легкий Сильный 12–14 Песок поднимается, на стоячей воде поднимаются При определении ветрового потенциала нужно также помнить, что существенную роль в этом вопросе играют природные объекты (горы, возвышенности, лес, отдельно стоящие деревья и проч.), а также здания и сооружения, расположенные на пути движения воздушных масс.

Здесь нужно обратить внимание, что существуют самые различные системы градации скоростей ветра. Однако при серьезном подходе ориентироваться следует в первую очередь на официальные критерии, применяемые в метеорологии (см. Наставления по краткосрочным прогнозам погоды для общего пользования. — СПб, 1996).

с учетом возможности их затенения строениями или деревьями Также расположение ветростанции будет зависеть от тех рекомендаций, которые дадут биологи, гидрологи, почвоведы, геологи и, конечно, метеорологи. Самое разумное здесь — обратиться в региональный метеоцентр за справкой по среднегодовой, среднемесячной скорости ветра, повторяемости скоростей ветра, повторяемости направлений ветра и т.д. — иными словами, чтобы вам предоставили розу ветров для данной конкретной территории.

Например, для Горного Алтая не характерны сильные и частые ветры (за исключением перевалов и ряда межгорных котловин и высокогорных степей). Поэтому исходить в данном случае следует из того, что рассчитывать на высокие промышленные скорости (6– 8 м/с) можно только при тщательном изучении конкретной местности. В то же время нужно отметить, что в Горном Алтае ветроэнергетический потенциал имеет места локальной концентрации по долинам рек. В частности, следует отметить участок долины реки Чуи между Чуйской и Курайской степями, долину реки Чулышман и т.д.

Но это совершенно не означает, что ветроэнергетика в горах Алтая не имеет никаких перспектив. Ветроэнергетический потенциал Республики Алтай еще подлежит детальному изучению. Дело в том, что сегодня ветер является настолько привлекательным энергоресурсом, что разработаны ветротурбины, работающие даже на сквозняках1.

Так, например, маленькую и симпатичную ветровую турбину, рассчитанную на большие города, показала американская компания Aero Vironoment на фестивале Wired NextFest, прошедшем в 2006 году Нью-Йорке.

http://www.membrana.ru/lenta/?6509.

Новинка называется Architectural Wind и от своих сородичейветряков отличается, прежде всего, симпатичным дизайном и компактностью. А ещё — необычной концепцией применения: турбинку предлагается устанавливать на парапете здания, а не посреди крыши. Она ловит потоки, которые гуляют вдоль стен и поднимаются вверх. В современных городах с плотной застройкой такие «сквозняки» иногда приводят к 30-процентному увеличению производства энергии.

Над Architectural Wind раскинулся защитный тент, а перед ней — решётка, защищающая птиц от столкновения с лопастями. Высота всей конструкции — 1,98 метра, масса — 27,2 килограмма.

Чтобы устройство заработало, требуется сравнительно слабый ветер — скоростью всего 3,1 метра в секунду. За месяц одна такая установка вырабатывает в среднем 55 кВт•ч.

О цене новинки пока ничего не сообщается, однако предыдущие версии турбины, несколько иной формы и размеров, уже работают на крышах ряда зданий.

И хотя эти разработки пока только в начале массового производства, они свидетельствуют о том, что невысокие среднегодовые скорости ветра совершенно не являются препятствием для развития ветроэнергетики.

Тише едешь… Специфика ветра как источника энергоресурса, а именно — перепады скоростей, наличие мест, где скорости невелики, а централизованное энергоснабжение дорогостояще, — все это изначально способствовало тому, что разрабатывались самые разные конструкции ветроустановок, в том числе и с расчетом на невысокие скорости ветра.

Именно этот фактор еще на заре масштабного развития энергетики во многом определил деление ветроустановок на быстроходные и тихоходные. Связано такое деление, повторим, с одной стороны, с потребностью уловить невысокие скорости ветра и получать на этих скоростях энергию, а с другой, — с количеством лопастей у данной конкретной установки, ведь чем больше лопастей у ветроустановки, тем при меньшей скорости ветра начинается его движение.

С другой стороны, чем меньше число лопастей, тем, при прочих равных условиях, ветроколесо имеет большее число оборотов. Поэтому малолопастные ветродвигатели называются быстроходными, что является одним из серьезных преимуществ, так как делают более простой передачу мощности, например, к электрическому генератору. Кроме того, быстроходные ветродвигатели более легкие и имеют более высокий коэффициент использования энергии ветра.

Однако, быстроходные ветродвигатели имеют существенный недостаток: их начальный момент трогания, то есть вращающий момент, развиваемый на неподвижном ветроколесе, при одинаковых диаметрах ветроколес и скорости ветра в несколько раз меньше, чем у тихоходных ветроколес. Иными словами, чем меньше число лопастей, то есть чем быстроходнее ветроколесо, тем выше должна быть скорость ветра для получения стабильной работы, эффективной зарядки аккумуляторов или подачи качественной энергии в сеть. Соответственно, чем больше лопастей, тем меньше потребуется скорость ветра, для начала эффективной работы ветродвигателя.

К недостаткам тихоходных (многолопастных) ветроколес можно отнести то, что они не так легки, как быстроходные (малолопастные) ветроколеса, а также меньший коэффициент использования энергии ветра. В то же время нужно отметить, что преимущества и недостатки определяются в первую очередь тем, какую задачу предполагается решать с помощью ввода в эксплуатацию ветроэлектростанции.

Устройство ветроустановок К основным компонентам ветроустановок независимо от вида относятся: ветроколесо (ротор), генератор, мультипликатор, башня, основание (фундамент).

Ветроколесо (ротор) преобразует энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Для соединения с электросетью частота вращения ветроколеса должна быть постоянной. В противном случае, при переменной частоте (для автономных электросистем) используется выпрямитель и инвертор. Переменная частота допустима и в том случае, когда ветроустановки используются для систем теплоснабжения, а также для водоснабжения и другой механической работы.

