1. Физические основы ветроэнергетики. Характеристики ветра

Первопричиной образования ветра, так же как и многих других динамических явлений, происходящих на поверхности Земли и в ее атмосфере, является энергия Солнца. Прямое поглощение солнечной энергии атмосферой весьма незначительно, поскольку активно поглощают ее только водяной пар, озон, углекислый газ и пыль. Что касается основных компонентов воздушной оболочки азота и кислорода, то эти газы для солнечных лучей прозрачны. Поэтому основная часть солнечной энергии передается атмосферному воздуху от нагретой поверхности Земли в виде инфракрасного излучения, молекулярной диффузии, конвективного теплообмена и прочих физических явлений.

Воздух, нагреваясь возле поверхности Земли, поднимается вверх, так как его удельный вес при нагревании становится меньше. Это вертикальное движение воздуха является первичным и основным в ряду последовательных процессов, вызывающих появление ветра. Последовательность процессов движения воздуха от нагрева к охлаждению и снова к нагреву, и т. д. по мере его движения относительно вращающейся вокруг оси поверхности Земли во времени и пространстве, приводит к возникновению атмосферной циркуляции (рис. 1).

Рис. 1. Атмосферная циркуляция воздуха от экватора к северному полюсу

Под влиянием циркуляций перемещение воздушных масс совершается как во времени, так и в пространстве:

• микромасштабные (продолжительность до 1 ч, перемещение на расстояние не более 20 км),
• синоптические (продолжительность более двух суток, перемещение на расстояние более 500 км),
• мезомасштабные (на расстояния, промежуточные между указанными выше).

Влияние форм и размеров океанов и материков искажает общую стабильную картину циркуляций вдоль побережий. С удалением от побережий циркуляция стабилизируется, но, тем не менее, влияние местных особенностей на скорость ветра иногда значительно (рис. 3).

Рис. 3. Влияние на скорость ветра рельефа и шероховатости поверхности земли

В ветроэнергетических расчетах исходные характеристики общего уровня интенсивности ветра определяются по метеорологическим данным за длительный период времени, сопоставимый с предписанным сроком эксплуатации ветроэнергетической установки 20–25 лет.

Средняя скорость ветра определяется как средняя арифметическая величина, полученная из ряда замеров скорости ветра, выполненных через равные интервалы времени в течение заданного периода.

Фоновая скорость ветра – это приведенная расчетным путем к условиям открытой (без влияния крупных водных массивов) ровной местности в приземном слое на высоте 10 м от поверхности земли средняя годовая (сезонная или месячная) скорость ветра за 20–25-летний период, оцененная многолетними исследованиям государственных метеорологических станций и постов (рис. 5).

Рис. 4. Фоновая скорость ветра (высота 10 м)

Для оценки эффективности использования ВЭУ необходимо знать среднегодовую скорость ветра на высоте опоры. Приблизительно эту скорость можно рассчитать с помощью следующей эмпирической формулы:

где U_х, U_ф – скорости ветра на высотах h₁₀ = 10 м и h_х = х м; m – показатель степенной функции.

Скорость ветра на высоте 10 м (см. рис. 4), как уже упоминалось, измеряется метеорологическими станциями. Значения m во многих работах принимается m = 0,143. В нормативных документах рекомендуют m = 0,2.

Один из примеров расчета скорости ветра на высоте 60 м показан на рис. 5. Однако для принятия решений о финансировании строительства ветроустановок расчетных значений скорости ветра недостаточно. Необходимо проводить практические измерения на высоте размещения ветротурбины (80–120 м) в течение года. Для этих целей строятся мачтовые конструкции и используется специальное оборудование с дистанционной передачей данных о скорости и других параметрах в онлайн режиме.

Для энергетического использования ветрового потока необходимо знать удельную кинетическую энергию, т. е. энергию воздушной массы плотностью r (кг/м³), имеющую скорость v (м/с).

Плотность воздуха ρ при нормальных условиях равна 1,225 кг/м³. Ветровой поток, имеющий скорость 4 м/с и проходящий через поперечное сечение площадью 1 м² обладает энергией 20 Вт.

