| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ветроэнергетика: панацея или экоутопия?
Шагают бараны в ряд, Их аргументы просты и понятны: " Ветер дует и будет дуть всегда, солнце светило и будет светить. Закрывайте "грязные" АЭС и ТЭС, стройте ветряки и солнечные батареи - спасайте природу!". Звучит, действительно, красиво, однако в рамках данной статьи я постараюсь показать, что существует ряд практически непреодолимых трудностей, из-за которых невозможно заменить существующие электростанции нетрадиционными источниками энергии. Привести описание плюсов и минусов всех вышеперечисленных источников нет никакой возможности, не только в одной статье, но и в рамках нашего сайта. Да и не ставим мы перед собой подобной цели. Всем, кто действительно интересуется данной проблематикой, можем только порекомендовать специальную литературу, ну а дальше по бессмертному лозунгу вождя мирового пролетариата. Что почем. В противостоянии с общественными экологами энергетики практически всегда оказываются правы. Экологисты марают бумагу просто с параноидальным рвением, превращая продукцию столь нелюбимых ими целлюлозно-бумажных комбинатов в страстные публикации. Эти никчемные энергетики зачем-то строят тепловые и атомные электростанции, когда можно просто-напросто воспользоваться подаренной природой возможностью получать необходимую электроэнергию, буквально из воздуха! Ветроэнергетика. Практически единственным её достоинством является возобновляемость. В кругах экологов-общественников также модно говорить и об её экологической чистоте, но это вопрос весьма спорный. Ведь производство ветроагрегата предполагает наличие: - меди в его генераторе (медеплавильный комплекс Карабаш - одно из самых экологически грязных (по данным Гринпис) мест на Земле), а если еще учесть количество этой самой меди на ед. мощности, в сравнении, скажем - с синхронными генераторами тех же АЭС… ну, об этом ниже; - углепластиков для лопастей (производство, и, особенно, утилизация которых происходит с выделением фосгена); - тефлона для трущихся поверхностей (побочный продукт производства - плавиковая кислота, разъедающая даже стекло); - свинца, кадмия и серной кислоты (а выделяющиеся при производстве серной кислоты SO2 и SO3 - основной компонент кислотных дождей) для аккумуляторов (зачем аккумуляторы обсудим позже ) и т.п. Я не стану задерживаться на преимуществах и псевдоприемуществах ВЭС, о них гораздо лучше написано на сайтах того же Гринписа или СоЭС. Попробуем объективно взглянуть на ветроэнергетику, и если уж она так хороша, то почему глупые энергетики до сих пор строят и эксплуатируют "грязные" электростанции? Таблица 1.
[Л.1] В таблице 1 приведены сравнительные капитальные затраты на строительство электростанций разных типов. Возникает резонный вопрос - "почему такой разброс в затратах на сооружение ВЭС?". Все-таки 30 или 60? Затраты на строительство ВЭС обратно пропорциональны количеству ветроагрегатов. Подробнее об этом далее. Таблица 2.