Мультипликатор — промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, которое повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются.

Башня — конструкция, на которой устанавливается ветроколесо, иногда ее укрепляют стальными стяжками. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни.

Основание (фундамент) предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре.

Кроме того, для защиты от поломок при сильных порывах ветра и ураганах почти все ВЭУ большой мощности автоматически останавливаются, если скорость ветра превышает предельную величину.

Для целей обслуживания они должны оснащаться тормозным устройством. Горизонтально-осевые ВЭУ имеют в своем составе устройство, обеспечивающее ориентацию ветроколеса по направлению ветра.

Классификация ветроустановок Какие они бывают? Огласите весь список, пожалуйста… Существуют различные критерии для классификации ветродвигателей1: по виду вырабатываемой энергии, по мощности, по областям применения, по назначению, по признаку работы с постоянной ГОСТ Р 51990–2002 Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика.

Установки ветроэнергетические. Классификация. Дата введения 2003–07– или переменной частотой вращения ветроколеса, по способам управления, по структуре системы генерирования энергии.

Что касается вырабатываемой энергии, то ветроустановки подразделяются на механические и электрические. Механические ветроустановки используются для орошения, для водоснабжения (подъем воды, откачка воды, осушение и другие виды водоиспользования), а также исторически в качестве мельниц.

Электрические ветроустановки, как следует из их названия, предназначены для выработки электроэнергии. Они в свою очередь подразделяются на ветроэнергоустановки постоянного и переменного тока.

Главные признаки для классификации ветроэнергетических установок — это геометрия ветроколеса и его положение относительно направления ветра. При взаимодействии ветра с ветроколесом возникают:

— сила сопротивления, параллельная вектору скорости набегающего потока;

— подъемная сила, приложенная к лопасти ветроколеса, перпендикулярная силе сопротивления (сравните: только при горизонтальном движении планера подъемная сила, действующая на его крыло, направлена вверх);

— завихрение, закрутка ветрового потока, обтекающего лопасти ветроколеса;

— турбулизация потока, т.е. возникновение хаотических по величине и направлению возмущений скорости воздуха в ветровом потоке; турбулентность возникает как за колесом, так и перед ним, в результате лопасть часто оказывается в потоке, турбулизованном другими лопастями;

— препятствие для набегающего потока; это свойство ветроколеса характеризуется его параметром, называемым геометрическим заполнением ветроколеса; он равен отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой ими площади; так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое большее геометрическое заполнение, чем двухлопастное.

Ветроэнергетические установки классифицируют по следующим признакам:

1. По ориентации оси вращения ветроколеса: вертикальная (перпендикулярно воздушному потоку, рис. 3) или горизонтальная (параллельно воздушному потоку, рис. 4, 5). В первом случае установку называют вертикально-осевой, во втором — горизонтальноосевой.

2. По природе вращающей силы: сила сопротивления или подъемная сила. Установки, использующие силу сопротивления (драг– машины), как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъемную силу (лифт– машины), имеют линейную скорость концов лопастей, существенно большую скорости ветра — здесь та же ситуация с судами типа яхт, которые могут передвигаться быстрее ветра.

рис. 4. Ветроколеса с горизонтальной осью: одно-, двух-, трех- и многолопасные рис. 5. Способы ориентации ветроколес с горизонтальной осью:

стабилизатором, дополнительным боковым колесом, серводвигателем, самоориентацией 3. По величине геометрического заполнения ветроколеса: для большинства установок эта величина определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполнением развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при относительно небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые установки обычно используются для работы мельниц и водяных насосов при подъеме воды из колодцев и скважин — они даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, а вторые — в качестве электрогенераторов, роторы которых должны вращаться с большой частотой. Кроме того, тихоходные (многолопастные) ВЭУ с успехом могут быть использованы для отопления, так как в этом случае можно пренебречь частотой вращения и качеством сигнала, поступающего с ветроустановки.

4. По назначению ветроэнергетической установки: непосредственное выполнение механической работы или производство электроэнергии. В последнем случае ВЭУ, включающую в себя электрогенератор, нередко называют ВЭГ (ветроэлектрогенератором) или аэрогенератором.

5. По наличию или отсутствию устройств стабилизации частоты вращения ветроколеса: наличие подобного устройства позволяет напрямую подключать ветроэлектрогенератор к мощной энергосистеме, однако КПД такой установки ниже.

6. По наличию или отсутствию промежуточного между ветроколесом и электрогенератором преобразователя энергии, играющего роль буфера. Наличие такого буфера позволяет уменьшить последствия флуктуации1 частоты вращения ветроколеса и эффективнее использовать энергию ветра и мощность ветроколеса. Существуют также частично развязанные схемы соединения колеса с генератором, называемые мягкосопряженными. Нежесткое соединение совместно с инерцией ветроколеса уменьшает влияние флуктуации скорости ветра на выходные параметры электрогенератора. Это может быть достигнуто, в частности, с помощью подпружиненных шарниров, соединяющих лопасти с осью ветроколеса.

Ветроэлектрогенераторы с горизонтальной осью Основной вращающей силой у ветроколес этого типа является подъемная сила. В рабочем состоянии ветроколесо может располагаться относительно ветра перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий поток воздуха, что снижает его КПД. При горизонтальном расположении оси на лопасти действуют циклические нагрузки, возникает повышенный шум, имеют место флуктуации выходных параметров ветроустановки. Направление ветра может довольно быстро изменяться, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели.

В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух- и трехлопастные ветроколеса, последние отличаются плавным ходом.

Электрогенератор и редуктор, соединяющий генератор с ветроколесом, расположены обычно наверху опорной башни в поворотной головке. В принципе, с точки зрения эксплуатационных моментов, их удобнее размещать внизу, но возникающие сложности передачи крутящего момента обесценивают преимущества такого размещения.

Многолопастные колеса, развивающие большой крутящий момент при слабом ветре, используются для перекачки воды и других целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.

