История ветроэнергетики

История ветроэнергетики начинается с незапамятных времён: энергия ветра вот уже более 6000 лет надежно и верно служит людям. Например, древние греки считали, что легендарный Прометей научил людей не только пользоваться огнём, но и оснастил корабли парусами. Заслуги парусных кораблей общеизвестны: все великие географические открытия были сделаны с их помощью.

До изобретения паровой машины основным источником энергии во многих странах была именно энергия ветра. На протяжении столетий торговые и военные парусные суда передвигались за счет энергии воздушных потоков, повсюду крутились лопасти ветряных мельниц. Первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. В Египте (около Александрии) сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа, построенных ещё во II—I вв. до н. э. В VII в. н. э. персы строили ветряные мельницы уже более совершенной конструкции - крыльчатые. Несколько позднее, по-видимому в VIII—IX вв., ветряные мельницы появились на Руси и в Европе. Начиная с XIII в., ветродвигатели получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Голландии, Дании и Англии, для подъёма воды, размола зерна и приведения в движение различных станков.

«Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле» (К.Маркс. «Машины: применение природных сил и науки»).

Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых.

В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо — 1526 г., Глочестер — 1542 г., Лондон  — 1582 г., Париж — 1608 г., и др. В Нидерландах большое количество ветряных мельниц откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей¹.

В XVI веке экономический расцвет Голландии, куда Петр Первый ездил учиться, был вызван именно развитием ветроэнергетики. Первоначально голландцы использовали ветряки для осушения польдеров — отвоеванных у моря земель, а затем приспособили для приводов лесопилок и других производств. В тогдашней Европе Голландия была самой энерговооруженной страной.

В России ветряные установки использовались в основном для помола зерна. До революции их в стране насчитывалось около 200 000, и перемалывали они более 2 миллиардов пудов зерна в год.

Появление паровой машины как источника энергии резко замедляет дальнейшие развитие ветроэнергетики. А в XX в. научно-технический прогресс, набиравший обороты огромными темпами, в корне изменил технологическую картину мира. Сталь, нефть, газ, новые материалы и возможности отодвинули далеко на задний план достижения сотен лет человеческой цивилизации. Но человечество так активно разрабатывает месторождения нефти, угля и газа, что появилась реальная угроза их скорой выработки. Поэтому во многих странах стали развивать так называемую нетрадиционную, или альтернативную энергетику — возобновляемые источники энергии, к тому же имеющие экологические преимущества...

Но, как известно, новое — это хорошо забытое старое и, поэтому, человечество вновь обращает свои взоры на энергию ветра: а нельзя ли с его помощью вырабатывать столь необходимую электроэнергию? Первые проекты ветроагрегатов, способных вырабатывать электроэнергию, появились еще в 20-е годы прошлого века. Первый экземпляр ветродвигателя с роторами (цилиндрами) на четырех крыльях, диаметром 20 м, был установлен в 1926 г. в Берлине на башне высотой 15 м. Его крылья были сделаны из легкого металла — лоталя. Тогда же предпринимались попытки создать силовые установки на основе ветроагрегата для морских и речных судов. Работы эти, основанные на эффекте Магнуса (при вращении цилиндра в набегающем на него потоке воздуха появляется поперечная сила, действующая на него), со временем были свернуты. В 1980-е годы знаменитый океанограф Жак-Ив Кусто построил судно, работающий на том же принципе, доказав, как минимум, работоспособность идеи.

В России также заинтересовались возможностью выработки электроэнергии с помощью ветроустановок: в 1918 году ветряками занялся профессор В. Залевский, создавший теорию ветряной мельницы и сформулировавший несколько принципов, которым должна отвечать ветроустановка. В 1925 году профессор Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя и организовал отдел ветряных двигателей в Центральном аэрогидродинамическом институте.

Отрасль начала стремительно развиваться, и в 1930-х годах Советский Союз был «впереди планеты всей» в использовании энергии ветра. Тогда было освоено производство разнообразных ветроустановок мощностью 3—4 киловатта, которые выпускались целыми сериями. В 1931 году в СССР заработала крупнейшая на тот момент в мире сетевая ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, вслед за ней на юге страны были установлены десятки подобных ветрогенераторов. В 1938-м в Крыму развернулось строительство ветроэлектростанции мощностью 5 МВт. С 1950 по 1955 год страна производила до 9 тысяч ветроустановок в год единичной мощностью до 30 кВт. В годы освоения целины в Казахстане была сооружена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, работавшая в паре с дизелем, общей мощностью 400 кВт — прообраз современных европейских ветропарков и систем «ветро-дизель».

