Аннотация:Уважаемые читатели Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология»! Этот номер посвящен ветроэнергетике, ее истории и перспективам развития.
Истоки ветроэнергетики уходят в далекое прошлое. С древних времен люди использовали энергию ветра. Первоначально человек научился преобразовывать кинетическую энергию воздушного потока в механическую. Первым ее практическим применением стало использование энергии ветра для движения парусных судов. Считается, что их изобрели древние египтяне, которые 7 тыс. лет назад стали использовать ветер, чтобы переплывать Нил на лодке с помощью паруса.
Следующим шагом в этом направлении стали ветряные мельницы. Предполагается, что древнейшие из них были построены в Вавилоне около 1750 г. до н. э. В Европе первая ветряная мельница для помола зерна была построена лишь в XII веке. А к XIV столетию в Голландии началось использование энергии ветра для откачивания воды с полей, ведь значительная часть ее территории находится ниже уровня моря и часто затапливается. На протяжении длительного времени ветряные мельницы наряду с водяными мельницами были единственными машинами, которые применяло человечество. Подобные мельницы использовались в основном для помола муки, деревообработки (лесопилки) и в качестве насосных или водоподъемных станций. Кроме этого, встречались мельницы, предназначенные для помола древесной коры с целью использования в кожевенном производстве, для резки металлопроката, измельчения руды некоторых цветных металлов и семян масличных культур. Они применялись также в текстильном производстве, при изготовлении ковров, производстве пороха и т.д.
Длительное время энергия ветра занимала лидирующее положение в числе других видов энергии, используемых человеком. Тысячелетиями она была практически единственным фактором, обеспечивающим судоходство. К тому времени, когда изобретение паровой машины привело к резкому снижению значимости парусных судов, возросла роль ветряных мельниц. Их распространение было очень широким. Например, в прибрежных районах Франции в конце XVIII века насчитывалось около 10 000 ветряных мельниц. К 1900 году в Дании было приблизительно 2 500 ветряных мельниц. За период 1880-1930 гг. в США использовалось для перекачки воды, работы предприятий и выработки электроэнергии около 6 млн. ветровых установок.
Новым этапом ветроэнергетики стало производство электроэнергии с помощью ветра, которое началось в 1880-е годы. Вначале объемы ее производства были ничтожны и не имели практической значимости. Однако постепенно происходил рост удельного веса ветроэнергетики в энергобалансе. Надо отметить, что в начале XX века наша страна была лидером по использованию энергии ветра. В России до революции насчитывалось около 250 тысяч ветряков. На рубеже 1920-30-х годов в СССР работал Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ). Тогда же в Балаклаве (Крым) была разработана и построена крупнейшая в мире ветроэлектрическая станция (ВЭС) мощностью 100 кВт. В 30-х гг. XX века у нас было освоено производство разнообразных ветроэнергетических установок мощностью 3-4 кВт, которые выпускались серийно. Однако в 1950-е гг. серийное производство ветродвигателей было прекращено из-за невозможности конкурировать с интенсивно развивающейся единой Союзной энергосистемой.
В наиболее развитых странах в середине XX века по соображениям экологической безопасности и ограниченности природных ресурсов были приняты государственные программы по развитию альтернативной энергетики, в которых важная роль отводилась использованию энергии ветра. Особенно этому способствовал мировой энергетический кризис 1973 года. Однако поскольку наша страна его практически не ощутила, это не привело к серьезным последствиям в этой сфере. Тем не менее, в то время было организовано НПО «Ветроэн», разработаны программы развития и выпущены опытные образцы ветроэнергетических установок разной мощности. Ветроэнергетика же развитых стран Европы и Америки в 1980-90-х годах пережила настоящий взлет и ее значение в общем балансе вырабатываемой электроэнергии существенно возросло.
В России к началу XXI века также появилось понимание необходимости развития альтернативной энергетики, в том числе и ветроэнергетики. Так, 28 августа 2003 г. появилось распоряжение Правительства Российской Федерации № 1234-р, которым была утверждена «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года». В частности, в нем отмечалось, что 70% территории страны с населением более 10 млн. человек не имеет централизованного электроснабжения и обеспечивается за счет использования дизельных электростанций малой мощности (от 30 до 100 кВт). Отдаленность нескольких тысяч северных и восточных поселков в совокупности с отсутствием надежных коммуникаций делает проблематичной и дорогостоящей поставку топлива для дизельных электростанций. За счет использования в составе ветродизельных установок современных ВЭУ можно обеспечить выработку более 50% требуемой энергии за счет ветра и добиться соответствующего снижения потребности в дизельном топливе.