Случайное отклонение от среднего значения.

Параметры ветроэнергетических установок различной проектной мощности Класс ВЭУ Мощность, кВт Диаметр ветроколеса, м Период вращения, с Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью вращения благодаря своей геометрии при любом направлении ветра всегда находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет только за счет удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.

Принципиальными недостатками таких установок являются:

1) большая подверженность их усталостным разрушениям из-за чаще возникающих автоколебательных процессов;

2) сильнее выраженная пульсация крутящего момента, приводящая к пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, хотя исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются.

Наиболее распространенные типы вертикально-осевых установок следующие (рис. 3).

Чашечный ротор (анемометр). Ветроколесо этого типа вращается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра, поэтому чашечные роторы получили распропри скорости ветра 12 м/с. Параметры рассчитаны для коэффициента мощности 30%, плотности воздуха 1,2 кг/м3, быстроходности Z=6.

странение в метеорологии для измерения скорости ветра (анемометрии).

Ротор Савониуса. Это ветроколесо также вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, так что отличаются простотой и дешевизной. Вращающий момент, как и в случае чашечных роторов, создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выпуклой относительно него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это ветроколесо обладает большим крутящим моментом и используется для перекачки воды.

Ротор Эванса и подобные. Вращающий момент создается подъемной силой, которая достигает максимума, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Роторы такого типа используются в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно такие роторы, как правило, не могут, поэтому для их запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя. Лопасти ротора Эванса в аварийной ситуации (т.е. при слишком сильном ветре) и при управлении имеют возможность поворачиваться вокруг своей вертикальной оси.

Куда и сколько ставить будем?

Место размещения и количество ветроустановок во многом зависит, как уже упоминалось, от тех задач, которые предстоит с их помощью решать. В то же время существуют определенные нормы и правила размещения ветроустановок, а также определения необходимой и возможной установленной мощности.

Как правило, выделяют две основные задачи, которые под силу решить с помощью ВЭС: 1) увеличить производство энергии за год, чтобы, например, уменьшить потребление других видов энергоресурсов; 2) обеспечить производство определенного минимума энергии даже при слабом ветре, что важно в автономных системах электроснабжения, а также для поддержания работы некоторых систем жизнеобеспечения, например, системы водоснабжения.

Сразу же заметим, что возможно и одновременное решение обеих задач, все зависит от заказчика, его знаний о возможностях ветроэнергетики, его финансовых возможностей, организационных способностей и других не менее важных обстоятельств.

Однако некоторые общие рекомендации можно дать независимо от этих обстоятельств.

Во-первых, место должно быть открытым, доступным для обслуживания, с достаточными по скорости, частоте и повторяемости ветрами. Кроме того, расположение ветроэлектростанции во многом будет зависеть от удаленности от потребителей. Ведь, с одной стороны, ВЭС хороши именно для автономного электроснабжения;

а с другой, — при непродуманном расположении их экономическая эффективность может оказаться ниже, чем строительство, например, дополнительных линий электропередач.

Во-вторых, установка и размещение ВЭУ должны соответствовать действующим нормам и правилам (ГОСТам, СНиПам и т.п.).

Одно из важнейших требований1 — ВЭУ должны устанавливаться в стороне от традиционных путей перемещения перелетных птиц2.

В-третьих, нужно помнить, что при скорости ветра 20 м и выше большинство ветроустановок блокируются и останавливаются. Поэтому располагать ветроэлектростанцию в местах с частыми сильными ветрами3 нежелательно.

Но все-таки самое главное — те задачи, которые вы хотите решить, создав ветроэнергетическую станцию.

Если у вас есть другие источники энергии (централизованное энергоснабжение, дизельная электростанция, локальная энергосистема, например, с солнечными модулями или микроГЭС и т.п.), то, проведя несложные расчеты, нужно определиться будет ли ваш ветропарк работать на электроснабжение, на отопление, на водоснабжение или же ветроустановки будут помогать вам решать какие-то другие задачи.

И уже от этого будет зависеть сколько, каких ветродвигателей вам требуется и где нужно их установить, чтобы решить поставленную задачу.

ГОСТ Р 51991–2002 Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Общие технические требования. Дата введения 2003–07–01.

Кроме того, во избежание случаев гибели птиц, на эксплуатируемых ВЭУ должны быть установлены акустические маяки, отпугивающие птиц.

Согласно «Наставлениям по краткосрочным прогнозам погоды общего назначения» (СПб, 1996) применяется следующая качественная характеристика ветра: 0–5 м/сек — слабый, 5–14 м/сек — умеренный, 15– 24 м/сек — сильный, 25–32 м/сек — очень сильный, 33 и более — ураганный.

Более 50 лет назад в книжке «Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках» одним из советских инженеров — Н.В. Красовским — были предложены ветроэлектрические станции, работающие совместно с ГЭС, расположенной на одной реке и имеющей водохранилище, способное аккумулировать сток и, до некоторой степени, его регулировать. Проведенные им расчеты показывают, что подобные станции могут быть весьма эффективными.

К установкам с гидроаккумулированием можно отнести также ВЭС, работающие параллельно с ГЭС. В последнем случае наличие мобильного автоматического регулирования мощности гидроагрегатов ГЭС позволяет экономить воду при работе ветростанции, воспринимающей на себя часть нагрузки и разгружающей гидростанцию. С другой стороны, совместная работа ВЭС и ГЭС дает возможность повысить гарантированную мощность комплекса при неизменном стоке реки или же повысить обеспеченность графика потребления при неизменной выработке ГЭС. В условиях значительных перепадов высот на небольших реках сочетание ветроустановок и малых ГЭС является очень перспективным направлением для решения энергетических проблем горного региона.

К недостаткам ВЭС с гидроаккумулированием следует отнести необходимость значительных капиталовложений на сооружение водохранилища1, линий электропередач, систем диспетчеризации и т.п.