Основным показателем эффективности ветроустановок является коэффициент использования энергии ветрового потока ξ (коэффициент использования мощности ветрового потока), т. е. отношение величины механической энергии, развиваемой ветродвигателем, к полной энергии ветра, проходящей через ометаемую ветродвигателем площадь (идеальная величина ξ = 0,593). Под ометаемой площадью понимается площадь круга, создаваемого ветроколесом при вращении.

Рис. 5. Фоновая скорость ветра (м/с) (высота 60 м, расчетные значения)

Эффективность использования энергии ветра зависит от количества дней в году, в течение которых скорость ветра достаточна для работы ветроустановок. Оценивается с помощью коэффициента использования мощности (the capacity factor) – отношение фактически выработанной энергии к теоретически возможной.

Типовое значение коэффициента – 15–40 % (максимальное значение достигается для площадок с высокими ветровыми нагрузками). Среднее значение коэффициента для ветроэнергетики Германии в 2012 г. составило 17,5 %, в Европе – 20–25 %, ВЭУ 1,5 МВт в Грабниках (Новогрудский р-н) – 32 %.

Пример: турбина, мощностью 1 МВт с коэффициентом использования мощности 35 % не произведет 8760 МВтчас в год (1 × 24 × 365 = 8760), а только 1 × 0,35 × 24 × 365 = 3066 МВт·час, т. е. ее фактическая мощность будет 0,35 МВт.

2. Классификация ветроэнергетических установок (ВЭУ)

Конструктивные особенности и характеристики ВЭУ с горизонтальной осью вращения

Ветроэнергетические установки укрупненно можно классифицировать по мощности (рис. 6), месту расположения (на суше – оншорные) и в шельфовых зонах водных бассейнов (оффшорные) (рис. 7), а также по конструкции (ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью вращения ветроколеса (см. рис. 8, рис. 9).

Рис. 6. Классификация ВЭУ по мощности

Рис. 7. Расположение ВЭУ на суше и в шельфовых зонах водных бассейнов (оффшорные ВЭУ)

Рис. 8. Общий вид ВЭУ с вертикальной осью вращения

Конструктивные особенности ВЭУ с горизонтальной осью вращения. Как видно из рис. 9, 10 конструкция ВЭУ включает механическую, аэромеханическую и электрическую (электронную) части. Это разделение достаточно условное, так как, например, следящая система включает и механическую, и электронную составляющие.

Рис. 9. Типовые конструктивные элементы ВЭУ с горизонтальной осью вращения

Рис. 10. Элементы конструкции, расположенные в гандоле: 1 – втулка ветроколеса; 2 – обтекатель; 3 – генератор; 4 – мультипликатор; 5 – следящая система; 6 – дисковый тормоз; 7 – основной вал; 8 – подшипник азимута; 9 – рама гондолы

Гандола с ветроколесом называют ветрогенератором. Ветрогенератор размещается (монтируется) в верхней части башни (рис. 11). башни современных ВЭУ имеют телескопическую форму и собираются на фундаменте установки из ряда секций с помощью мощных резьбовых соединений.

Рис. 11. Монтаж башни современной ВЭУ

Ротор ветрогенератора (рис. 12) состоит из ветроколеса и первичного вала, с которого энергия ветра передается на рабочие механизмы ВЭУ.

Рис. 12. Конструкция ротора ветрогенератора

Ветроколесо представляет собой втулку, с прикрепленными к ней лопастями (рис. 13).

Рис. 13. Конструкция ветроколеса ВЭУ

Мультипликатор (редуктор) (рис. 14) повышает обороты первичного вала до рабочего значения оборотов генератора (с 15–20 до 1800 об/мин).

Рис. 14. Общий вид мультипликатора ВЭУ

Редуктор является сложным механическим устройством, которое содержит множество деталей (шестерни, оси, червячные механизмы и т. п.). Поэтому редуктор является одним из наименее надежных устройств ВЭУ. При выходе его из строя замена или ремонт учитывая высоту современных ВЭУ (80–120 м) является дорогостоящей операцией. Решение этой проблемы найдено фирмой Enercon, которая разработала безредукторную конструкцию ВЭУ. Как видно из рис. 15 ось (ступица) ветроколеса ВЭУ соединяется непосредственно с осью генератора. Отсутствие необходимости повышать обороты на валу генератора достигнуто за счет применения многосекционной конструкции статора и ротора генератора.

