Ветровые электростанции (ВЭС): плюсы энергии ветра

Распространение, какое получили ветряные электростанции (ВЭС) в качестве одного из наиболее распространённых альтернативных источников энергии, объясняется тремя основными причинами.

Причина первая. Исторически сложилось так, что одним из первых источников энергии, поставленных на службу человеку, была сила движущегося потока воздушных масс, примером чего могут служить ветряные мельницы и паруса судов.

Причина вторая. Повсеместность распространения ветров практически по всей поверхности планеты. Меняя своё направление, а подчас и стихая до полного безветрия, но перемещение воздуха всё же происходит в любой точке Земного шара.

Причина третья. Необходимость получения электроэнергии в труднодоступных и удалённых местах, а также в местах отсутствия централизованного электроснабжения.

Присутствие ВЭС (ветряных электростанций) в ряде энергосистем многих государств мира – это достойная альтернатива традиционному сжиганию топлива – процессу, который положен в основу производства электрической и тепловой энергии, посредством использования невозобновляемых природных ресурсов.

Устройство и виды ветровых электростанций

В 1887 году англичанин Блит соорудил на своей даче в Мэрикирке, расположенной на территории Великобритании, первую в мире электростанцию. «Мельница» Блита имела диаметр лопастей длиной в 7 метров. Более поздняя автоматическая установка, использующая силу ветра, заработала годом позднее и обладала диаметром ротора в 17 метров. Заслуга её создания принадлежит американцу Чарльзу Брашу.

Для того, что понять, что такое ВЭС, необходимо ознакомиться с её устройством. Оно включает в себя:

• Смонтированную на вершине мачты ветротурбину, что приводится во вращение лопастями винта, установленными на роторе.
• Электросиловую часть, состоящую из электрогенератора; аккумуляторов, оснащённых контроллером заряда; инвертора, подсоединённого к электрической сети; коммутирующей и управляющей аппаратуры.

В состав промышленной ветровой установки, кроме перечисленных устройств, входят гондола, башня, силовой шкаф, фундамент, система слежения за направлением ветра, система изменения угла атаки лопастей, система телекоммуникационной связи, молниезащита, устройства пожаротушения и ряд иных, конструктивно обусловленных элементов.

С целью организации систем электроснабжения ветрогенераторы (ветроэлектрические установки – ВЭУ или ветряки) часто объединяются между собой электрическими связями. Такие объединения и есть ветряные электростанции (ВЭС), питающие электричеством жилые массивы, промышленные и общественно-социальные объекты.

Функционально их можно разделить на стационарные и мобильные, а по месту расположения они бывают:

• наземные,
• прибрежные,
• шельфовые,
• плавающие,
• парящие,
• горные.

Наибольшее распространение к сегодняшнему дню получили ветряные наземные электростанции крыльчатого типа (с горизонтальной осью вращения лопастей).

Несколько меньшей производительностью обладают роторные станции с вертикальной осью вращения лопастей.

Как работает ветряная электростанция

Принцип работы современной ВЭС основан на процессе преобразования кинетической энергии масс воздуха во вращение подвижной части, в результате чего электрогенератор вырабатывает электрический ток. Установка оснащается рядом электротехнических устройств. Предназначены они для накопления электроэнергии (аккумуляторы) и преобразования её (инверторы) в стандартное напряжение необходимой частоты, пригодное для питания потребителей электрической энергии.

Учитывая фактор нестабильности ветрового потока в месте установки ветрогенераторов, предусмотрено: оснащать ветростанции накопителями электроэнергии (аккумуляторы), объединять в системы несколько ветряков, создавать дублирующие варианты электроснабжения от более стабильных источников энергии на основе единых энергосистем.

Преимущества и недостатки ветряных электростанций

Несомненные плюсы ветряных электростанций заключены в использовании энергии ветра – абсолютно бесплатного источника энергии. Они не зависят от наличия топлива и не наносят особого вреда окружающей среде (за исключением шумового воздействия, а также эпизодического уничтожения птиц и насекомых).

Недостатки ВЭС:

• нестабильность выработки определённого количества электроэнергии вследствие ветровой неравномерности;
• создание шумового фона,
• низкий КПД, практически составляющий 30-45%;
• высокая цена основного оборудования и запасных частей;
• длительный срок окупаемости, возрастающий по мере увеличения установленной мощности.