Большое значение имеют гидрогеологические и топографические условия района сооружения гидроаккумулирующих станций. С увеличением напора необходимая емкость аккумулирующих бассейнов и величина расхода воды соответственно уменьшается. Например, гористая местность с крутыми склонами, обеспечивающая Здесь нужно отметить, что гидро-ветрокомплексы целесообразно рассматривать только в том случае, когда на водотоке сооружается ГЭС с контррегулятором (каскад), так как только в это случае можно обеспечить естественный режим стока в русле реки ниже каскада.

получение больших напоров при коротких трубопроводах, является наиболее подходящей по экономическим условиям для сооружения гидроаккумулирующих установок. Однако при этом нельзя забывать, что необходимыми условиями является наличие хороших ветровых условий в районе и удобное расположение ветроустановок.

Конечно, такое сочетание гидроветроресурсов встречается нечасто и, как правило, именно в отдаленных горных районах.

Подобные гибридные установки имеют ряд преимуществ. Вопервых, сезонная динамика потребления электроэнергии совпадает с сезонными изменениями уровня воды и скоростей ветров. Вовторых, в зимние месяцы, особенно на смене дня и ночи, ветер набирает силу, по времени это совпадает с суточным максимумом потребления электроэнергии.

Проще говоря, идея гидро-ветро-энергогенерирующего комплекса заключается в том, что в летние месяцы при большой воде ГЭС работают на полную мощность, а ВЭС на минимуме. Зимой — наоборот. В пределах суток, в часы максимальной скорости ветра ВЭС несут полную мощность, а ГЭС, по диспетчерской программе, могут снижать мощность и, соответственно, расход воды через турбины. В этом режиме водохранилище ГЭС накапливается. При снижении скорости ветра нагрузку «подхватывают» высокомобильные ГЭС, расходуя накопленный запас воды. Мощность комплекса сохраняется.

Для Горного Алтая особо перспективным можно считать комплекс в составе каскада малых ГЭС на реке Чуя и системы ВЭС на участке долины реки Чуя между Чуйской и Курайской степями. По предварительной оценке этот комплекс способен вырабатывать до 500 млн.кВт•ч в год. Но этот проект, как и любой другой, требует дополнительного изучения и доработки.

Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) становится, судя по всему, глобальной тенденцией:

в последнее время рынок установок на НВИЭ испытывает бурный рост во всем мире. С широкомасштабным развитием НВИЭ также связывают грядущее наступление эры водородной энергетики, основанной на электролизе воды и не использующей топливные ресурсы планеты. Поэтому многие страны стимулируют использование НВИЭ, а ведущие мировые энергокомпании, стремясь диверсифицировать свой бизнес, вкладывают большие средства в развитие технологий НВИЭ.

В настоящее время в мире из НВИЭ наиболее высокими темпами развивается ветроэнергетика: установленная мощность ветроэлектростанций (ВЭС) к началу 2005 г. превысила 47,5 ГВт. Прирост мощностей (ВЭС) достигает 24–27% в год, что составляет почти 10 ГВт на более чем $10 млрд. Благодаря государственной поддержке стоимость ветроэнергии за последние 20 лет снизилась почти на порядок — до 3–6 цент/кВт•ч ($8,3–16,7/ГДж). К сожалению, Россия не проявляет активности в данной области, хотя наиболее перспективные для развития ветроэнергетики районы расположены именно в РФ — это прибрежные районы Крайнего Севера и Дальнего Востока и другие территории. Здесь, во-первых, очень дорогое топливо (до 15–20 тыс. руб./т дизельного топлива или $12–17/ГДж), завозимое раз в год и, во-вторых, высокий ветроэнергетический потенциал, сезонные изменения величины которого происходят практически синхронно с колебаниями энергопотребления, причем в этих районах ветер является практически единственным доступным С.В. Жарков, кандидат технических наук, Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, Иркутск.

http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id= НВИЭ для замещения топлива. Однако эти районы характеризуются также тем, что здесь:

— энергосистемы локальные (небольшие), что предъявляет высокие требования к стабильности мощности энергоисточников;

— потребности в тепле в несколько раз превосходят потребности в электроэнергии, что является основой для широкого применения ТЭЦ, которые наиболее эффективны именно при дорогом топливе;

— суровый климат, трудности с доставкой запчастей и отсутствие квалифицированного персонала вынуждают применять наиболее простые (и, следовательно, наиболее надежные) схемы и конструкции использования энергии ветра.

Таким образом, обычная схема прямого включения ВЭС в сеть здесь неприемлема, поскольку:

— выпадает наиболее топливоемкий сектор энергоснабжения — теплоснабжение;

— нужно будет сложно и дорого решать проблемы качества генерируемой ВЭС электроэнергии и резервирования мощности при том, что отработанной технологии ВЭС, в том числе поддержания необходимого качества производимой ими электроэнергии, в РФ нет. К тому же, параллельная работа ВЭС и ТЭЦ практически невозможна ввиду низкой маневренности последних.

В связи с этим представляется перспективным объединение ВЭС и ТЭЦ в едином комплексе. Предлагается, в отличие от зарубежного опыта, не включать ВЭС непосредственно в сеть электроэнергетических систем (ЭЭС), а использовать электроэнергию ВЭС для прямого замещения топлива в тепловых циклах газотурбинных (парогазовых) установок — ГТУ(ПГУ): посредством электронагревателя (ТЭНа), установленного в тракте ГТУ перед камерой сгорания топлива (КС), подогревать воздух, поступающий в КС. Соответственно снизится потребление топлива, изменением расхода которого поддерживается заданная температура газов на входе в турбину (рис. 1, 2).