Такие ВЭУ являются более надежными и долговечными, что выражается в более высокой их стоимости (на 10–20 %).

Более простую конструкцию имеют маломощные ВЭУ (30–5000 Вт) (рис. 16). Они применяются как зарядные устройства для аккумуляторных систем и создания локальных электрических сетей в местах, где нет доступа к общей энергосистеме и др. (рис. 17).

Рис. 15. Конструкция безредукторного генератора и общий вид ВЭУ фирмы Enercon: hub – ступица; yaw system – отклоняющая система; canopy – крышка; bed plate – опорная плита; tower – башня; pitch controller – контроллер шага лопастей; yaw drive – привод отклонения; nacelle – гандола

Рис. 16. Общий вид маломощных ВЭУ

Рис. 17. Применение ВЭУ малой мощности

Широкое распространение получило направление строительства оффшорных ветропарков и, как следствие, появились ВЭУ, предназначенные для использования в шельфовых зонах водных бассейнов (рис. 18).

Рис. 18. Общий вид офшорных ветропарков

Достоинством офшорных ветропарков является возможность размещения большого количества ВЭУ высокой мощности, меньшее влияние на здоровье населения (шум, оптические эффекты и др.). Однако стоимость их строительства и обслуживание несколько выше, чем для ВЭУ наземного базирования.

В качестве преимуществ ВЭУ с горизонтальной осью вращения можно отметить:

• изменяющийся угол атаки лопастей ветротурбины позволяет использовать энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона;
• высокая мачта способствует использованию энергии ветра на большем расстоянии от земли, что повышает эффективность установки (с увеличением высоты на каждые 10 м скорость ветра увеличивается на 20 %).

Недостатки ВЭУ с горизонтальной осью вращения:

• необходимость применения высоких мачт (башен) с высотой более 100 м и длинных лопастей затрудняет их транспортировку и монтаж (стоимость транспортировки и монтажа составляет до 20 % от общей стоимости проекта);
• для монтажа ветроустановок большой мощности требуется специальное оборудование (подъемное) и высококвалифицированные кадры, поэтому производство таких ВЭУ осуществляется только небольшим количеством стран;
• из-за больших размеров ВЭУ они оказывают помехи на радиосвязь и работу радиолокационных установок;
• необходимость в специальных системах ориентации ветротурбины на ветер.

3. Конструктивные особенности и характеристики ВЭУ с вертикальной осью вращения

В настоящее время используются разновидности конструкций роторов ВЭУ с вертикальной осью вращения: Савониуса; Савониуса спиральной конструкции; Дарье; Гиромила; Геликоидый и др.

Ротор Савониуса создан одноименным финским инженером в 1922 г. (рис. 19, 30). Принцип его работы заключается в следующем. При воздействии воздушных масс на разомкнутые диафрагмы полукруглого или логарифмического профиля ветроротора

Савониуса, возникает разница сил сопротивления диафрагм ветровому потоку. При обтекании вогнутой диафрагмы коэффициент сопротивления ветровому потоку равен примерно 1,3. При обтекании этой же диафрагмы в противоположном направлении коэффициент сопротивления 0,35. Разница сил сопротивления приводит к созданию на приводном валу крутящего момента.

Рис. 19. Принцип работы и общий вид ротора Савониуса

В настоящее время выпускается несколько конструктивных вариантов ВЭУ на основе ротора Савониуса, которые отличаются компоновкой роторов, их количеством в установке, применяемыми материалами.

Рис. 30. Конструктивные варианты ВЭУ на основе ротора Савониуса

Высокая материалоемкость и трудности с балансировкой препятствуют промышленному изготовлению мощных ветророторов Савониуса. ВЭУ с такими ветродвигателями предназначены для автономных технологических объектов с невысокими потребляемой мощностью и качеством энергии.

В настоящее время диафрагмы роторов изготавливаются из пластика, что снижает их стоимость, упрощает балансировку.

Преимуществами ветроэнергетических установок этого типа являются низкий уровень шума, небольшая занимаемая площадь, отличная работа на малых ветрах (3–5 м/с). Поскольку это ротор с вертикальной осью вращения, то он не нуждается в устройствах ориентировании на ветер, что значительно упрощает конструкцию – ветроколесо отличается исключительной простотой. Однако эта турбина являются самой тихоходной, и, как следствие, имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра, всего 0,18–0,24 и коэффициент использования мощности – 17–18 %.

