Нетрадиционная энергетика – сущность, виды, перспективы развития в Республике Беларусь

Векторная диаграмма сил и скоростей  в сечении лопасти быстроходного  ветроколеса: υ_в — скорость ветра; ωR — окружная скорость сечения лопасти; υ_п — скорость набегающего потока; R — радиус вращения сечения лопасти; φ угол установки лопасти; а— угол атаки; F_a — полная аэродинамическая сила; F_n — подъемная сила; F_c — сила лобового сопротивления.

Для сечения лопасти, удаленного от центра вращения на расстояние R (радиус вращения), при угловой скорости вращения (ω линейная скорость кругового движения (окружная скорость) сечения будет равна ωR. Вектор этой скорости расположен в плоскости вращения ветроколеса. Для данного сечения воздушный поток набегает с относительной скоростью υ_п' которая будет превышать скорость ветра υ_в' так как она складывается (векторно) из υ_в и окружной скорости ωR. Возникающая аэродинамическая сила F_a раскладывается на подъемную — F_п' создающую вращающий момент в направлении вектора окружной скорости ωR, и на силу лобового сопротивления F_c' действующую против направления вращения лопасти. Меняя угол установки лопасти φ путем ее поворота, можно изменять величину и направление векторов сил, действующих на лопасть. Этим достигается регулирование частоты вращения ветроколеса, ограничение его мощности, а также пуск и остановка ветродвигателя. Мощность (кВт), развиваемая на валу ветроколеса, приближенно можно определить по формуле

Р_вк = 3,85∙10^-4∙р∙ D² ∙υ_в^З∙К_исп'

где р — плотность воздуха, кг/м³; υ_в — скорость ветра, м/с; D — диаметр ветроколеса, м; К_исп — коэффициент использования энергии ветра.

Предельное  значение К_исп для быстроходного идеального ветроколеса определено русским ученым Н. Е. Жуковским и равно 0,593. Из формулы видно, что Р_вк пропорциональна υ_в³, что и определяет необходимость регулирования скорости вращения ветроколеса для обеспечения постоянства развиваемой мощности. Тихоходное ветроколесо конструктивно может быть выполнено в виде лопастных колес, с числом лопастей от 6 и более. Кроме того, имеются разработки тихоходных ветродвигателей карусельного, барабанного, парусного типов и др. Значение К_исп для многолопастных ветроколес не превышает 0,38, для карусельного ветродвигателя — меньше 0,18. Особенностью всех тихоходных ветродвигателей является то, что они при небольшой скорости вращения развивают большой вращательный момент. Регулирование частоты вращения и ограничение мощности достигается путем поворота оси вращения ветроколеса от направления ветра, уменьшением площади рабочих поверхностей ветроколеса и др. В зависимости от ориентации оси вращения рабочего органа (ветроколеса, ротора и др.) ветродвигатели делятся на горизонтально - и вертикально-осевые. Горизонтально-осевые — это такие, у которых ось вращения ветроколеса расположена вдоль направления ветрового потока. Для нормальной работы такие ветродвигатели требуют установки плоскости вращения ветроколеса перпендикулярно вектору скорости ветра. Вертикально-осевые имеют ось вращения рабочего органа, расположенную вертикально относительно горизонтальной плоскости. Для таких устройств не требуется установка на ветер.

4.3 Ветряные мельницы на службе человека

Стремление  освоить производство ветроэнергетических  машин привело к появлению  на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов. Сооружаются ветроэлектрические станции, преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину — генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении. В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие — на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями. На башне высотой 30,5 м укреплен генератор в поворотном обтекаемом корпусе; на валу генератора сидит пропеллер с двумя алюминиевыми лопастями длиной 19 м и весом 900 кг. Агрегат начинает работать при скорости ветра 13 км/ч, а наибольшей производительности (100 кВт) достигает при 29 км/ч. Максимальная скорость вращения пропеллера составляет 40 об/мин. Так как наша страна находится в умеренной ветровой зоне, то нам особое внимание надо уделить на углы поворота лопасти, от которого зависит подача ветра в генератор, при планировании ВЭУ. Угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра. Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает. По данному типу спроектирована одна из ВЭС в Беларуси (ВЭУ в Мядельском районе мощностью 250 кВт. Высота мачты имеет существенное значение для ветроэлектрических установок. Уже на высоте 9 м скорость ветра, как правило, на 15—25% больше, чем в 1,5 м от земли, а даже небольшой прирост средней силы ветра позволяет получить от станции намного больше электроэнергии. По оценке белорусских ученых, существующие способы преобразования ветроэнергии в электрическую с помощью традиционных лопастных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в наших условиях пока экономически неоправданны. Во-первых, из-за высокой пусковой скорости ветра (4-5 м/сек), высокой номинальной скорости (8-15 м/сек) и небольшой годовой производительности в условиях слабых континентальных ветров, характерных для Беларуси — 3-5 м/сек; во-вторых, стоимость ВЭУ составляет $1000-$1500 на кВт установленной мощности. Поэтому будущее ветроэлектрических станций зависит в первую очередь от затрат на их сооружение.