Таким образом, посредством теплового цикла ГТУ(ПГУ) развязывается электрическая связь ВЭС с сетью, устраняется негативное влияние ВЭС на электроэнергетическую систему и, соответственно, исключаются проблемы обеспечения качества электроэнергии и оперативного резервирования мощности ВЭС в ЭЭС. Вместо ряда ветроэлектрических установок, включенных в энергосистему и снижающих ее устойчивость, появляется относительно крупная ТЭС, ее повышающая. За счет совместного использования теплофикации и энергии ветра схема ГТУ(ТЭЦ)+ВЭС может экономить до 40% топлива по сравнению с ветро-дизельной схемой раздельного энергоснабжения. Кроме того, появляется возможность снижения стоимости ВЭС за счет перехода на переменную частоту вращения ветроколес (без применения инверторов, т.е. без ненужного в данном случае удорожания) и максимального упрощения электрической схемы, системы управления и конструкции ВЭУ, так как в данном случае генераторы работают на активную нагрузку и требования к качеству электроэнергии (в том числе по величине напряжения) предельно низки. Поэтому экономическая эффективность использования энергии ветра по схеме ГТУ(ПГУ)+ВЭС для некоторых районов достижима уже в настоящее время и будет возрастать с расширением зоны эффективности по мере удорожания топлива, а также совершенствования технологии ВЭС и увеличения масштабов их использования. Представляется целесообразным уже на начальном этапе наладить производство простых по конструкции отечественных, учитывая возможные масштабы их применения как в стране, так и за рубежом, а также невысокую стоимость рабочей силы и материалов в РФ.

Объединение ВЭС, ГТУ(ПГУ)–ТЭЦ и котельных на базе локальных сетей нестабилизированной электроэнергии ВЭС дает возможность максимального вытеснения органического топлива в энергобалансах отдаленных районов за счет включения ветра в спектр используемых на ГТУ и котельных энергоресурсов. Ветер, как известно, второй после наружной температуры воздуха климатический параметр, определяющий объемы теплопотребления.

Применение ВЭУ позволит компенсировать повышенные теплопотери, обеспечив именно в ветреные периоды пиковое поступление энергии на нужды отопления. Поскольку для этих районов характерны высокие среднегодовые скорости ветра (до 7–9 м/с), то с учетом факта совпадения сезонных колебаний ветрового потенциала с изменениями энергопотребления такая схема может экономить более 50% годового расхода топлива на энергоснабжение.

Актуальность внедрения такой схемы возрастает в связи с принятыми Россией по Киотскому протоколу обязательствами по ограничению потребления топлива, а также существующей необходимостью замены в удаленных районах устаревших и изношенных диЧасть II зельных электростанций и части котельных современными небольшими ГТУ–ТЭЦ, которые могли бы сразу комплектоваться ВЭС.

ГТУ здесь более привлекательны для использования на ТЭЦ, чем дизельные двигатели, поскольку допускают большую свободу в выборе температурного графика тепловой сети. Причем из-за относительно слабого влияния КПД ГТУ на топливную экономичность комплекса ГТУ(ПГУ)+ВЭС может быть целесообразен переход на пониженную температуру газа на входе в турбину ради повышения ресурса и надежности работы ГТУ. В течение всего срока эксплуатации ГТУ(ПГУ)+ВЭС морально не устареют относительно непрерывно совершенствуемых чисто топливных ГТУ(ПГУ), так как здесь удельный расход топлива на производство электроэнергии всегда будет ниже: при необходимости для уменьшения расхода топлива можно установить дополнительную современную ВЭУ. Так, например, 50%-ное замещение топлива электроэнергией ВЭС энергетически даже выгоднее, чем двукратное увеличение КПД ГТУ, поскольку при одинаковом расходе топлива в данном случае выше тепловая мощность ГТУ(ПГУ)–ТЭЦ и электрическая мощность ПГУ–ТЭЦ.

Возможно применение технологии и на паротурбинных ТЭЦ:

как на паротурбинных установках (ПТУ) с водород-кислородными пароперегревателями (ВКПП) (рис. 3), так и с водородкислородными парогенераторами (рис. 4). Возможна также работа ПТУ без применения ВКПП. Последняя схема наиболее проста, поэтому привлекательна для использования на начальном этапе освоения технологии. Например, мощность ТЭНов ПТУ в ПГУ (рис. 2) составляет всего несколько процентов от мощности ТЭНа ГТУ, поэтому можно рассчитывать на практически 100%-ную обеспеченность ТЭНов ПТУ в течение года электроэнергией от крупной ВЭС, предназначенной для работы на ТЭЦ и котельные. При этом возможно повышение КПД и упрощение тепловой схемы паротурбинной части ПГУ.

Комплексы ГТУ(ПГУ, ПТУ)+ВЭС позволяют объединить достижения традиционной энергетики (газотурбинная и парогазовая технологии, высокотемпературные ПТУ, теплофикация) и нетрадиционной (ВЭС), а не противопоставлять их друг другу, как это обычно происходит. При этом снимаются технологические ограничения на развитие ветроэнергетики: установленная мощность ВЭС может превосходить суммарную установленную мощность электроЧасть I станций и котельных в системах энергоснабжения. Таким образом, развитие ветроэнергетики становится независимым от ЭЭС, владельцы ВЭС и операторы энергетических сетей не имеют точек соприкосновения, а коммерческая эффективность ВЭС не зависит от ограничений, тарифов и режимов ЭЭС, и, следовательно, не требуется никаких специальных законопроектов, регламентирующих взаимоотношения ВЭС и ЭЭС. Благодаря локальному влиянию ВЭС при использовании схем ГТУ(ПГУ)+ВЭС существует возможность четко оценить реальные энергетический и экономический выигрыши (или потери) от использования ВЭС, в то время как при прямом включении ВЭС в сеть, что чаще всего и практикуется, все проблемы применения ВЭС переносятся на энергосистему, при этом их влияние на экономичность ЭЭС в целом трудно оценить, и обычно оно никак не учитывается.

Внедрение предлагаемой технологии может способствовать расширению использования энергии ветра, повышению эффективности использования топлива и плавному переходу к более современным, экологически менее разрушительным видам энергетики.