Ротор Дарье (французский авиаинженер, изобретение 1931 г.) представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух и более аэродинамических крыльев, закрепленных на радиальных балках (рис. 31).

а                                                                                                                               б

Рис. 31. Общий вид и принцип работы ВЭУ на основе роторов Дарье

На каждое крыло, движущееся относительно потока, действует подъемная сила, величина которой зависит от угла между векторами скорости потока и мгновенной скорости крыла. Максимального значения подъемная сила достигает при ортогональности данных векторов. Ввиду того, что вектор мгновенной скорости крыла циклически изменяется в процессе вращения ротора, момент силы, развиваемый ротором, также является переменным.

Поскольку для возникновения подъемной силы необходимо движение крыльев, ротор Дарье характеризуется плохим самозапуском. Самозапуск улучшается в случае применения трех и более лопастей, но и в этом случае требуется предварительный разгон ротора.

Турбина Гиромила (разновидность турбины Дарье) (рис. 32). В отличие от турбины Дарье лопасти имеют прямую конструкцию и следующие преимущества:

• высокий стартовый момент;
• широкая кривая вращательного момента;
• относительно низкая скорость вращения лопастей, меньшие напряжения на лопастях;
• более высокая эффективность;
• лучшая работа при ветровых турбуленциях.

Рис. 32. Общий вид ВЭУ на основе турбины Гиромила

4. Автономное и сетевое использование ВЭУ

Несмотря на достаточно развитую систему государственного электроснабжения, всегда существует потребность в автономном энергообеспечении, независимом от централизованной поставки энергии. Вызвано это тенденцией развития мелких, но весьма эффективных фермерских хозяйств усадебного типа. Не исчезли проблемы в энергоснабжении и крупных сельскохозяйственных предприятий, объединяющих в силу своей производственной специфики, обширную сеть локально расположенных производственных объектов на довольно большом расстоянии от электросетей. Эта проблема может быть решена с применением автономных ветроэнергетических установок (рис. 33).

Рис. 33. Автономное использование ВЭУ

Любая автономная система, в том числе и ветроэлектрическая, работает независимо от сети централизованного энергоснабжения. В этих условиях ВЭУ может функционировать самостоятельно, использоваться как дублер любого другого генератора или применяться в сочетании с другими энергетическими установками в качестве компонента комбинированной системы энергоснабжения. Такие системы используются также для подъема воды или для электроснабжения домов, ферм или производственных помещений малых предприятий.

Как видно из рис. 34 необходима система управления со специальным конвертором, который осуществляет преобразование постоянного тока в переменный, повышение до сетевого и стабилизацию напряжения. Кроме этого, для накопления электрической энергии и ее использование при отсутствии ветра в систему должны входить аккумуляторы требуемой емкости.

Рис. 34. Схема подключения автономной ВЭУ к потребителю

В состав автономной системы электрообеспечения могут входить и другие возобновляемые источники энергии (солнечные батареи) (рис. 35) и дизель-генератор, что обеспечит бесперебойное энергообеспечение автономного потребителя даже при длительном отсутствии ветра.

При подключении к сети электроэнергия, вырабатываемая ветроэнергетической установкой, расположенной на территории потребителя, может также использоваться в качестве дополнительного источника к общественному энергоснабжению. В условиях параллельного автономного электроснабжения вырабатываемая электроэнергия используется приоритетно для покрытия в энергии собственных нужд, а «излишки сдаются» в электросети по белее высоким («зеленым») тарифам.

Рис. 35. Схема комплексного использования ВИЭ для автономного энергообеспечения потребителей

В этом случае у потребителя должен быть установлен дополнительный счетчик электроэнергии (счетчик обратной последовательности), передаваемой в общественную сеть и ВЭУ зарегистрирована в Министерстве природных ресурсов и защиты окружающей среды, как возобновляемый источник.

Мощность подключаемой ветроэнергетической установки в этой ситуации должна быть не ниже 10 кВт. Максимальная мощность подключаемых ВЭУ не должна превышать 20 % мощности энергосистемы, так как могут возникать колебания частоты и напряжения.