4.4 Как хранить энергию ветра?

При использовании ветра возникает  серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Существует несколько способов сохранения энергии:

• Простейший способ – ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.
• Другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива.
• Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Решающим  фактором, который определит, значителен ли будет вклад ветровой энергии  в удовлетворение потребностей человечества в энергии, является возможность создания соответствующей технологии. Он связан в основном с национальной энергетической политикой, затратами и приемлемостью таких установок для населения. Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в диапазоне от 100 Вт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе существующих энергетических систем. В дополнение к традиционным направлениям освоения ветровой энергии обсуждался ряд других возможностей ее использования, а именно:

• производство удобрений с использованием ветровой энергии. В этом случае электроэнергии, выработанная ветроэнергетическим агрегатом, используется для получения электрических разрядов в воздушном потоке. Образующиеся при этом окислы азота поглощаются водой, превращаясь, в раствор азотной кислоты. Ведется исследование прототипов систем такого рода. Учитывая большую потребность мира в азотных удобрениях, создание первоначально небольших систем, основанных на этой принципе для производства удобрений в отдаленных районах, особенно на островах и в горах, могло бы обеспечить снижение расходов на их транспортировку;
• использование с помощью существующей технологий электролиза электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетическими установками, для производства водорода и кислорода;
• использование ветроэнергетических установок в районах с холодным климатом для производства сжатого воздуха, который затем подается по трубам на дно рек, где он выпускается через отверстия, чтобы воспрепятствовать замерзанию воды;
• использование ветровой энергии для производства сжатого воздуха. Этот подход может найти применение для аэрации прудов при разведении рыб, а также водоемов, испытавших неблагоприятные экологические воздействия.

4.5 Перспективы использования энергии ветра в агропромышленном комплексе Республики Беларусь

В 1999 году были построены ветроэлектроустановки на ветреной возвышенности в деревне Дружная (Мядельский район). Эта немецкая ветроустановка мощностью в 250 кВт является первой в Беларуси. Вторая ветроэлектроустановка мощностью в 600 кВт была построена осенью 2001 года; 18-го мая 2002 года состоялось ее торжественное открытие, за 2007 год ими выработано 1,58 млн. кВт∙ч электроэнергии. Коэффициент использования данных установок 25%, что является нормальным показателем. Необходимо отметить, что и сама деревня Дружная является уникальным полигоном экологических технологий строительства. Среди трех десятков построенных здесь комфортных экодомов есть дома из глиносоломенных смесей, дома из щепы с глиной, здесь же находится первое в СНГ строение из соломенных блоков. Самый мощный в РБ фотоэлектрический коллектор находится тоже здесь. Подобную, но меньшую площадку планируют создать в Минске, начав со строительства в 2008 году 2 энергопассивных экодомов, которым не нужны системы отопления за счет супертеплоизоляции стен соломенными блоками и использования солнечных коллекторов для сезонного аккумулирования тепла. Территория республики Беларусь находится в умеренной ветровой зоне. Стабильность скорости ветра составляет 4-5 м/с и соответствует нижнему пределу устойчивой работы отечественных ВЭУ. Это позволяет использовать лишь 1,5-2,5% ветровой энергии. К зонам, благоприятным для развития ветроэнергетики, со среднегодовой скоростью ветров выше 5-5,% м/с, относится 20% территории страны. Наиболее эффективно можно применять ВЭУ на возвышенностях большей части севера и северо-запада Беларуси и в центральной части Минской области, включая прилегающие к ней районы с запада. В ближайшее время развитие использование энергии ветра получит новый импульс. К 2010 году Минэнерго планирует ввести в эксплуатацию ветроэнергетические установки суммарной мощностью не менее 15-20 МВт. В текущем году, согласно плану, планируется также построить ветроустановку в РУП «Гродноэнерго» и ОАО «Гроднохимволокно». В Государственной программе Республики Беларусь прогнозируемые годовые объемы использования энергии ветра для получения электроэнергии к 2012 г. оцениваются в 9,31 млн. кВт∙ч при общей установленной мощности 5,2 МВт. На 1 января 2005 г. общая мощность ВЭУ составила 1,1 МВт, объем замещения по вырабатываемой электроэнергии около 3,25 млн. кВт∙ч в год [10]. Всего на территории республики выявлено 2000 площадок (наибольшее количество находится в Минской, Витебской и Гродненской областях), пригодных для размещения ВЭУ промышленного типа, с общей мощностью около 1600 МВт. В Беларуси в соответствии с проектом до 2014 года предлагается ввести всего 10 ветроустановок с общей мощностью 15 МВт. Они позволят суммарно вырабатывать около 44 млн. кВт∙ч электроэнергии в год, окупаемость таких проектов не превысит 14 лет. Согласно расчетам экспертов, ветроустановка мощностью 1 МВт в течение 20 лет позволяет заместить примерно 29 тыс. т угля. Кроме того, сокращаются выбросы углекислого газа и других веществ в атмосферу. К тому же, продажа на углеродном рынке объемов сокращения выбросов парниковых газов от предполагаемого ветропарка может принести дополнительный доход в 500 тыс. евро за 5 лет. Учитывая то, что быстроходные ВЭУ в нашей стране неэффективны, так как для них требуется минимальная расчетная скорость ветра не менее 10 м/с; а тихоходные ВЭУ менее технологичны в производстве и сложнее в эксплуатации, в Беларуси разрабатываются ВЭУ, работающие на основе использования эффекта Магнуса, когда в качестве аэродинамических элементов используются не лопастные, а вращающиеся усеченные конусы специальной формы (роторы), подъемная сила в которых многократно (в 6-8 раз) превосходит подъемную силу в лопастях. Главное их преимущество состоит в том, что они могут эффективно работать при скоростях ветра, характерных для условий Беларуси. Взаимодействие цилиндрической лопасти с ветровым потоком показано на рис.7.