Иллюстрации Часть II рис. Схема использования нестабилизированной электроэнергии ВЭС в цикле парогазовой установки:

1 — ветроэлектрическая установка;

2 — электронагреватель;

3 — паровой котел-утилизатор.

рис. Схема использования нестабилизированной электроэнергии ВЭС в цикле паротурбинной установки:

1 — ветроэлектрическая установка;

2 — электронагреватель;

3 — водород-кислородный пароперегреватель;

4 — паровой котел;

5 — паровая турбина;

6 — электролизер;

7 — подогреватель сетевой воды.

рис. Схема использования нестабилизированной электроэнергии ВЭС в цикле водород-кислородной паротурбинной установки:

1 — ветроэлектрическая установка;

2 — электронагреватель;

3 — водород-кислородный пароперегреватель;

4 — водород-кислородный парогенератор;

5 — подогреватель сетевой воды или генератор вторичного пара.

Ветер как энергетический ресурс Ветер является одним из наиболее распространенных и мощных источников энергии. По своей мощности, из доступных в настоящее время к рентабельному использованию источников, энергия ветра уступает только солнечной энергии. Дело лишь за созданием рентабельной конструкции достаточно крупных ветросиловых установок.

Ветросиловые ресурсы настолько огромны, что не могут быть полностью освоены даже и в перспективе. С количественной стороны может стоять вопрос лишь о возможной степени концентрации ветросиловых установок на том или ином ограниченном участке.

Для нахождения возможной концентрации ветровой мощности играют существенную роль следующие факторы: размер ветросилового агрегата, ветровые условия, площадь, занятая кустом ветроэлектростанций (ВЭС). Нужно при этом подчеркнуть, что имеются в виду лишь равнинные районы, поскольку для горных местностей вопрос является всецело индивидуальным и не поддается никаким даже ориентировочным исчислениям универсального характера.

Электрические станции №10–11’1939 стр. 24–30.

Сумма целого ряда конструктивных и эксплоатационных* факторов заставляет считать, на основании проведенных проектировок и анализа показателей, оптимальным размером ометаемой площади ветросиловых агрегатов величину, измеряемую тысячами квадратных метров, а возможно и выше 10 тыс. м2.

Эти цифры относятся к ометаемой площади ветросилового агрегата, а не одного ветроколеса, поскольку оптимальные ветросиловые агрегаты будут обладать не одним ветроколесом, а двумя или даже шестью–семью колесами.

Для подобных агрегатов экономичная высота центра тяжести ометаемой площади составляет около 100 м и выше. Установление этого размера необходимо для ориентировочного выявления соотношения между среднегодичной скоростью ветра на высоте центра тяжести ометаемой площади и скоростью ветра у земли, относимой обычно к высоте 15 м. Для высоты Н = 100 м это соотношение составляет около v100 = 1,45.

Установлено, что для получения около 3000 час. в году использования полной мощности (нормальное для ВЭС число часов) нужно иметь отношение установочной скорости ветра к среднегодичной на уровне ометаемой площади v0 = 1,55.

Таким образом результативное соотношение между установочной скоростью ветра ВЭС и среднегодичной скоростью вблизи земной поверхности составляет примерно v0 = 1,45 • 1,55 = 2,2.

Мощность ВЭС на шинах определяется приближенно формулой: Т = 18 Sv • 10-5кВт, где S ометаемая площадь в м2, a v0 — установочная скорость ветра в м/сек. Подставляя v0 = 2,2 v15, получаем: Т 20 Sv • 10-4 кВт на валу ветроколеса.

Исходя из условий допустимой степени аэродинамического затенения расстояние между отдельными ветродвигателями при большом их числе в данном районе определяется отношением ометаемой площади ветроколес крупных ветродвигателей к площади территории, на которой они расположены, примерно как 1 : 500.

При кусте из относительно небольшого числа ВЭС минимальное В статье сохранены принятые на момент ее первой публикации сокращения и написание отдельных слов.

расстояние между ветродвигателями выбирается не менее 12 диаметров ометаемой площади.

Для наглядного представления о возможной концентрации мощностей приводим таблицу для v15 = 5 м/сек (средние ветровые условия побережий Черного и Каспийского морей) при диаметре площади, занятой кустом ВЭС, от 1 до 10 км и при агрегатах с ометаемой площадью по 2000 м2:

В условиях Апшеронского полуострова и европейского побережья Ледовитого океана, где v15 = 8,5 м/сек, возможные мощности будут соответственно выше в 5 раз.

Для всего Советского Союза получается цифра порядка 10 млрд. кВт.

По территории СССР ветроэнергетические ресурсы распределены весьма неравномерно. Центральная часть территории имеет умеренную, среднюю и пониженную ветреность v15 = 4–4,5 м/сек в европейской части и до v15 = 3–3,5 м/сек в центральных районах азиатской части СССР севернее Сибирской ж.-д. магистрали. На юг, в степных районах, на побережьях Черного и Каспийского морей и в степях Западной Сибири и Казахстана v15 повышается до 5 м/сек и выше. В этом районе следует особо отметить Апшеронский полуостров, имеющий v15 = 8,5 м/сек и могущий разместить на себе станции с мощностью в миллионы киловатт. На востоке и на севере, на берегах и островах Великого и Северного Ледовитого океана, в северных тундровых районах скорости ветра также повышаются, причем на северных побережьях европейской части СССР имеются значительные территории со среднегодичными скоростями выше 8 м/сек.

На возвышенностях скорости заметно выше, однако данных по ним, к сожалению, почти нет. Имеются данные лишь по небольшому числу точек и горных районов, из которых следует отметить:

Крымское возвышенное плато со среднегодичными скоростями 6– 7 м/сек, Мархотский перевал у Новороссийска с v15 = 9,3 м/сек и ущелье р. Баксан с v15 10 м/сек.

В отношении распределения скоростей ветра по времени года характерным является следующее:

1. Как правило, зимние скорости ветра заметно выше летних.

