3. Ветроэнергетика

3.1. Общие положения

Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы, вызванное перепадом температуры в атмосфере из-за неравномерного нагрева ее Солнцем. Таким образом, используемая энергия ветра является преобразованной в механическую энергией Солнца.

Устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую виды энергии, называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ) или ветроустановками.

Таблица 8

Сила ветра по шкале Бофорта и ее влияние на ветроустановки и условия их работы

Баллы Бофорта	Скорость ветра, м/с	Характеристика силы ветра	Наблюдаемые эффекты действия	Воздействие ветра на ВЭУ	Условия для работы ВЭУ
1	0,4-1,8	Тихий	Дым из труб слегка отклоняется. На воде появляется рябь	Нет	Отсутствуют
2	1,8-3,6	Легкий	Ветер ощущается лицом, шелестят листья, на воде отчетливое волнение	Нет	Отсутствуют
3	3,6-5,8	Слабый	Колеблются листья на деревьях, развеваются легкие флаги. На отдельных волнах появляются барашки	Начинают вращаться лопасти тихоходных ВЭУ.	Плохие для всех установок
4	5,8-8,5	Умеренный	Колеблются тонкие ветки деревьев, поднимается пыль и клочки бумаги, на воде много барашков	Начинают вращаться колеса всех ВЭУ	Хорошие
5	8,5-11	Свежий	Начинают раскачиваться лиственные деревья, все волны в барашках	Мощность ВЭУ достигает 30% проектной	Очень хорошие
6	11-14	Сильный	Раскачиваются большие ветки деревьев, гудят телефонные провода, пенятся гребни волн	Мощность в расчетном диапазоне близка к максималь-ной	Приемлемы для прочных малогабаритных установок
7	14-17	Крепкий	Все деревья раскачиваются, с гребней волн срывается пена	Максимальная мощность	Предельно допустимые
8	17-21	Очень крепкий	Ломаются ветки деревьев, трудно идти против ветра, с волн срываются клочья пены	ВЭУ начинают отключаться	Недопустимые

При скорости ветра 21–34 м/с – шторм, более 34 м/с – ураган.

Энергия ветра в механических установках, например, на мельницах и в водяных насосах используется уже несколько столетий. После резкого скачка цен на нефть в 1973 году интерес к таким установкам резко возрос. Большая часть существующих ветроустановок построена в конце 70-х - начале 80-х годов ХХ века на современном техническом уровне при широком использовании последних достижений аэродинамики, механики, микроэлектроники для контроля и управления ими. Ветроустановки мощностью от нескольких киловатт до мегаватт производятся в Европе, США и других частях мира. Большая часть этих установок используется для производства электроэнергии как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.

Одно из основных условий при проектировании ветроустановок – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра. В каждой местности в среднем раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5–10 раз превышающей среднюю, поэтому ветроустановки приходится проектировать с большим запасом прочности. Максимальная проектная мощность ветроустановки определяется для некоторой стандартной скорости ветра, обычно принимаемой равной 12 м/с.

Скорость ветра увеличивается с высотой над поверхностью Земли. Ветроколесо должно устанавливаться достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегающий на него ветровой поток был сильным, однородным и с минимальными изменениями скорости и направления.

Наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затененная возвышенность. Желательно, чтобы ветроустановка в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или водной поверхностью. Как правило, головки ветроустановок находятся на высоте от 5 до 50 метров. Для определения скорости U_Z на этих высотах часто используют аппроксимационную формулу, в которую входит значение стандартной скорости ветра для данной местности U₁₀, измеренное на высоте 10 м, а именно:

U_Z = U₁₀ (z/10)^b.

(Высота z в этой формуле измеряется в метрах).

Для открытых мест параметр b=1/7=0,14. Чем меньше значение этого параметра, тем меньше будут различаться нагрузки, испытываемые лопастью ветроколеса в нижнем и верхнем положении. Очевидно, что значения параметра b различны в разное время года и даже в течение одного дня, поэтому приведенной выше формулой надо пользоваться очень осмотрительно, особенно для высот более 50 м.

В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии ветроустановками составляет 25–35 % его максимального проектного значения. Срок службы ветроустановок обычно не менее 15–20 лет, а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 долларов США за 1 кВт проектной мощности. Официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в энергетике в целом, например в Великобритании и Западной Германии, не предполагающие каких-либо серьезных изменений в сложившейся инфраструктуре энергопотребления, дают не менее 20 %. Автономные ветроустановки весьма перспективны для вытеснения дизельных электростанций и отопительных установок, работающих на нефтепродуктах, особенно в отдаленных районах и на островах.

Ветроустановки могут быть предназначены для непосредственного выполнения механической работы (например, привода водяного насоса) или для производства электроэнергии. В последнем случае они приводят в действие электрогенератор и в совокупности с ним называются ветроэлектрогенераторами.

Таблица 9

Параметры ветроэнергетических установок различной проектной мощности при скорости ветра 12 м/с

Класс ВЭУ	Расчетная (проектная) мощность, кВт	Диаметр ветроколеса, м	Период вращения, с
Малые	10 25	6,4 10	0,3 0,4
Средние	50 100 150	14 20 25	0,6 0,9 1,1
Большие	250 500 1000	32 49 64	1,4 2,1 3,1
Очень большие	2000 3000 4000	90 110 130	3,9 4,8 5,7