Рис.7. Взаимодействие вращающейся лопасти с ветровым потоком: υ_в — вектор скорости ветра; υ_1' υ₂ — относительные скорости обтекания; ω_л — угловая скорость вращения лопасти вокруг своей оси; F_м — сила Магнуса.

Сила  Магнуса (F_м), направленная в сторону вращения ветроколеса, указанного на рисунке, возникает из-за разности давлений обтекающего эту лопасть ветрового потока. При вращении цилиндрической лопасти с угловой частотой ω_л относительная скорость обтекания цилиндра воздушным потоком υ' будет меньше аналогичной скорости υ₂, что и является первопричиной возникновения силы F_м.

В нашей  республике ведутся работы по созданию ВЭУ. Отличительная особенность: они  вступают в работу при скорости ветра υ₀ = 3 м/с. Коэффициент использования энергии ветра ветроколесом с цилиндрическими лопастями близок к 0,5. Регулирование скорости вращения ветроколеса осуществляется путем изменения угловой скорости вращения лопастей ω_л. В 1996 г. была создана и испытана экспериментальная ветроустановка ВЭУ-250 (см. Приложение 2). Однако освоение производства таких ВЭУ требует дополнительных исследований, создания соответствующих производственных мощностей и финансирования.

Для ряда сельскохозяйственных объектов, удаленных от линии электропередач, газопроводов и других коммуникаций, перспективным является использование для автономного энергоснабжения ВЭУ малой мощности, Р_н ≤ 10 кВт. Еще в бывшем СССР было налажено серийное производство маломощных ВЭУ, типа АВЭУ (автоматическая ветроэлектрическая установка)-6-4(Приложение 2), способных обеспечивать в автономном режиме, при наличии аккумуляторной батареи и преобразователя напряжения, потребности в электроэнергии небольшого фермерского хозяйства. Из ВЭУ такого класса представляет интерес установка ВЭУ-2000(Приложение 2), разработанная на основе высоких технологий авиакосмической промышленности и способная автономно обеспечивать электроэнергией небольшие объекты даже в областях с низкими значениями средней скорости ветра. Ёмкость аккумуляторной батареи для подобных автономных установок выбирается из необходимости обеспечения энергоснабжения при отсутствии ветра в течении 2...3 суток. Еще более надежное электроснабжение обеспечивается при дополнении ВЭУ солнечными батареями.

В середине августа 2007 года в СЭЗ (свободная экономическая зона) «Брест» начала работать первая на Брестчине ветроэнергетическая установка.

Энергия ветра, преобразованная в электрическую, используется на автозаправочной станции, принадлежащей совместному белорусско-итальянскому предприятию «БелТрансОйл». СП (совместное предприятие) «БелТрансОйл» в сутки потребляет 30-35 кВт/ч электроэнергии, что обходится предприятию в течение года в 50 тыс. долларов. Использование ВЭУ позволит экономить до 10% финансовых средств. Здесь итальянская новинка воспринимается как экспериментальная. Преследуется цель выяснить, чему равна скорость ветра на окраине г. Бреста в течение года. Ведь равнинная местность Брестской области считается наименее перспективной для подобных проектов. Но, многолетние наблюдения показали, что есть зоны, где скорость ветра увеличивается за счет ветровой тяги. К такой зоне относится и пойма р. Лесная, в районе которой установлена новая ВЭУ. Если с ее помощью СП «БелТрансОйл» это утверждение подтвердится, то руководство предприятия намерено установить еще одну подобную ветровую турбину мощностью 1,2 МВт. Прорабатываются возможности использования ВЭУ в других регионах Брестчины. Наиболее привлекателен в этом плане Барановичский район.