Лекція 3. Вітрова енергія

1. Ресурси вітрової енергії

2 Конструкція і робота ВЕУ

3 Класифікація ВЕУ

4 Порівняльна характеристика роботи ВЕУ

5 Теорія роботи вітродвигуна

1. Ресурси вітрової енергії

Вітри - це перебіг атмосферного повітря, що породжується нерівномірним нагрівом поверхні Землі сонячним випромінюванням. Вітрова енергія використовувалася людиною з незапам'ятних часів в парусному флоті і вітряних млинах. У Голландії вітряки більше 500 років відкачують воду з польдеров - обвалованных ділянок суші, лежачих нижче за рівень моря. Багатолопатеві вітряки в США широко застосовувалися для відкачування води з колодязів; у 30-і роки XX століття їх налічувалося більше 6 млн.

З історії розвитку техніки добре відомо, що використання енергії вітру має старі, традиції. Ще задовго до відкриття електрики в середині XIX в. вітер служив джерелом енергії для судів і млинів. У XX в., коли електроенергія стала фати домінуючу роль в енергобалансі, центр тягаря був перенесений на такі енергетичні ресурси, як нафта і вугілля. Енергія вітру, в суті «безкоштовна», мінлива і не концентрована, що привело згодом до того, що застосування її стало обходитися все дорожче. До останнього часу вітроагрегати застосовувалися у віддалених важкодоступних районах. Підвищення цін на нафтовому ринку спричинило поновлення інтересу промислово розвинених країн до розробки як великих вітроелектричних станцій (ВЕС), так і вітроенергетичних установок (ВЕУ) для місцевого енергопостачання (рис.3.3).

У 1890 р. вперше в Данії ветроэнергетические установки (ВЕУ) використані для вироблення електроенергії. У 20...30-е роки для енергопостачання віддалених від енергомереж споживачів в СРСР набули поширення ВЕУ, розроблені Центральним аерогідродинамічним інститутом (ЦАГИ). Вони використовувалися для зарядки акумуляторних батарей, які потім застосовувалися для освітлення і живлення радіоапаратури.

У наш час в Західній Європі відбувається бум в розвитку вітроенергетики. У Данії виробітку електроенергії на ВЕС досягає 12% від загального вироблення, в Голландії, північних землях Німеччини 10%. За два останні десятиліття тут змінилися 7 поколінь ВЕУ, одинична потужність ветроагрегатов досягла 4,5 МВт, діаметр ветроколеса найпотужнішої ВЕС складає 112 м. У 2002 р. зростання інвестицій у вітроенергетику склало 37%, обганяючи останні види енергетичних установок. У США тисячі ВЕУ з сумарною потужністю порядка 1 ГВт встановлені в Каліфорнії на схід від Сан-Франциско. Собівартість енергії, що виробляється на ВЕУ, впритул наблизилася до собівартості на традиційних електростанціях. Вітрова енергетика отримує державну підтримку у вигляді пільгових кредитів, податків, тарифів. У розробку ВЕУ включаються високотехнологічні наукоємкі транснаціональні корпорації - Дженерал Електрик, Боїнг, Вестінгауз. За останніх 15 років в світі побудовано понад 100 тис. ветроустановок. Сумарна потужність ВЕС світу в 2001 році склала 24,8 ГВт, з них 70% доводиться на Європу. Широкого поширення набувають кооперативи дрібних власників (фермерів), які з використанням державних кредитів будують ВЕС і поставляють електроенергію в енергосистему.

Виробництво електроенергії на ВЕУ безпосередньо залежить від сили вітру. Вони ефективно працюють при швидкостях вітру від 5 до 25 м/с (від 3 до 9 балів за шкалою Бофорта). У штильову погоду і при слабких вітрах, при сильних штормах недовиробіток енергії повинен компенсуватися резервними потужностями традиційних електростанцій. На основі багатолітніх метеоспостережень під будівництво ВЕУ вибирають регіони із стійкими і досить сильними вітрами. Сила вітру зростає з висотою, тому ВЕУ розміщують на високих баштах. Німецька ВЕУ «Грові-ан-1» потужністю 3 МВт, побудована на березі Північного моря, має діаметр ротора 100 м, висота башти 100 м.

Європейські ВЕС розташовані в основному на побережжі Балтійського, Північного Морея і Атлантичного океану. Популярні морські (прибережні) ВЕУ - при установці віддалік від берега знімаються проблеми відчуження земель під будівництво, знижуються шумові навантаження. У протоці Ерезунд між Данією і Швецією споруджуються 20 установок з одиничною потужністю по 2 МВт. Собівартість вироблюваною на європейських ВЕС електроенергії за 20 років знизилася з 38 центів до 5...6 центів за кіловат (середня собівартість на ТЕС і АЕС США на початку XXI століття - близько 4,5 центів).

У Північно-західному регіоні Російської Федерації зони стійких і досить сильних вітрів розташовуються на побережжі Балтійського, Баренцева і Білого Морея. Перша сучасна ВЕУ потужністю 225 кВт, дарована урядом Данії, встановлена під Калінінградом. Підписана угода про будівництво в області Калінінграда ВЕС морського базування сумарною потужністю 50 МВт, проектна вартість станції $50 млн. Вітряки встановлюватимуться в 500 метрах від берега. Побудовані одиничні ВЕУ в інших суб'єктах федерації Північно-західного регіону. Розробляється проект спорудження ВЕС на Кольському півострові. У бідному енергоресурсами Далекосхідному регіоні, де енергопостачання доки майже цілком залежить від прибуття танкерів з дорогим мазутом, доцільне спорудження ВЕС біля берегів Японського, Охотського, Берінг Морея. Вітрові установки можуть використовуватися для механізації підйому води в отгонном тваринництві на посушливих землях, для опріснення солоних вод, для меліорації земель. Енергія ВЕС може запасатися виробництвом водню шляхом електролізу води.

Наводяться заперечення проти розвитку вітроенергетики. Вважають, що вітряки і лінії електропередачі псують пейзаж. На відстані до кілометра чутний шум, можливі інфразвукові коливання, можливі перешкоди телебаченню. Тому в Західній Європі все частіше будують ВЕС на мілководді, на деякій відстані від берега моря. Від лопатей ветродвигателей можуть страждати птиці. Замовникам ВЕУ судити, наскільки серйозні ці побоювання.