2. В теплое время года дневные скорости больше ночных; ночью наблюдается сплошь и рядом полное затишье. На высоте 60 м разница между дневными и ночными скоростями исчезает, а выше — зависимость делается обратной, но менее ярко выраженной.

3. Большая неравномерность ветрового потока, характерная для всех районов и высот, не обеспечивает постоянства энергетического ветра. Высота установки дает некоторое преимущество в отношении постоянства ветрового потока.

Непостоянство энергетического ветра представляет одно из основных и наиболее трудно преодолеваемых препятствий к широкому включению ветросиловых установок в энергетический баланс народного хозяйства.

Препятствие это однако, как будет показано ниже, отнюдь не является абсолютным и может быть успешно преодолено методами выравнивания, аккумулирования и комплексного использования энергии ВЭС.

Основные вопросы проектирования ветросиловых агрегатов Ветросиловой агрегат промышленного масштаба (учитывая и выполненные экземпляры и, преимущественно, проектные данные) имеет следующие основные элементы:

1. Ветроколеса — быстроходные узколопастные с 4–3–2 лопастями. Число ветроколес в одном агрегате может быть: одно (ПВЭИ), два, расположенные по вертикали на одном стволе (инж.

Кондратюк и Горчаков — КрВЭС), или несколько, располагаемых в одной плоскости, но не на одной вертикали (Уфимцев, Ветчинкин, Гоннеф).

2. Коренной вал, на котором укреплено ветроколесо, и его подшипники (в некоторых конструкциях ветроколесо непосредственно сидит на подшипниках и вала нет — Гоннеф, Балаклава).

3. Повысительные механические или гидравлические редуктора (конструкция Гоннефа их не имеет, — генератор непосредственно на ветроколесе, Уфимцев и проф. Ветчинкин также предлагали подобные схемы).

4. Система регулирования с механизмами поворота лопастей или всего ветроколеса.

5. Башня-конструкция, несущая все указанное выше и дающая ветроколесам нужную высоту установки над земной поверхностью.

Создание ветросилового агрегата (ВСА), являющегося основным элементом ветроэлектрической станции, представляет собою одну из сложнейших задач современной техники, ибо необходимо учитывать:

а) малую интенсивность энергии ветра;

б) неравномерность ветрового потока как в пространстве, так и во времени.

Малая интенсивность ветрового потока заставляет для получения достаточно мощных установок осваивать агрегаты с ометаемыми площадями как минимум 500 м2.

Ветросиловой агрегат по проекту Ай-Петринской ВЭС имеет ометаемую площадь 10 тыс. м2, с высотою центра тяжести ее около 100 м от земли, а в проектах инж. Гоннефа, ометаемая площадь агрегата доходила до 100 тыс. м2 (6 ветроколес диаметром по 160 м каждое) с высотою центра тяжести около 450 м.

Использование ометаемой площади, измеряемой тысячами квадратных метров, представляет серьезную конструктивную задачу. При этом нужно иметь в виду, что собственный вес конструкции необходимо снижать в пределах возможного, так как вес лопастей и всего ветроколеса в целом представляет собою основную нагрузку и для конструкции самих ветроколес (центробежные силы, изгибающие моменты от веса), и для механизмов управления лопастями (центробежные силы, центробежные моменты, инерционные моменты), и для коренного вала и подшипников (изгибающий момент от консольного веса ветроколеса, гироскопический момент), т. е.

для значительной части наиболее дорогих элементов ВЭС.

Основные законы изменения теоретического веса элементов конструкций ветроколес* в зависимости от их размеров выражаются следующим образом.

Удельный вес ветроколеса (на 1 кВт или на 1 м2 ометаемой площади) при одном и том же установочном ветре и одной и той же схеме растет прямо пропорционально диаметру ветроколеса (ввиду Под теоретическим весом имеется в виду та часть веса конструкции, которая вызывается непосредственно величиной действующих на конструкцию аэродинамических и центробежных сил, без учета таких конструктивных условий, как упругая устойчивость элементов, предельная тонкость из условий коррозии, предельная ажурность по соображениям производственным и стоимости и т.п., а также собственный вес.

того, что вес растет с кубом диаметра, а мощность — только с квадратом — по ометаемой площади).

Отсюда вытекает, что чем большее число мелких ветроколес охватывает данную ометаемую площадь, тем меньше их суммарный вес.

К этому надо прибавить, что этот же квадратно-кубический закон в равной степени относится и к коренному валу с подшипниками, и к редукторам ветродвигателя ввиду того, что при равном установочном ветре обороты ветроколеса падают пропорционально увеличению его диаметра, а вращающий момент растет соответственно с кубом диаметра ветроколеса.

Однако ряд техно-экономических факторов приводит к тому, что оптимальный диаметр ветроколес приходится определить достаточно крупным размером — не менее 30–40 м, но возможно, что и значительно выше, т.е. размером, дающим вес на единицу ометаемой площади значительно больший, чем минимально возможный при более мелких ветроколесах.

Главными из этих факторов являются:

1. Общая конструктивная эксплоатационная выгодность более крупных агрегатов.

2. Возрастание мощности ветра с высотою, для равнинных мест примерно определяемое зависимостью Т = Н С.

3. Уменьшение неравномерности ветра с высотою.

Последние два фактора требуют высокой мачты, а высокая мачта может себя экономически оправдать лишь при установке на ней достаточной мощности и косвенно требует укрупнения ветроколес.

В связи с проблемами охвата больших ометаемых площадей и большим весом крупных ветроколес в вопросе построения схемы промышленного агрегата имеется два противоположных течения.

Все конструкции ЦВЭИ и его конструктивных преемников — ВИМЭ и ВИСХОМ имеют по одному ветроколесу в агрегате.

Ими созданы агрегаты — Д–12 — 15 кВт и Д–30 — 100 кВт и проекты более мощных агрегатов, как Д–50 — 1000 кВт.

На рис. 1 дан характерный для этого конструктивного типа общий вид ВЭС Д–50 — 1000 кВт по проекту, сделанному применительно к условиям Кольского полуострова.