Значительные проблемы для устойчивой работы энергосети, равномерности выработки и передачи в сеть электроэнергии представляют ветропарки с мощностями более 100 МВт (погода – зависимая поставка энергии).

5. Ветроэнергетические парки

Под ветроэнергетическим парком понимается совокупность ВЭУ, размещаемых и производящих электроэнергию на одной локализованной территории, которые имеют наряду с индивидуальной, общую систему управления и контроля.

Согласно существующим международным нормам и ТКП РБ устанавливаются следующие требования к размещению ветропарков:

• необходимое удаление ветропарка от обитаемых районов (минимальное удаление от одиночных жилых домов на расстоянии не менее 300 м, селений – 800 м);
• уровень шума, распространяемого ВЭУ в ночное время должен находиться в интервале 35–40 децибел;
• расстояние между установками по фронту (по главному направлению ветра) должно быть не менее 3–5 диаметров роторов ВЭУ (рис. 36);
• по глубине главного направления между ВЭУ расстояние должно составлять не менее 8–10 диаметров роторов ВЭУ, по другим направлениям – расстояние должно быть не менее 5 диаметров роторов ВЭУ;
• удаление ВЭУ ветропарка от близлежащего лесного массива должно составлять не менее 15 величин высот деревьев лесного массива (рис. 37).

Рис. 36. Размещение ВЭУ ветропарка по главному направлению ветра

Рис. 37. Размещение ВЭУ ветропарка вблизи лесных массивов

Одним из требований размещения ветропарков является отсутствие в выбранном районе предполагаемого строительства водоемов, таких как рек, озер, болот, т. к. их наличие приведет к различным техническим проблемам, в частности:

• невозможности использования большегрузного крана для монтажа ВЭУ;
• трудностям при прокладке кабельных трасс для соединения электрической части ВЭУ;
• усложнению конструкции фундамента ВЭУ, вызванному возможным высоким уровнем грунтовых вод;
• необходимости насыпке (намывке) грунта и поднятию уровня земли строительного участка.

Для определения наилучшего места для будущего расположения ветропарка необходимо:

• знать наилучшие ветровые условия окрестной местности;
• иметь карту, по которой можно будет правильно спланировать конкретное место для строительства ветропарка (рис. 38);

Основными факторами, которые влияют на принятие решения о размещении ветропарка, являются:

• наличие близлежащих хороших подъездных путей (морские порты, ж/д станции и ж/д пути, автомобильные дороги и т. д.) или возможность строительства специальных временных дорог для транспортировки крупногабаритных конструкций (рис. 39);
• близость места размещения ВЭУ к высоковольтным линиям электропередачи (возможные места подключения ветропарка к высоковольтной сети напряжением 110 кВ), возможности прокладки высоковольтного электрокабеля.

Рис. 38. План размещения ВЭУ типа «NORDEX N-80/2500»

Рис. 39. Транспортирование конструктивных элементов ВЭУ

Разрешение на размещение ветропарка выдается районной администрацией после согласования с экологическими, санитарно-эпидемиологическими, пожарными службами, лесничеством и другими организациями, в том числе Министерством обороны, так как ВЭУ влияют на радиосвязь и работу радиолокационных станций.

6. Использование ветроустановок для водоснабжения, мелиорации и других целей

В сельском хозяйстве для подъема воды из любых водоисточников (скважины, колодца, открытого водоема) без применения электропровода или двигателя внутреннего сгорания может быть использована технология с применением ветронасосных установок, которые принадлежат к числу современных устройств данного класса и приблизительно идентичны по ряду основных параметров (рис. 40).

Рис. 40. Общий вид ветронасосной установки

Ветронасосные установки бесшумны в работе, не требуют постоянного контроля за их работой, удобны в эксплуатации, снабжены устройством, позволяющим качать воду при отсутствии ветра в ручном режиме, позволяют подавать воду ритмичными порциями, и могут быть использованы при поливе участков по бороздам, капельным методом, дождеванием. При использовании емкости для накопления воды полив может осуществляться прогретой солнцем водой.

