Анализ современного состояния

ветроэнергетики за рубежом.

Аяпбергенов К.М.,

аспирант КазГАТУ г. Астана.

Использование энергии ветра традиционно для человеческой цивилизации. Наиболее известной и широко распространенной технологией является ветряная мельница. В 16 столетии в Нидерландах, например, насчитывалось около 10 тыс. ветряных мельниц. Ныне ветровая электроэнергия производится в 55-ти странах мира.

Так, если в 1990 году из ветра вырабатывалось 2 тыс. мегаватт электроэнергии, то в 1995 году - 4.5 тыс. мегаватт. За двадцать лет стоимость киловатт-час электричества, выработанного ветряной электростанцией снизилась с 40 до 5 центов за киловатт и вплотную приблизилась к стоимости электричества, добываемого за счет сжигания нефти, газа, угля и использования ядерной энергии. Ее большим преимуществом перед ядерной энергетикой является то, что не существует проблемы хранения и переработки отработанного топлива.

Ныне более 70% ветровой электроэнергии, вырабатываемой в мире, производится в Европе. В свою очередь, европейским лидером стала Германия, которая за год увеличила производство ветровой энергии на 37%. Ныне ветер обеспечивает 4.7% потребностей Германии в электричестве. В Германии вырабатывается 6.1 тыс. мегаватт электроэнергии с помощью станций, использующих энергию ветра - это равноценно использованию 20 теплоэлектростанций, работающих на угле. Крупномасштабные программы реализуются в Аргентине, Чили, Испании, Китае, Дании. По данным компании BTM Consult, в 2000 году было выработано более 18 тыс. мегаватт ветряного электричества - прирост по сравнению с 1999 годом составил более 4 тыс. мегаватт. В 2002 году Дания получила 13% электроэнергии за счет ветряных электростанций и планирует к 2030 году довести долю ветряной энергии до 50%.

Хотя энергия ветра имеет множество преимуществ - она доступна и с точки зрения технологического развития, и в смысле наличия ветряных ресурсов, она имеет также ряд недостатков. Слабым местом использования энергии ветра является недостаточная “энергетическая плотность” этого природного ресурса - для производства необходимого количества тепла или электричества необходимо значительное число генераторов. Ветровые турбины не могу быть размещены повсеместно, поскольку не везде достаточно ветрено, а в тех местах, где ветра много, строительство и эксплуатация ветровых ферм могут оказаться неоправданно дорогостоящими ввиду удаленности от потребителя.

Таким образом, при использовании энергии ветра, как за рубежом, так и в Казахстане можно выделить ряд проблем, которые можно разделить на две основные категории: научные и технические.

Научные проблемы использования ветроэнергетических установок.

1. Анализ энергоресурсов. Прежде чем развивать энергетику на ветроэнергетических установках, необходимо точно определить мощность ветрового потока. Это требует регулярных и длительных наблюдений и анализа этих данных. Вначале необходимо оценить ветровой энергетический ресурс того или иного региона, а уже потом ту часть ветровой энергии, которая может быть использована в энергоустановках.

2. Временные характеристики ветровых источников энергии. Потребность в энергии, как правило, не постоянна во времени. Например, потребность в электроэнергии максимальна в утренние и вечерние часы и минимальна в ночное время. Традиционные тепловые электростанции могут подстраиваться под эти колебания спроса на энергию, регулируя расход топлива. При использовании же энергии ветряных электрических станций колеблется не только спрос на энергию, но и мощность этих источников, поэтому работающие на этих источниках электроустановки должны учитывать оба эти фактора, которые часто противоречат друг другу.

3. Коэффициент полезного действия источника энергии. Под коэффициентом полезного действия источника энергии принимается доля энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу. Например, электроэнергия обладает высоким качеством, так как с помощью электродвигателей более 95 % ее можно превратить в механическую работу. Качество тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива на традиционных ТЭЦ, довольно низкое, потому что только около 30 % теплотворной способности топлива превращается в конечном счете в механическую работу. Коэффициент полезного действия ветровой энергии составляет порядка 30%, что довольно неплохо, учитывая что энергия ветра бесплатна и не требует хранения и переработки отработанного топлива

4. Рассеянная энергия или энергия низкой плотности. Возобновляемые и истощаемые источники энергии очень сильно различаются по характерной для них начальной плотности потоков энергии. Для возобновляемых источников энергии эта величина – порядка 1 кВт/м² (например, ветра при скорости около 10 м/с), для невозобновляемых источников она на несколько порядков выше. Например, тепловая нагрузка в трубах паровых котлов – порядка 100 кВт/м², а в теплообменниках ядерных реакторов – несколько мегаватт на 1 м². Потребители энергии, за редким исключением, как, например, используют у себя гораздо меньшие плотности потоков энергии.

Из-за большого различия в плотности потоков энергии в энергоустановках на возобновляемых и невозобновляемых источниках, вторые эффективны при большой единичной мощности установки, но при этом распределение энергии среди потребителей требует больших затрат. Первые же эффективнее при небольшой единичной мощности, но большие затраты требуются уже для повышения мощности за счет объединения таких установок в единую энергосистему.