Закон увеличения удельного веса ветроколес вместе с их диаметром и веса редукторов, составляющего ориентировочно от 0,4 до 0,9 от веса ветроколес, а также и технологические трудности с изгоПриложение товлением того и другого при большом диаметре ветроколеса, привели другую конструкторскую группу — изобретателя А.Г. Уфимцева и проф. В.П. Ветчинкина — к мысли ориентироваться на создание ветросилового агрегата из многих менее крупных ветродвигателей, устанавливаемых на одной общей мачте-раме, которая дает ветродвигателям должную высоту установки и совместный поворот на ветер.

На рис. 2 дан характерный общий вид «рамного» ветросилового агрегата — 70 кВт.

Авторы настоящей статьи, руководя проектированием АйПетринской ВЭС 10 тыс. кВт, начали с ветросилового агрегата 1–Д– 100 (в эскизном проекте 1932 г.), но затем перешли к конструкции, занимающей промежуточное место между указанными выше крайними течениями: ветросиловой агрегат Ай-Петринской ВЭС 10 тыс. кВт принципиально уже не является одноколесным агрегатом, но число ветродвигателей — 2 — еще невелико, и башня еще сохранила простую форму одного стержня.

На рис. 3 дается общий вид этой ВЭС по проекту 1936 г.

В результате целого ряда проведенных проектировок и анализа показателей ветросилового агрегата и их компонентов можно сделать следующие выводы:

Оптимальный промышленный ветросиловой агрегат будет обладать не менее чем двумя ветроколесами.

Применение металлических башен позволяет увеличивать число ветродвигателей в одном агрегате, а железобетонная башня принуждает не идти далее двух ветродвигателей — подобно АйПетринскому агрегату.

Промышленный ветросиловой агрегат будет иметь ветроколесо с диаметром не ниже 30–40 м.

Ветроколеса ветродвигателей промышленного масштаба имеют от 20 до 60 об/мин, причем последняя цифра относится лишь к менее крупным мощностям. Ветроколеса Ай-Петринской ВЭС должны делать всего по 20 об/мин. Это обстоятельство выдвигает особое требование к редуктору. Значение редуктора в ветротехнике видно на примерах Ай-Петринской ВЭС, где ветродвигатель в 5000 кВт имеет на валу вращающий момент 330 т•м, Балаклавской ВЭС мощностью всего 100 кВт, имеющей вращающий момент около 6 т•м, т.е. такой же вращающий момент, как у 3000-оборотного турбогенератора мощностью 15 тыс. кВт.

Радикальное решение вопроса заключается в создании гидравлической передачи.

В проекте Ай-Петринской ВЭС задача гидравлической передачи была успешно разрешена в виде присоединяемого к ветроколесу на 20 об/мин лопаточного ротативного насоса системы т. Чечулина, нагнетающего масло под давлением до 37 ат. в гидротурбину, непосредственно присоединенную к генератору на 600 об/мин.

Вес основного элемента этой передачи — насоса — оказался равным 90 т, вместо предусмотренного раньше в проекте зубчатого редуктора весом около 220 т.

При этом примененные в насосе материалы и требования к точности обработки оказались много проще, чем для зубчатого редуктора.

Неравномерность ветрового потока ставит перед ветротехникой троякого рода задачи: прочностные, регулировочные и энергетические.

Обычный ветровой поток в теплое время года показан на графике экспериментальной записи давления ветра на горизонтальную пластинку размером 120,35 м (рис. 4). Нужно, однако, иметь в виду, что изменчивость давления и резкость переходов для лопасти ветроколеса оказываются еще значительно большими, чем для неподвижной пластинки, так как лопасть перемещается в потоке в поперечном направлении со скоростями в несколько десятков метров в секунду.

Ввиду неравномерности ветрового потока аэродинамическую нагрузку на лопасти приходится учитывать как динамически прикладываемую.

В части регулирования неравномерность ветрового потока ставит перед ветротехникой задачи, которые совершенно отсутствуют в области гидравлических и паровых турбин.

В то время как с регулированием гидравлических и тепловых двигателей вполне справляется центробежное — скоростное регулирование, для ветродвигателей оно совершенно недостаточно.

Ветродвигатель, имеющий жесткую связь генератора с ветроколесом и работающий в какой-либо системе с нормальным синхронным генератором, не может самостоятельно изменить своих оборотов при изменении скорости ветра и нуждается поэтому в дополнительном регулировании от фактора мощности, который может быть взят или непосредственно от замера скорости ветра, или от вращающего момента на валу, или от электрической нагрузки.

При превышении мощности регулирование ветродвигателя точно так же должно «выводить лопасти из-под ветра», как и при «переоборотах».

Другой способ решения этой задачи заключается в обеспечении ветроколесу асинхронного скольжения вперед, — переоборотов при избытке мощности, чтобы оно имело возможность индивидуально регулироваться своим центробежным регулятором.

Скольжение в свою очередь может быть достигнуто по разным путям — в электрической части (асинхронный генератор, преобразователи, специальные машины переменного тока, постоянный ток с последующим преобразованием) или в механической части — специальной гидравлической муфтой или же созданием мягкого гидравлического редуктора. По имеющимся на сегодняшний день решениям создание скольжения в электрической части следует признать дорогим, весьма невыгодным по к. п. д. и эксплоатационно излишне сложным, а вполне приемлемым оказались гидравлические решения в виде муфт, ограничивающих вращающий момент, и в виде нежесткой гидравлической редукции.

Крымская ветроэлектростанция Ай-Петринская ветроэлектростанция имеет по проекту два ветродвигателя на одной башне. Каждый ветродвигатель имеет ветроколесо диам. 80 м с тремя лопастями. При каждом ветроколесе имеется гидравлический редуктор, повышающий обороты с 20 до 60 об/мин, генератор трехфазного тока 5000 кВт, 6000 В и комплекс механизмов управления и регулирования.