Но использование энергии ветра в крупномасштабной энергетике оказалось несвоевременным — нефть оставалась сравнительно дешевой, устойчиво сокращались капитальные вложения в строительство тепловых электростанций, развивалась гидроэнергетика. В 1960—1980-е годы энергетическая отрасль нашей страны была ориентирована на строительство крупных ТЭС, ГЭС и АЭС: ветряки не выдержали конкуренции с электроэнергетическими гигантами, объединившимися в единую национальную сеть, и в конце 1960-х годов их серийное производство было закрыто.

И только к началу 1990-х годов, значительно позже, чем в других странах, в СССР вернулись к этому вопросу. К работам были привлечены МКБ «Радуга» Минавиапрома СССР и НПО «Южное» Минобщемаша СССР, которые организовали в 1990 г. производство ВЭУ мощностью 200, 250 и 1000 кВт. Проектные институты приступили к созданию первых крупных системных ветроэлектростанций: Восточно-Крымской, Ленинградской, Калмыцкой, Магаданской и Заполярной (в Воркуте).

Но события 1990-х годов и вслед за тем разразившийся экономический кризис остановил работы на этих объектах. Сейчас в России действуют всего три-четыре десятка небольших ветроэлектростанций, в сумме дающие менее 0,1 % вырабатываемой в стране энергии.

В настоящее время установленная мощность ветроэлектростанций в России составляет около 13 МВт. Самой мощной на сегодняшний день считается ветроэлектростанция в Калининградской области, введенная в строй в 2002 году (первая установка — в 1999 г.) и состоящая из 21 установки, переданной в дар властями Дании. Ее суммарная мощность составляет 5,1 МВт.

Табл. 1 Технико-экономические показатели работы ВЭС в 2005 году

(по данным ФСГС Росстата)

*) Данные за 2004 г.

За рубежом нетрадиционная энергетика начала всерьез развиваться после нефтяного кризиса середины 1970-х годов. По забавному совпадению, незадолго до того китайский лидер Мао Цзэдун сказал по совсем другому поводу слова, под которыми сегодня охотно подпишутся энергетики: «Когда начинают дуть ветры перемен, надо успеть построить побольше ветряных мельниц». И хотя на первых порах ветроэнергетические станции (ВЭС) не давали прибыли, власти ряда стран дотировали отрасль. Сегодня мировая ветроэнергетика вышла на прибыль и существует без каких-либо дотаций, но в условиях активного госрегулирования.

Так, в Германии в настоящее время около 3 % всей энергии вырабатывается ветровыми электростанциями. 2005 год стал годом очередного рекорда. В течение года более чем в 30 странах было введено в совокупности 11 531 МВт новых мощностей. Таким образом, среднегодовой рост увеличился на 40,5 %, а общая установлен­ная мощность выросла на 24 %. На конец 2005 года суммарная установленная мощность ветро­вой энергетики составила 59 084 МВт.

Ветроэнергетика как сектор энергетики присут­ствует в более чем 50 странах мира. Страны с наибольшей установленной мощностью — Гер­мания (18 428 МВт), Испания (10 027 МВт), США (9 149 МВт), Индия (4 430 МВт) и Дания (3 122 МВт). Ряд других стран, включая Италию, Велико­британию, Нидерланды, Китай, Японию и Пор­тугалию, перешли отметку в 1 000 МВт.

До сих пор ветроэнергетика наиболее динамично развивалась в странах ЕС, но сегодня эта тен­денция начинает меняться. Всплеск активности наблюдается в США и Канаде, в то время как в Азии и Южной Америке возникают новые рынки. В Азии, как в Индии, так и в Китае, в 2005 году за­регистрирован рекордный уровень роста².