[Л.1] С себестоимостью энергии ветра дела обстоят похожим образом: Себестоимость электроэнергии, генерируемой ВЭУ обратно пропорциональна ее мощности. Это, всего лишь статистические данные. Уже слышу возражения, что и эта статистика говорит исключительно ЗА использование ветроэнергетических установок: строим больше мощных ВЭУ и начинаем платить лишь на 50-60% больше в сравнении с теми же ТЭС. И начинаем дышать чистым воздухом, а об ОЯТ вообще больше никогда не услышим. НО, не будем забегать вперед, кроме экономических есть еще и технические соображения! Типы ветродвигателей. Можно выделить два типа ветродвигателей: с горизонтальной осью вращения и вертикальной осью вращения. (см. рис.1)
рис.1 1 - горизонтальная ось вращения. 2 - вертикальная ось вращения. 3 - ортогональный ветродвигатель. Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (традиционные). Традиционность данного типа ветродвигателей объясняется величиной скорости их вращения. Они могут соединяться с генератором непосредственно, то есть без повышающего редуктора (при достаточно больших мощностях мультипликатор, практически всегда, обязателен). Скорость вращения данного типа ветродвигателей обратно пропорциональна количеству лопастей, поэтому широкое распространение получили агрегаты, имеющие две, либо три лопасти. Ветродвигатели традиционной компоновки подходят для генераторов малой мощности (надеюсь, что вы еще не забыли, что мы собрались строить исключительно ВЭУ большой мощности :)). Данная компоновка крайне неэффективна для агрегатов относительно(!) большой мощности: - Чем больше мощность, тем больше размер лопастей. (технические трудности в плане материалов) - На различных высотах ветры имеют различное направление. (технические трудности правильной ориентации агрегата; опасность разрушения лопастей) Мощность ВЭУ с данным типом ветродвигателя ограничена 1МВт(!!!) Но агрегаты такой мощности могут использоваться только в местах, где не требуется смена пространственной ориентации ветродвигателя, за редким исключением. В Германии была попытка создания и ввода в эксплуатацию ВЭУ данной компоновки мощностью 3МВт. Установка была демонтирована(!!!) в связи с эксплуатационными сложностями. Ветродвигатели с вертикальной осью вращения. Они тихоходны. С одной стороны - это преимущество - позволяет использовать достаточно простые электрические схемы, например с асинхронным генератором. Но многополюсные генераторы, работающие на малых оборотах, не имеют широкого распространения, поэтому придется использовать редукторы, а это крайне неэффективно. Причин неэффективности множество, вот лишь некоторые из них: - Низкий КПД (редуктор, как-никак) - Низкая надежность, что более существенно (все тот же редуктор). - Смазка - может на это и не стоит обращать внимание, но как мы увидим далее - этот момент достаточно существенен по причине присутствия необходимый для ветродвигателя ветров, по большей части, в северных широтах (температурные режимы). Все перечисленные недостатки мультипликаторов присущи не только ветроустановкам с вертикальной осью вращения, но также и ВЭУ с горизонтальной ОВ. Единая Энергетическая Система (ЕЭС) и ветроэнергетика.
Из невольно подслушанного разговора:
Надеюсь, что все помнят ленинское определение коммунизма. Ну, для тех, кто вдруг запамятовал - "Коммунизм - это советская власть плюс электрификация всей страны". Советской власти нет, а вот что касается электрификации всей страны - это есть, и это не отнять даже персонажу подслушанного мной разговора :). Правда, если быть до конца честным, то все-таки Владивосток с ЕС не связан линиями передачи мощности, а только синхронизирующей "перемычкой". Смысл создания единой энергосистемы один - экономическая выгода. Достигается оная примерно следующими мерами: - концентрация генерирующих мощностей, сопряженная с увеличением единичной мощности энергоагрегатов и электростанций; - резервирование мощностей, в зависимости от потребителей, обусловленное требованиями непрерывности технологических процессов и т.