Преимущества и недостатки ВЭС лишь в некоторой степени компенсируют друг друга при разных условиях эксплуатации, что необходимо учитывать при принятии решений в пользу ветроэнергетических установок. В условиях нашей страны мощные ветровые потоки стабильного характера не просматриваются, что является сдерживающим фактором развития ветроэнергетики в сравнении с государствами Европы и Азии.

Энергетический ветровой потенциал Земли в 100 раз больше её гидроэнергетического потенциала. Ветроэлектростанция в качестве одного из важнейших источников получения альтернативной возобновляемой энергии имеет большое будущее. Практика последних лет – практика беспрерывного наращивания ветроэнергетических мощностей – всё более убедительно подтверждает это.

Вредные воздействия на человека, природу и технику. Вопросы безопасности

Распространение ветростанций породило массу слухов, рассуждений и заблуждений, подчас не имеющих под собой достаточно серьёзных оснований. Конечно, ветроэлектростанции не лишены ряда недостатков. Но рассматривать их необходимо в сравнении с другими источниками энергии – прежде всего, использующими невозобновляемые природные ресурсы.

В отличие от традиционных источников энергии, производство электроэнергии с помощью движения ветра значительно меньше влияет на окружающую среду. Здесь нет потребления топлива, отсутствует процесс загрязнения воздуха и не происходит выброса парниковых газов. Да, наземные ветростанции оказывают визуальное воздействие на ландшафт (не всегда, правда, отрицательное) и занимают большую территорию в сравнении с иными электростанциями. Да, работа лопастей турбин подчас приводит к гибели птиц, летучих мышей, что можно несколько смягчить, проводя мониторинг дикой природы. А сама проблема утилизации отработавших свой срок лопастей легко разрешима в условиях современных технологий.

Воздействие на организм человека? Оно минимально и легко устранимо путём соблюдения определённых безопасных расстояний и введения запретов. Уровень шума, производимый ветрогенератором во время работы, резко спадает на расстоянии в 200-300 метров, доходя до акустического воздействия (звука), оказываемого работой бытового холодильника.

Здесь в качестве защитной меры Постоянным комитетом парламента Нового Южного Уэльса (Австралия) рекомендовано соблюдение дистанции в 2 км от работающей ВЭС. Меры такого же характера можно рекомендовать и в случае некомфортных ощущений, вызванных вращением лопастей (зона мерцания тени, мигающие световые проявления).

Есть ещё: влияние на электрическую сеть, помехи, создаваемые процессам прохождения радио и телевизионных сигналов, воздействие на климат, обусловленное турбулентностью воздушных потоков (иногда приводящее к повышению урожайности сельскохозяйственных культур). Но все они преодолимы и не столь масштабны, как в случаях вредных воздействий, вызываемых традиционными  источниками энергии.

Экономическое обоснование строительства ВЭС

Плюсы и минусы современных ВЭС свидетельствуют, что строительство их в России пока что малоэффективно. Дорогое оборудование, постоянные расходы на текущую эксплуатацию, непродолжительный срок службы съедают всё полученную прибыль. Но такое положение дел не всегда справедливо.

В ситуации, когда нет иных источников энергии или имеются условия, обеспечивающие стабильную работу ветростанций, их применение оправдано. Здесь своё весомое слово могут сказать ветродизельные электростанции, сочетающие ветроэлектрические установки (ВЭУ) и дизель-генераторы (ДГУ). Такая станция предоставляет возможность бесперебойного снабжения как электрической, так и тепловой энергией и экономит значительную часть топлива. Экономически целесообразной представляется и эксплуатация ВЭС в условиях частных хозяйств и домовладений.

Мощность ветряной электростанции

Мощности большинства действующих ветроэлектростанций невелики. Самая крупная из российских ВЭС, обеспечивающая энергией Ставрополье, обладает установленной мощностью в 210 МВт. Однако объединённые комплексы ВЭС электростанций способны вырабатывать до 500 МВт электроэнергии, что сравнимо с производительностью обычной ТЭЦ или ГЭС. Мощность ВЭС может доходить до 8 ГВт – ВЭС «Ганьсу» в Китае, известная как ветроэлектростанция Цзюцюань с планируемым уровнем мощности в 20 ГВт. А наиболее мощные из ветрогенераторов уже демонстрируют и 14 МВт и порядка 15 МВт своей производительности.