Дания к 2030 году планирует довести этот показатель до 50%. Если посмотреть европейский «разрез» по установленной мощности ветровых энергоустановок, то видно, что лидирующее положение в Европе занимает Германия (18 млн КВт), затем Испания (около 10 млн КВт), Дания и Голландия, где имеются мощности свыше одного миллиона киловатт.

Табл. 2 Ветряные мощности в 2005 году³

Ввод новых мощностей в 2005 году⁴

Как действует ветроэнергетика

В Большой Советской Энциклопедии ветроэнергетика определяется как «отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, электрической и тепловой энергии и определяющая области и масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве». Ветроэнергетика состоит из 2 основных частей: ветротехники, разрабатывающей теоретические основы и практические приёмы проектирования технических средств (агрегатов и установок), и ветроиспользования, включающего теоретические и практические вопросы оптимального использования энергии ветра, рациональной эксплуатации установок и их технико-экономических показателей, обобщение опыта применения установок в народном хозяйстве.

Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высота башни 70 метров, диаметр лопастей 90 метров. Самые большие в мире ветрогенераторы  выпускает немецкая компания REpower (REpower Systems^(нем.)). Диаметр ротора этой турбины 126 метров. Мощность таких установок доходит до 6 МВт, вес гондолы - 200 тонн, высота башни - 120 м.

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где еще встречаются и двухлопастные. Были попытки построить ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, т.е. с вертикальным расположением оси вращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скорости ветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главная проблема таких генераторов — механизм торможения. В силу этой и некоторых других технических проблем ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения в ветроэнергетике.

Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше) строятся офшорные фермы. Башни ветрогенераторов устанавливают фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Также могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания⁵.

Ветроэнергетика использует результаты аэрологических исследований, на базе которых разрабатывается ветроэнергетический кадастр. По его данным выявляют районы с благоприятным ветровым режимом, устанавливают виды работ, где применение ветровой энергии целесообразно и экономически выгодно по сравнению с другими энергоисточниками.

Достоинства и недостатки

Ветровая энергия, наряду с солнечной и водной, принадлежит к числу постоянно возобновляемых и, в этом смысле, вечных источников энергии, обязанных своим происхождением деятельности Солнца. Вследствие неравномерного нагрева солнечными лучами земной поверхности и нижних слоев земной атмосферы, в приземном слое, а также на высотах от 7 до 12 км возникают перемещения больших масс воздуха — ветер. Он несёт колоссальное количество энергии: почти 2 % энергии всей солнечной радиации, попадающей на Землю. Потенциальные ресурсы ветровой энергии на всей территории России определены в 10,7 ГВт.

К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю, что особенно важно для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удалённых от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 квт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах. Надо также не забывать и о том, что ветроэнергетика — это экологически чистая энергия и установление ветроустановок не наносит вреда природе.

В то же время существуют и недостатки ветроэлектростанций, которые затрудняют их внедрение. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника — непостоянство его скорости (а, следовательно, и энергии) во времени. Ветер характеризуется не только многолетней и сезонной изменчивостью — известно, что он может менять скорость и направление в течение очень коротких промежутков времени. В зонах с умеренным ветровым режимом (среднегодовая скорость ветра 5 м/с) на 1 км² можно получить годовую выработку электроэнергии около1 млн квт·ч.

Мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому, даже относительно небольшие его изменения приводят к значительным колебаниям мощности, развиваемой ветродвигателем. На уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭС мощностью 850 кВт уровень шума составляет 104 дБ. Система управления углом атаки способна уменьшить его, но очень незначительно. Но на расстоянии 300 м шум снижается до 42—45 дБ (на оживленной улице наши уши страдают больше). К тому же в России есть возможность смонтировать установку на расстоянии 700—1000 м от застройки. К сожалению, помимо шума, воспринимаемого человеческим ухом, вокруг ВЭС возникает опасный инфразвук частотой 6—7 Гц, вызывающий вибрацию. Кроме того, ВЭС могут затруднить прием телепередач.

На Западе некоторые проблемы, связанные с работой ветроэлектростанций, удалось решить еще в середине 1990-х годов. Был снижен уровень шума и вибраций путем подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Кроме этого, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом, чтобы птицы не попадали под вращающиеся лопасти.