д., становится менее затратным, по сравнению с раздельно работающими электростанциями; - повышение надежности электроснабжения. - Расширение возможности маневрирования (минимумы / максимумы нагрузок) На данный момент в энергетике России базовую нагрузку несут ГЭС, АЭС и ТЭС, в зависимости от региона. Генерирующие мощности альтернативных источников электрической энергии, в том числе и ветроэнергетические, несоизмеримо малы. Давайте проанализируем возможность постепенной интеграции ветроэнергетики в вотчину Чубайса. Параллельная работа ВЭС и ЕЭС. Будь вы хоть трижды экологистом, которому становится не по себе лишь от одной мысли о том, что где-то дымят трубы ТЭС и ТЭЦ, работающих на углеводородном сырье, вы вряд ли захотите платить за потребляемую вами электрическую энергию больше, чем, скажем, 20% от вашего дохода. А чтобы этого не происходило, как мы выяснили выше, нам нужно сооружать достаточно большое количество ВЭУ относительно большой мощности, порядка 1МВт. Ну что ж, давайте представим, что по мановению волшебной к мощностям нашей единой энергосистемы добавились мощности достаточно большой ВЭС. Я бы с большим удовольствием не загружал вас информацией относительно режимов работы энергообъединения, устойчивости энергетических систем и переходных процессах в последних, но, так сказать, "вводный инструктаж" здесь обязателен. На данный момент любая энергосистема представляет собой сложный, хорошо отлаженный механизм. Практически любые режимы работы этого механизма математически промоделированы, в том числе аварийные и послеаварийные. Но ничего не стоит на месте, прогресс необратим, и энергосистемы, как, и все остальное, усложняются. Появляются новые мощности, новые потребители и новые требования к надежности работы системы. Как следствие, необходим пересмотр методов и алгоритмов расчета переходных процессов, внедрение новых систем автоматического регулирования и противоаварийной автоматики. Устойчивость системы - способность ее вернуться к начальному (не совсем к начальному, ну, это, ведь, вводный инструктаж) состоянию - один из основополагающих факторов надежного электроснабжения. Как правило, серьезные аварийные ситуации в энергосистеме сопровождаются появлением больших небалансов мощностей (отключение генераторных мощностей, ЛЭП, нагрузок). Появление небалансов мощностей и их распределение в системе приводит к серьезным отклонениям частоты и напряжения. Срабатывание средств противоаварийной автоматики вносит дополнительные возмущения в энергосистему. При неправильном срабатывании автоматики есть возможность потери внутрисистемных и межсистемных связей, что влечет за собой большие экономические потери и, зачастую, невозможность нормального энергоснабжения потребителей. Итак. В системе появилась генерирующая мощность - ВЭС. Я не буду касаться юридических вопросов, только скажу, что на данный момент нет законодательной основы для подключения импортных ветроагрегатов к нашим сетям. Приходится рассматривать исключительно импортные ветроагрегаты, так как отечественные разработки, по меньшей мере, не отвечают предъявленным нами мощностным требованиям, вернее, разработки, может, и отвечают, вот только путь от проекта изделия до изделия в нашей стране, наверное, самый долгий. Только не начинайте обвинять меня в том, что я опять выставляю Гринпис и др. в качестве лоббистов иностранных производителей ветроагрегатов. В данном случае импортные установки действительно лучше. Но есть несколько негативных факторов относительно импортных ветроагрегатов, и они достаточно существенны: - Отсутствие квалифицированных специалистов по обслуживанию данных установок. - Сложности системной интеграции (электрическая часть). ВЭС в сети! В общей энергосистеме! Исходя из этого факта, вернее, даже из его гипотетической возможности, специалисты обязаны просчитать все возможные режимы работы энергосистемы, составной частью которой, с недавних пор, является и ВЭС. ВЭС может быть принята во внимание, как значимый элемент системы, только в том случае, если ее мощность будет сопоставима с другими генерирующими мощностями системы, будь то ТЭС, АЭС либо ГЭС. Пусть так, мы ведь строим крупные ВЭС. Аварийные режимы работы энергосистемы, при которых появляется большой небаланс мощностей, достаточно редки. Каждое подобное отключение ("потеря" ЛЭП, генератора и т.