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

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

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

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

Историческая справка

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

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

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

Основные принципы преобразования энергии ветра

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

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

N = 1/2η·ζ·ρ·v³·S[Вт].

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

{mospagebreak} 

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

Таблица 1

Таблица 2

Зарубежная практика эксплуатации ВЭУ позволяет сделать следующие выводы;

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

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

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

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

Ветроэнергетика Беларуси: прогнозы и реальность

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

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

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

Таблица 3

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

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

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

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

Для успешного использования энергии ветра в Беларуси необходимо:

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

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

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

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

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

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

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