Очень убедительно и наглядно их габариты и монтаж показаны здесь:

The SG 14-222 DD prototype has been fully installed and is ready for commissioning.

Ведущие мировые производители

Наиболее известные фирмы, что заняты изготовлением ветрогенераторов и оборудования для ветряных электростанций, это:

• Испано-немецкий гигант ветровой энергетики Siemens Gamesa. Офшорная ветростанция Moray West в Шотландии должна быть оборудована к 2024 году 60-ю морскими ветротурбинами (шельфовыми электростанциями, башни которых стоят на сваях, забитых в морское дно на глубину порядка 30 метров)  SG 14-222 DD, мощностью в 14,7 МВт каждая.
• Компания General Electric с ветрогенератором Haliade-X, мощностью в 14 МВт;
• Vestas;
• Goldwind;
• Envision;
• GE;
• Windey;
• Mingyang;
• Shanghai Electric;
• Dongfang Electric;
• Nordex;
• Superwind;
• Panasonic;
• Ecotecnia;
• Vergnet.

Ветроэнергетика в России

Потенциал ветровой энергии России достигает 80 000 ТВт∙ч/год, из которых 30% приходится на Дальний Восток, 16% может быть использовано в Сибири, 14% – в Северном экономическом районе. Экономическую целесообразность представляет лишь практическое освоение 6218 ТВт∙ч/год. Дело в том, что значительная часть потенциала находится в малонаселённых местностях. Наибольший интерес в плане строительства ветряных электростанций представляют степи Средней и Нижней Волги, Дона; побережье Северного ледовитого океана; побережья Балтийского, Чёрного, Азовского, Каспийского и Охотского морей.

Первые ветряные электростанции в России были построены в 20-х годах прошлого века Центральным аэрогидродинамическим институтом. Десятью годами позднее была выстроена первая отечественная ветростанция Уфимцева в городе Курске и запущена в эксплуатацию самая мощная на тот момент в мире (100 КВт) ветроэлектростанция в крымском городе Балаклаве. К началу 2023 года совокупная мощность ВЭС России достигла 2108 МВт, что дало возможность с их помощью произвести 0,5% электроэнергии в стране, составившей 5,5 млрд КВт∙ч.   

Пока что российские компании-производители ветрогенерирующих электростанций не составляют конкуренции ведущим фирмам запада. Причина кроется в том, что потребности в создании эффективных аналогов известным мировым образцам пока что особо не ощущалось. Хотя в последнее время ситуация меняется в лучшую сторону:

• Создана Российская ассоциация ветроиндустрии, насчитывающая 171 члена.
• В 2013 году была принята программа государственной поддержки – программа ДПМ ВИЭ, рассчитанная на период до 2024 года.
• Появились 3 крупнейших ключевых игрока – Фонд развития ветроэнергетики, (объединяющий в себе ПАО «Фортум», ГК РОСНАНО, ООО «Вестас Рус»), АО «НоваВинд», использующее германские ВЭУ Lagerwey и ПАО «Энел Россия».

К октябрю 2022 года в стране насчитывалось 42 работающих и 7 строящихся ветроэлектростанций. А уже 1 января 2023 года вступила в строй Берестовская ВЭС в Ставрополье.

Производством ветрогенераторов в России занимаются десятки компаний, но далеко не всегда это делается строго официально. Некоторые из них активно сотрудничают с ведущими мировыми производителями, продвигая на отечественный рынок зарубежные модели, а некоторые предпочитают самостоятельно разрабатывать новые образцы конкурентоспособной продукции.

Перечень ряда организаций, занятых изготовлением ветряных генераторов (данные взяты из официальных источников):

• ООО «Ветро-Свет».
• ООО СКБ «Искра» (г. Москва).
• ООО «ГРЦ-Вертикаль» (г. Миасс, Челябинская область).
• ЗАО «Ветроэнергетическая компания» (г. Санкт-Петербург).
• ЗАО «Агрегат-Привод» (г. Москва).
• ООО «НПП Энерго-экологические системы».
• ООО «СтройИнженерСервис» (г. Рыбинск).
• ООО «Евро-Стандарт Сервис» (г. Москва).

География применения

Наибольшее развитие ветроэнергетика получила в Европе, США, Китае и Индии. Данные, предоставленные WindEurope, свидетельствуют, что в 2019 году доля ветрогенерации в общем производстве электричества по каждой из нижеперечисленных стран, составляла:

• в Дании – 48%,
• в Ирландии – 33%,
• в Португалии – 27%,
• в Германии – 26%,
• в Великобритании – 22%,
• в Испании – 21%,
• в Европейском Союзе в целом – 15%.