Во многих зарубежных странах развитие ветроэнергетики идет очень быстрыми темпами и для преодоления отставания России в этой сфере требуются значительные усилия. Что касается завтрашнего дня ветроэнергетики, то очевидно, что помимо экстенсивного развития по пути увеличения количества и мощности ветроэнергических установок имеются и другие резервы ее развития.
8 января 2009 г. Председатель правительства РФ В.В. Путин утвердил основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года. Согласно распоряжению, на период до 2020 года устанавливаются следующие значения целевых показателей объема производства и потребления электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии (кроме гидроэлектростанций установленной мощностью более 25 МВт): в 2010 году – 1,5 процента; в 2015 году – 2,5 процента; в 2020 году – 4,5 процента. Минэнерго России осуществляет дифференцирование указанных значений по каждому из видов возобновляемых источников энергии, а также введение дополнительных индикативных целевых показателей (установленная мощность, производство электрической энергии и иные), характеризующих достижение установленных целей.
23 ноября 2009 г. Президент Российской Федерации Д.А. Медведев подписал Федеральный закон № 261–ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Данный закон призван не только сократить потребление энергии предприятиями, но и способствовать замещению традиционных источников энергии альтернативными.
Ключевой задачей при разработке или выборе на рынке той или иной системы автономного энергопитания является определение места расположения установки, ее оптимальной конструкции, конфигурации и состава системы электропитания с учетом климатических условий района предполагаемой эксплуатации, а также особенностей нагрузки. Система электропитания должна обеспечивать высокий показатель гарантированности энергоснабжения рассматриваемого потребителя, иметь приемлемые размеры и стоимость, высокую надежность, продолжительный срок службы при минимальных затратах на обслуживание. Соответствие перечисленным требованиям должно обеспечивать конкурентоспособность таких систем по сравнению с традиционными техническими решениями – прокладкой протяженных кабельных линий или, в случае отсутствия электрических сетей, автономным электропитанием от бензиновых, газовых и дизельных электрогенераторов.
В ряде стран за счет совершенствования технологий ветроэнергетика выделилась в отдельную отрасль (Дания, Бельгия, Германия, США, Китай) и уверенно конкурирует с традиционной энергетикой. В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэнергетических установок традиционные горизонтально–осевые установки (ГО ВЭУ), конструкции которых известны много лет, составляют более 90%, а их серийным выпуском занимаются несколько сот предприятий [1, 2]. Отставание в освоении вертикально–осевых ВЭУ (ВО ВЭУ) вызвано несколькими причинами. Вертикально–осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально–осевых (ротор Савониуса – в 1929 г., ротор Дарье – в 1931 г., ротор Масгроува – в 1975 г.). До недавнего времени считалось, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально–осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально–осевых пропеллерных, по причине чего этот тип ВЭУ почти 40 лет вообще не разрабатывался [3]. И только в 60–х – 70–х годах XX века сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, Эванса и Масгроува, использующим подъемную силу лопастей. Для этих роторов указанное максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра не ниже, чем у горизонтально–осевых пропеллерных ВЭУ [3, 4, 5]. Играет определенную роль и то обстоятельство, что объем теоретических исследований принципиально новых вопросов аэродинамики ротора и опыт разработки, отработки и эксплуатации вертикально–осевых ВЭУ гораздо меньше, чем горизонтально–осевых пропеллерных [2]. Вертикально–осевые ВЭУ получили интенсивное освоение с начала 80–х годов XX века, причем диапазон их мощностей в настоящее время непрерывно расширяется и достиг 4 МВт (установка мощностью 4,3 МВт проходит испытания в Канаде с 1987 г.).
Единичная мощность крупных ВЭУ достигла 6 МВт, а стоимость установленного оборудования снизилась до $0,5 за Ватт. Однако интерес к малым ВЭУ также растет по ряду причин: стремление потребителей к автономному энергоснабжению, доступность и простота монтажа, обслуживания, ремонта и т.д. При этом стоимость малых ВЭУ, используемых для автономного энергоснабжения, неуклонно снижается за счет развития технологий производства комплектующих, снижения установочных расходов и т.д. Сегодня стоимость малых ВЭУ составляет от $1 до $20 за Ватт установленной мощности.