п.) - ч.п. Это не обыденная ситуация, хотя и, безусловно, просчитанная. Последствия подобных аварийных отключений могут быть плачевны, в случае отказа автоматики - вплоть до выхода из строя оборудования. Но, даже в случае успешной работы всей автоматики, авария не проходит бесследно - меняется схема электроснабжения, некоторые узлы сети начинают работать с перегрузом. ВЭС - плохой "партнер" электрическим сетям и электростанциям, в силу своей природной ненадежности. Ветер дует с постоянной скоростью, только если это ветер от вашего вентилятора, запитанного от ЕЭС J. В связи с непостоянной скоростью и направлением ветра, которые могут меняться хоть по 10 раз в сутки, получаем n-ое количество аварийных отключений, со всеми вытекающими последствиями (см. выше), что, безусловно, неприемлемо для системы. Ну, так давайте размещать ВЭС только в местах с устоявшейся розой ветров, скажете вы. Согласен. Давайте. Ниже мы вместе поищем эти места на карте России :) Соответствие ВЭС предъявляемым ПУЭ требованиям по категорийности потребителей. Выдержки из Правил Устройства Электроустановок(ПУЭ): 1.2.17. Электроприемники I категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству … Электроприемники II категории - электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих мест … Электроприемники III категории - все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категорий … 1.2.18. Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания. Ну и как вам 1.2.18? ВЭС и потребители первой и второй категорий - несовместимы!!! Даже при резервировании ВЭС одним из традиционных источников питания такая схема электроснабжения неприемлема, так как ВЭС крайне ненадежный источник электроэнергии, не имеющий, в рамках установленных норм, возможности в полном объеме выполнять функции резервирующего элемента системы. Что же касается потребителей 3-й категории - наличие ВЭС в схеме их электроснабжения означает "всего лишь" внеплановые отключения электричества. То, против чего протестовали на митингах в середине 90-х. Та проблема, которая служит основной головной болью энергетиков Приморского края уже несколько лет. Проблема, которая стала причиной последнего по времени обострения молдавско-приднестровских отношений - со введением взаимной экономической блокады, альтернативных пограничных постов, объявлением мобилизации, специальным заседанием ПАСЕ и пр., и пр. - а начиналось "всего лишь" с внеплановых отключений Молдовой некоторых приднестровских районов от электроснабжения (там, где это позволяет схема прохождения ЛЭП.) Допустим, экологи-общественники не есть потребители третьей категории. Если принимать всерьёз то, что они о себе говорят - их отключение от электричества действительно приведёт к "опасности для жизни людей, значительному ущербу народному хозяйству" - но подумайте и о нас, сирых, простых гражданах. Нам-то тоже жить охота - а как без электричества "Скорую" вызывать? ВЭС и зависимость нагрузки от времени суток. Не секрет, что нагрузки энергосистемы неравномерно распределены как по временам года, так и по времени суток. По поводу изменения графика суточной нагрузки в ветроэнергетике, на данный момент не придумано ничего лучше, чем установка параллельно с ветроагрегатом дизель-генератора либо аккумуляторных батарей.* Чаще и этого не надо - требования к выполнению суточного графика просто-напросто отсутствуют, а недостающие для режима мощности "приходят" из вполне традиционных источников, нестабильность же поставки учитывается в цене за электроэнергию. * Есть разработки и даже ввод в эксплуатацию т.н. гидроаккумуляторов. ГА - представляет из себя емкость для накапливания воды в периоды минимумов нагрузки, соответственно в периоды максимума нагрузок ГА работает как обычная ГЭС. Область применения ГА не так широка, как могло бы показаться на первый взгляд. Использование гидроаккумуляторов экономически оправдано только в горной местности, строительство же ГА в равнинных условиях неприемлимо. DeWind D62m -1250 kW, как типичный представитель ветроагрегатов большой мощности.