Технические проблемы использования ветроэнергетических установок

1. Мониторинг окружающей среды. В основе решения об использовании ветряных электрических станций обычно лежат результаты многолетних наблюдений (мониторинга) за состоянием окружающей среды в данном районе. При этом очень важно, чтобы получаемая в процессе мониторинга информация включала все параметры, необходимые для разработки конкретной энергетической системы. Частично такую информацию содержат результаты метеорологических наблюдений, но, к сожалению, расположение метеостанций очень часто не совпадает с местом предполагаемого размещения энергоустановок, и методы регистрации и анализа метеоданных не полностью соответствуют рассматриваемой задаче. Тем не менее, данные метеостанций могут служить базой для проведения сравнительного анализа с результатами целевого мониторинга. Значительно сложнее проводить оценку ветроэнергетических установок, в основу которой не могут быть положены стандартные метеоданные. В этом случае необходимы специальные методы измерений и соответствующие приборы, что требует значительных людских и материальных ресурсов. Но в любом случае, опираясь на имеющиеся данные из различных областей знаний, можно получить большую часть необходимой информации.

2. Потребители энергии и их характеристики. Производству энергии всегда должно предшествовать всестороннее изучение потребности в ней. Так как производство энергии всегда недешево и связано с нежелательными воздействиями на окружающую среду, очень важно расходовать ее эффективно и экономно.

В зависимости от характеристик потребителя или нагрузки во многом зависит выбор используемого источника энергии. Вкладывая средства в развитие энергетики, необходимо помнить, что повышать экономичность и эффективность потребителей, как правило, выгоднее, чем увеличивать производство энергии.

3. Согласование источников энергии и потребителей. После анализа характеристик потребителя и потенциальных источников возобновляемой энергии необходимо согласовать их друг с другом. Согласование предполагает выполнение следующих условий.

а) Энергоустановка должна максимально эффективно использовать возобновляемую энергию. Сопротивления потоку энергии должны быть минимальны. В этом случае будут сведены к минимуму энергетическое оборудование и его размеры.

б) Использование систем управления с отрицательной обратной связью между потребителем и источников энергии невыгодно, т.к. приходится сбрасывать в окружающую среду часть выработанной преобразователем энергии. Такое регулирование оправданно только в крайнем случае или когда удовлетворены все возможные потребители энергии. Неэффективность принципа регулирования с обратной связью в энергетических установках на возобновляемой энергии является следствием постоянного существования в окружающем пространстве потоков этой энергии. Для не возобновляемого источника энергии регулирование с обратной связью выгодно, т.к. уменьшает его расход.

в) Необходимо согласовать спрос и предложение на энергию (не завышая при этом мощность энергоустановки) за счет включения в энергосистему накопителей энергии. Хорошие накопители энергии очень дороги.

г) Если согласовать энергоустановку на возобновляемой энергии с потребителями очень сложно, то от решения этой задачи отказываются. В этом случае установка должна дублироваться (потребитель подключается) более крупной и универсальной по составу источников энергии системе (например, энергосистема).

д) Наиболее эффективная схема использования энергии возобновляемых источников энергии, когда к источнику подключается в каждый момент столько потребителей, чтобы суммарная нагрузка соответствовала текущей мощности источника возобновляемой энергии. При этом отдельные потребители могут в свою очередь иметь накопители энергии или подстраиваться под изменяющиеся параметры источника. В таких схемах используют регулирование с прямой связью.

4. Методы управления. Для согласования источников энергии с потребителями используются различные методы управления. В энергосистемах с возобновляемыми источниками энергии можно использовать три метода управления, основанные на сбросе излишков энергии, аккумулировании энергии и изменении нагрузки. Эти методы могут быть реализованы различными способами применительно ко всей энергосистеме или ее частям.

а) Система со сбросом излишков энергии. Потоки энергии возобновляемых источников существуют постоянно, и если их не использовать, они будут безвозвратно потеряны. Тем не менее метод управления, основанный на сбросе излишков энергии может оказаться самым простым и дешевым. Такой метод управления используется, например, на ГЭС, в системах обогрева зданий солнечным излучением с управляемыми заслонками, в ВЭУ с изменяемым шагом.

б) Система с накопителями (аккумуляторами) энергии. Накопители могут аккумулировать энергию возобновляемых источников как в ее исходном (не преобразованном) виде, так и в преобразованном после энергоустановки виде. В первом случае управление запасами возобновляемой энергии такое же, как и запасами невозобновляемой энергии. Основной недостаток систем регулирования с такими накопителями – их относительно высокая стоимость, сложность использования в небольших энергоустановках и при реализации дистанционного управления.

Примеры таких накопителей: водохранилища (не преобразованный вид), аккумуляторные батареи, электролизные установки (преобразованный вид) и т.д. Такие накопители особенно выгодны на небольших по мощности энергоустановках. Тепловые накопители в настоящее время уже устарели.

в) Системы с регулирование нагрузки. Такие системы поддерживают соответствие между спросом и предложением энергии за счет включения и выключения необходимого числа потребителей. Такое регулирование может применяться в любых системах, но наиболее выгодно оно при наличии большого числа разнородных потребителей. Его преимущество при использовании в энергосистемах с возобновляемыми источниками энергии заключается в следующем:

- подключение или отключение потребителей в соответствии с располагаемой мощностью источника позволяет избегать потерь возобновляемой энергии;

- в многоканальной системе регулирования могут учитываться потребности различных потребителей и их приоритеты, при этом, например, потребители с низким приоритетом, которые отключаются первыми, могут снабжаться энергией по низкой цене или, например, нагревательные установки могут питаться непостоянным по величине напряжением;

- потребители обладающие определенным аккумулирующим свойством (водогрейные баки, кондиционеры) могут использовать это свое свойство, отключаясь в те периоды времени, когда энергии дорогая;

- в таких системах регулирования можно использовать надежные, точные, малоинерционные и недорогие электронные и микропроцессорные устройства.

Регуляторы с прямой связью особенно удобны для применения на автономных ВЭУ.