Наряду с тенденцией к укрупнению установок и снижению удельной стоимости установленной мощности наблюдается также тенденция приближения малых ВЭУ к местам проживания человека (стремление установить ВЭУ на кровле загородного коттеджа или многоэтажного дома, строении или сооружении) [6]. Такие решения весьма привлекательны как с технической, так и экономической точки зрения, и реализованы в США, Канаде, Европе, Индии, Китае [7–9]. В России эта тенденция также прослеживается, что подтверждается растущим объемом заявок от потенциальных потребителей на размещение ВЭУ до 30 кВт непосредственно на жилых домах [6]. Количество подобных заявок составляет свыше 10% от общего числа, что может характеризовать потенциальный рынок этих ВЭУ. Кроме этого, в России растет активность агропромышленного сектора в части внедрения автономного энергоснабжения удаленных автономных объектов (энергопитание фермерских хозяйств, рыболовецких артелей, тепличных комплексов и т.д.) [10].
В районах Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири более половины бюджета тратится на завоз топлива для обеспечения энергоснабжения. Исследования показывают, что 70–90% энергетических потребностей можно обеспечить за счет возобновляемых источников энергии, в том числе ветроэнергетических установок [11, 12]. Причем в условиях децентрализации в выигрыше оказываются малые автономные ВЭУ.
C учетом соответствующих мировых тенденций и опыта внедрение ВЭУ малой, сверхмалой мощности, а также микро–ВЭУ является экономически выгодным мероприятием, не требующим больших бюджетных затрат [13]. При этом внедрение автономных малых установок до 30 кВт может обеспечить полным или частичным энергоснабжением малые жилые объекты, офисные помещения, небольшие производственные цеха с целью создания инфраструктуры на удаленных территориях страны [14].
При всем разнообразии ветроэнергетических установок, несмотря на особенности конструкций и мощностных характеристик очевидно, что одним типоразмером невозможно обеспечить потребности не только страны, но и отдельно взятого региона. В связи с этим дискуссии на тему преимуществ и недостатков тех или иных ВЭУ продолжаются и у потребителя есть выбор из колоссального количества предлагаемых вариантов, практически каждый из которых имеет право на существование…
Литература
1. Лятхер, В.М. Развитие ветроэнергетики / В.М. Лятхер // Малая энергетика. – 2006. – №1–2 (4–5). – С. 18–38.
2. Концепция использования ветровой энергии в России. Комитет Российского Союза научных и инженерных общественных организаций по проблемам использования возобновляемых источников энергии. / под ред. П.П. Безруких – М.: Книга–Пента, 2005. – 45 с.
3. Галась, М.И. О целесообразности создания вертикально–осевых ветроэлектрических установок мегаваттного класса / М.И. Галась, Ю.П. Дымковец, Н.А. Акаев, И.Ю. Костюков // Энергетическое строительство. – 1991. – №3. – С. 33–37.
4. Безруких, П.П. Использование энергии ветра / П.П. Безруких.– М.: Колос, 2008. –С. 9–158.
5. Твайдел, Дж. Возобновляемые источники энергии / Дж.Твайделл, А.Уэйр / Пер. с англ. под ред. Коробкова В.А. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – С. 195–242.
6. Соломин, Е.В. Информация / Е.В. Соломин // ГРЦ–Вертикаль. – www.src–vertical.com. – С. 1.
7. Roof top wind turbines/ – http://www.youtube.com/watch?v=WZ5kX5Yw4eY.
8. Rooftop Wind Turbines Ready For Commercial Use. – http://www.metaefficient.com/renewable–power/rooftop–wind–turbines–ready–for–commercial–use.html.
9. Has Affordable, Efficient Rooftop Wind Power Arrived? – http://www.popularmechanics.com/home/improvement/energy–efficient/4321836.
10. Елистратов, В.В. Использование энергии ветра на северо–западе России / В.В. Елистратов // Электронный журнал энергосберегающей компании «Экологические системы». – 2009. – Вып.2. – http://esco–ecosys.narod.ru/2009_2/art229.htm.
11. Безруких, П.П. Состояние, перспективы и проблемы развития возобновляемых источников энергии / П.П. Безруких, Д.С. Стребков // Малая энергетика. – М.: НИИЭС, 2005. – №1–2 (2–3). – С. 6–12.
12. Грибков, С.В. Ветроэнергетические системы гарантированного энергоснабжения малой мощности – основа энергобезопасности малых хозяйств / С.В. Грибков // Форум «Нефтегазовый диалог» Института мировой экономики и международных отношений. Международный круглый стол «Возобновляемые источники энергии:перспективы в России», 2010. – http://www.imemo.ru/ru/conf/2010/251010/gribkov.pdf.
13. Соломин, Е.В. Предложение о сотрудничестве при производстве ветроэнергетических установок / Дж.Куль, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. – М.: НИИЭС, 2010. – №1. – С. 115–125.
14. Мартиросов, С.Н. Разработка метода выбора параметров комбинированных ветро–фотоэлектрических энергоустановок для автономного сельского дома / С.Н. Мартиросов. – М., 2001. – 133 с.