Использование энергии ветра: сущность, проблемы использования, перспективы развития в Республике Беларусь

     Проблемы  использования энергии  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.

     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. В 2010 году Минэнерго ввело в эксплуатацию ветроэнергетические установки суммарной мощностью около 20 МВт. В 2008, согласно плану, были построены ветроустановки 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. 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.2.

      Рис.2. Взаимодействие вращающейся лопасти с ветровым потоком: х_в — вектор скорости ветра; х_1' х₂ — относительные скорости обтекания; щ_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 щ_л относительная скорость обтекания цилиндра воздушным потоком х' будет меньше аналогичной скорости х₂, 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 х₀ = 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 щ_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.

     В последнее время на Брестчине  все больше внимания обращается на рациональное использование ветровой энергии. Пружанское отделение районных электросетей РУП «Брестэнерго»  приняло решение о возведении ветроэнергетической установки. Специалисты  НПО «Малая энергия» (г. Минск) с ноября 2006 по апрель 2007 года провели мониторинг местности и атмосферных явлений  в районе д. Могилевцы. Они пришли к выводу, что ВЭУ мощностью  в 1 МВт позволит получить 2,5 млн. кВт/ч. Этого достаточно для обеспечения  электроэнергией среднего сельхозпредприятия, что составит 3% от потребляемой энергии  в Пружанском р-не. В июле 2007 года аналогичный мониторинг проведен возле д. Головчицы. Планируется разработка проектно-сметной документации и строительство первой на Пружанщине ВЭУ. Она будет установлена на высоте 65 м. Размах ее лопастей – 60 м. Работа установки возможна даже при незначительном ветре – 3,5 м/сек. Оптимальная скорость ветра для производства электроэнергии – 12 м/сек. Во время урагана установка перестает работать, и включается при снижении его силы. Преимущество ВЭУ в том, что она работает в те часы, когда наблюдается пик потребления электроэнергии – главным образом днем и в холодное время года. Срок окупаемости одной установки - от 3,5 до 6 лет. По подсчетам специалистов, ветряный потенциал Беларуси – 250 млрд. кВт/час в год. Наиболее приемлемыми регионами по использованию энергии ветра являются Гродненская и Минская области. Северные районы Брестчины тоже считаются подходящими для строительства ВЭУ, чем и воспользовались энергетики Пружанского района.То, что энергию ветра можно довольно эффективно использовать в нашей республике, подтверждают ветроэнергетические установки, которые действуют на протяжении нескольких лет в Нарочанском крае. На въезде в д. Занарочь германским благотворительным общественным объединением «Дома вместо Чернобыля» для переселенцев из Чернобыльской зоны были построены две ВЭУ. На 50-метровой башне установлена ветровая турбина Nordex мощностью 250 кВт, а на 60-метровой цельнометаллической опоре – Repower мощностью 600 кВт. Обе установки производят в год около 140 кВт электроэнергии. Ученые ведут постоянное наблюдение за их работой. Анализ данных показывает, что наши показатели ничуть не хуже, а иногда даже лучше зарубежных Ветер нашу республику не обходит стороной. Остается только использовать его бесплатную энергию.

     Основным  направлением использования ВЭУ  в нашей республике на ближайший  период будет применение их для привода  насосных установок и как источников энергии для электродвигателей. Перспективны ВЭУ в сочетании  с МГЭУ для перекачки воды. Эти  области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки. Готовится к серийному выпуску ветроустановка мощностью 5-8 кВт, устойчиво работающая при скорости ветра 3,5 м/с. Разрабатывается и готовится к испытаниям более мощная ВЭУ с горизонтальным ветроколесом. 
 

     Список  литературы 
 

1. Черноусов С.В. Энергетика Беларуси смотрит в  будущее. – Мн.: Энергоэффективность, 2006. - №1.
2. Малтинский М. Энергию приносит ветер. №1.Наука и жизнь, 2005.

     Приложение 1 

     Сила  ветра по шкале Бофорта и ее влияние на условия работы ВЭУ