Опыт Дании заслуживает здесь отдельного рассмотрения. Отказавшись в 1988 году от сооружения атомных станций, Королевство к 2021 году сумело запустить в работу 6271 ветряных турбин, мощностью в 6235 МВт. А к 2050 году рассчитывает стать климатически нейтральной страной (страной с нулевыми углеродными выбросами), создав к 2033 году искусственный энергетический остров в Северном море.

На нём планируется разместить 200 морских ветряных турбин.

Преимущества и недостатки ветровых электростанций с каждым годом становятся настолько очевидными – первое явно преобладает над вторым, что первенство в объёмах производства ветряной электрической энергии по итогам 2020 года удерживали:

• Китай – 466,5 ТВт∙ч.
• США – 336,5 ТВт∙ч.
• Германия – 134,5 ТВт∙ч.
• Великобритания – 73,8 ТВт∙ч.
• Индия – 60,4 ТВт∙ч.

Россия с 1,3 ТВт∙ч занимает в списке 45 место, располагая пока что 1162 ВЭУ (данные Российской Ассоциации Ветроиндустрии). В 2021 с помощью состоящих в ЕЭС России ветроэлектростанций, общей мощностью в 2047 МВт (0,83% энергетической мощности системы), удалось произвести 3622 млн КВт∙ч электроэнергии (0,32%).

Частные ветровые электростанции

В России в качестве альтернативных источников энергии получили распространение объекты малой ветроэнергетики. Объяснение этому следующее.

Во-первых, создание крупных ветряных станций и ветропарков нерезонно по причине климатических особенностей. Отсутствуют стабильно мощные и однонаправленные перемещения воздушных масс.

Во-вторых, в силу значительных территорий и удалённости многих объектов от центральных систем энергоснабжения, появляется потребность в организации локальных электроэнергетических сетей. Прокладка туда линий электропередач и доставка большого количества оборудования неэффективны по организационным и экономическим соображениям.

Здесь как раз и сказываются плюсы ВЭС, актуальность применения которых в условиях отдалённости и труднодоступности становится несомненной. Современные ветростанции небольшой мощности несложно смонтировать и запустить в работу даже в условиях гористой местности. Агрегат не расходует топливо, прост в эксплуатации и свободно ремонтируется. Он может входить в состав локальной энергетической системы, также оснащённой станциями, работающими на топливе или солнечных батареях.

Такая комбинация источников энергии экономит топливо и не зависит от погодных факторов. Они вполне способны обеспечивать нужды небольших населённых пунктов в электрической и тепловой энергии. Значительный коммерческий интерес представляет установка ветряков в частных хозяйствах и домовладениях, где с их помощью можно не только питать электричеством внутрихозяйственных потребителей, но и отдавать электроэнергию в сеть, становясь тем самым продавцом электрической энергии или снижая собственные расходы путём перерасчётов полученного и отпущенного количества электроэнергии.

Заключение

Плюсы ветряной энергии всё больше дают о себе знать. С течением времени природные топливные ресурсы истощаются, цены на них и на готовую энергию неуклонно растут, а модели ветростанций всё более и более совершенствуются. Количество государств и регионов мира, активно осваивающих энергию ветра, непрерывно растёт. Сегодня в их списке можно встретить не только ведущие экономические державы и страны с хорошо развитой экономикой, но и ряд государств Азии и Африки. Некоторые из них даже смогли воспользоваться поддержкой международных финансовых институтов.

В 2021 году 6% мировой электроэнергии и 2% мировой энергии – 1800 ТВт∙ч электроэнергии было выработано ветряными электростанциями. Для удобства пользователей и инвесторов составлен Глобальный атлас ветров. Он предоставляет бесплатный доступ к метеорологическим данным (плотность энергии ветра, скорость его движения с учётом высоты над земной и морской поверхностью) с уровнем разрешения в 250 метров.

Заслуга его создания принадлежит Департаменту ветроэнергетики Технического университета Дании (DTY Wind Energy), активно поддерживаемым Всемирным Банком в рамках Программы содействия управлению энергетическим сектором (ESMAP). Названная компьютерная программа и общеизвестные институты – ещё один аргумент в пользу развития мировой ветроэнергетики.