В ходе исследований установлено, что для целей водоснабжения, мелиорации оптимальная мощность источников энергии составляет 4–10 кВт. Для этих целей во многих странах, в том числе в Беларуси разработан ряд установок. Именно под этот параметр и была разработана ветроэлектрическая установка АВЭУ6-4М российского НПО «Ветроэн» (РФ) (рис. 41). По аналогичному назначению может использоваться и ВЭУ 6,3 (6,3 кВт) производства фирмы «АэролаЭнерго» (Республика Беларусь) (рис. 42).

Рис. 41. Схема использования ВЭУ АВЭУ4-4М

Рис. 42. Общий вид ВЭУ-6,3 фирмы «Аэрола-Энерго»

7. Состояние, перспективы и новые направления в развитии ветроэнергетики

Как видно из рис. 43, 44 в мире ветроэнергетика находится в состоянии постоянного роста. Суммарная установленная мощность ветроэнергетики в 2016 г. составила 487 ГВт. Наибольшая динамика роста наблюдается в Китае (+23 %). В первые 5 стран по развитию ветроэнергетики входят Китай, США, Германия, Индия и Испания. Учитывая размеры стран, наибольшие успехи в развитии ветроэнергетики имеет Германия (см. рис. 44).

Рис. 43. Тенденция развития мировой ветроэнергетики

Рис. 44. Первые 10 стран в развитии мировой ветроэнергетики

Ветроэнергетика получает свое развитие и в Республике Беларусь. По сведениям Департамента по энергоэффективности на 01.08.2017 г. в стане действует 78 ВЭУ с общей мощностью 75,9 МВт. Запущен в эксплуатацию первый ветропарк в Новогрудском районе, который включает 6 ВЭУ каждая мощностью 1,5 МВт (рис. 45). В 2017 г. введена в эксплуатацию ВЭУ фирмы Vestas мощностью 3,3 МВт (высота мачты – 120 м.).

Рис. 45. Общий вид первого в Республике Беларусь ветропарка мощностью 9 МВт

Можно выделить следующие направления и тренды развития ветроэнергетики:

• увеличение установленной мощности ВЭУ (до 10–20 мВт) (рис. 46);
• расширение строительства офшорных ветропарков;
• совершенствование автономных ветроэнергетических систем;
• разработка новых более эффективных ветротурбин;
• снижение стоимости электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ (рис. 47).

Рис. 46. Тренды в развитии ветроэнергетики

Рис. 47. Тренды в изменении стоимости электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ

Новые конструкции ветроустановок. Аэродинамическая турбина AeroGreen (РФ). Основана на использовании турбинных технологий и оригинальной конструкции, обеспечивающей увеличение коэффициента использования воздушного потока в два раза (рис. 48). Конструкция турбин AeroGreen обеспечивает не только хорошую шумоизоляцию, но исключает опасность попадания посторонних предметов, птиц в плоскость вращения, а также обеспечивает возможность работы аэродинамической турбины даже при самых неблагоприятные погодных условиях (снег с дождем, град, шквалистый ветер, ураган и т. п.).

Рис. 48. Общий вид ветротурбин AeroGreen

Ветроколесо AeroGreen, в отличие от ВЭУ трехлопастной схемы вращается не в вертикальной плоскости, а в горизонтальной, т. е. параллельно земле. Воздушные массы, с любой стороны перемещаются по сужающему корпусу ветроустановки вверх вдоль вертикально установленных ребер и направляются через лопатки ветроколеса в зону разряжения верхнего обтекателя. Эти особенности конструкции позволяют получить ускорение воздушного потока и обеспечивают вращение ветроколеса уже при скорости ветра от 1,5 м/с.

Как видно из рис. 49 ветротурбина AeroGreen по сравнению с обычными ВЭУ с вертикальной и горизонтальной осью вращения имеет преимущества по уровню шума, диапазону ветровых скоростей и стоимости киловатт вырабатываемой электроэнергии.

Рис. 49. Сравнительные характеристики ветротурбин

Перспективным направлением в дальнейшем развитии ветроэнергетики является перепрофилирование выводимых из разработки шахт, рудников и других подземных предприятий в ветроэнергетические станции. Согласно проекту (Украина), в горных выработках закрытых шахт будет размещаться каскад ветроэнергетических установок (турбинные ветрогенераторы). Их будет приводить в действие естественная тяга воздуха, возникающая из-за разности температур, на земной поверхности и в подземных тоннелях.