Типы ветроэлектростанций

Ветроэлектростанции XXI века мало чем напоминают своих древних собратьев — ветряные мельницы, хотя принцип работы ветроагрегатов практически не изменился: под напором ветра вращается колесо с лопастями, передавая крутящий момент другим механизмам, причем чем больше диаметр колеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и быстрее вращается.

Сегодня в мире широко распространены ветродвигатели двух типов: крыльчатые и карусельные. Встречаются еще барабанные и некоторые другие оригинальные конструкции.

Крыльчатые ВЭС — их еще называют ветродвигателями традиционной схемы — представляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения (самый простой аналог — детская вертушка). Система устанавливается в самое выходное положение в потоке ветра с помощью крыла-стабилизатора (наподобие флюгера). На мощных станциях, работающих на сеть, для этого используется электронная система управления рысканием. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую (без мультипликатора), мощные станции оснащают редуктором. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС (намного выше, чем у других ветряков, недаром они занимают более 90 % рынка.

Карусельные, или роторные, ВЭС с вертикальной осью вращения (на вертикальную ось «насажено» колесо, на котором закреплены «приемные поверхности» для ветра), в отличие от крыльчатых, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Ветродвигатели этой группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра.

Есть и оригинальные проекты, появившиеся не так давно — это ВЭС принципиально новой конструкции, состоящие из фундамента, трехопорного несущего основания и смонтированного на нем кольцеобразного генератора со встроенным подшипником и центральным ротором. Кольцо генератора может достигать в диаметре 120 м и более. Другой пример — многомодульная ветроустановка, состоящая из одного-двух десятков небольших ветроагрегатов. Конструкции ВЭС постоянно совершенствуются: улучшаются их аэродинамика и электрические параметры, уменьшаются механические потери и т.д.

Быстро, выгодно, удобно

Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе сегодня составляют 1200—1400 долларов на 1 кВт установленной мощности. Себестоимость энергии — 3,5—7 центов за 1 кВт·ч (10 лет назад было 16 центов). При массовом строительстве ветроэлектростанций можно рассчитывать на то, что цена одного киловатт-часа существенно снизится и окажется сравнимой со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС.

Проекты ВЭС, работающих на сеть, для условий, например, очень ветреного Приморья окупаются за 5—7 лет, системы «ветро-дизель» — за 2 года. В дальнейшем сроки окупаемости ветроэлектростанций будут сокращаться.

Наша страна обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 млрд кВт·ч электроэнергии в год, поэтому работа больших и малых ВЭС на огромных российских пространствах могла бы быть высокоэффективна. Такие районы, как Обская губа, Кольский полуостров, большая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по мировой классификации относятся к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на высоте 50—80 м, где располагаются ветроагрегаты современных ВЭС, составляет 11—12 м/с, притом, что «золотым» порогом ветроэнергетике считается скорость ветра 5 м/с (это связано с окупаемостью станций).

Но, несмотря на благоприятные природные условия и большую привлекательность ветроэнергетики, в России до сих пор нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сельских поселков и дачных участков. Основная причина - отсутствие инвестиций и законодательной базы.

Действующие, строящиеся и проектируемые ВЭС

В 1992—1994 гг. было начато строительство Калмыцкой ВЭС мощностью 22 МВт (АО «Калмэнерго»), Заполярной ВЭС мощностью 2,5 МВт (АО «Комиэнерго»), Куликовской ВЭС мощностью 5,1 МВт (АО «Янтарьэнерго») и др. Строительство Калмыцкой и Заполярной ВЭС на базе отечественных установок с 1997 г. практически прекращено из-за отсутствия финансирования.

В настоящее время построены и действуют на немецком и датском оборудовании Маркинская ВЭС (АО «Ростовэнерго»), ВЭС на о.Беринга (АО «Камчатэнерго») и Куликовская ВЭС (АО «Янтарьэнерго»).

¹ http://ru.wikipedia.org/wiki/

² Перспективы мировой ветроэнергетики, GWEC, Greenpeace, 2006, с. 9

³ По данным: IEA Wind Energy, Annual Report 2005, International Energy Agency, 2006

⁴ По данным: IEA Wind Energy, Annual Report 2005, International Energy Agency, 2006

⁵ http://ru.wikipedia.org/wiki/