Что, как я думаю, стоит отметить в характеристиках DeWind D62m -1250 kW: 1) Обязательно запомните - при какой скорости ветра данная ВЭУ дает номинальную мощность. 2) Меня, как человека немного сведущего в электрических машинах, сразу настораживает "переключаемость полюсов", то есть изменение числа пар полюсов генератора посредствам переключения схемы соединения обмоток. Зачем в данном случае генератор выполнен именно так, вполне понятно - все та же скорость ветра, изменяющаяся во времени. Если даже абстрагироваться от частоты выдаваемого напряжения, то качество электроэнергии обойти никак нельзя. Опять небольшой "экскурс", на этот раз в проектирование электрических машин :(. У генераторов есть такая характеристика, как коэффициент укорочения обмоток, что он из себя представляет, нам не столь важно, а важно то, что от него зависит. Зависит от него синусоидальность ЭДС. При проектировании и выполнении генераторов коэффициент укорочения стараются сделать оптимальным (если мне не изменяет память, то это 0,833) - именно при таком Ку "гасятся" 5-ая и 7-ая гармонические ряда Фурье. Достичь такого значения Ку при переменном количестве полюсов невозможно! В силу того, что генераторы данного типа имеют две схемы коммутации обмоток, а как следствие и два Ку, которые в свою очередь далеки от 0,833 - ЭДС данного источника несинусоидальна! Синусоидальность тока и напряжения - один из основных показателей качества электрической энергии. 3) Массогабаритные характеристики генератора с переключающимися полюсами резко отличаются от характеристик генератора той же мощности без оных, естественно в худшую сторону. 4) КПД в той же зависимости. 5) Ну и представьте, наконец, вентилятор высотой в 100 метров, да еще и под управлением Microsoft Windows :), вот когда действительно страшно становится. А вы АЭС, АЭС … какие АЭС!? Предлагаю гринписам новую фобию - громадные, практически неуправляемые, ветряки. Шучу, конечно, главное не принимайте за чистую монету, а то мало ли желающих борцунствовать, только дай повод… Упрощенная формула расчета мощности ветроагрегата: 
P - мощность в ваттах; pвозд - плотность воздуха (1,225 кг/м3); S - площадь ометания ротора, м2; v - скорость ветра, м/с; Kаэр - аэродинамический коэффициент (приблизительно 0,5); n - КПД. Ветры России. Tеперь мы подходим к главному, а именно к вопросу о состоятельности ветроэнергетики, исходя из имеющихся ресурсов в нашей стране. В принципе, можно ничего не добавлять к приведенной ниже карте - она говорит сама за себя. 
На карте приведены среднегодовые скорости ветров. Излишне говорить, что это не совсем объективный показатель, так как потребителя, в основном, интересует наличие напряжения в розетке. А, что делать в периоды штиля? - Запускать дизельгенератор? А оно вам надо? Иметь ветряк, дизельгенератор, аккумулятор и т.д. Кроме того, обратите внимание, где находятся "оптимальные" районы для внедрения ВЭС. Та зона, что на карте отмечена оранжевым, достаточно точно совпадает с зоной практически полного отсутствия промышленных предприятий, т.е. основных потребителей энергии (что, на самом деле, вовсе не случайно). Особенности же эксплуатации такой установки на юге - в Чечне и прилегающих районах - каждый может представить себе сам. Напоследок давайте проведем пару нехитрых расчетов по указанным выше формулам и узнаем - сколько (номинально мегаваттный) импортный генератор выдаст мощности, например, в Тверской области. И чем он "поможет" народному хозяйству.
Например, возьмем ваши бытовые электроприборы - что может быть проще!? Я буду ориентироваться на те, которые находятся рядом со мной, их, впрочем, немного: телевизор, холодильник, пара тройка ламп накаливания, да чайник с компьютером. Прикинул сейчас по последней оплате за электроэнергию(счетчик не "скручиваю" :) ) в последнем месяце получилось немногим более 300Вт. Ну, пусть будет так - 0,3 кВт - постоянная нагрузка на систему с моей стороны(это при том, что дома я практически не бываю). Как мы, надеюсь, выяснили, номинально мегаваттный ветрогенератор дает в тверской области приблизительно 350кВт. электрической мощности. Ну, что же, 1000 человек - вполне неплохо для стометрового монстра, - скажете вы. Позволю себе не согласиться. Почти 2000 часов в год ВЭУ не будет давать практически никакой энергии(!!!) Причем распределение этих 2000 часов крайне неравномерно как по времени года, так и по времени суток. И мы ведь брали только бытового потребителя, который в общей картине потребления электроэнергии малозаметен. Промышленность - вот потребитель. Остальное баловство. Вывод. Ветроэнергетика, как таковая, безусловно, имеет право на существование, это доказано успешным ее развитием во многих регионах мира. Обусловлено это развитие, прежде всего, наличием ветроресурсов в этих регионах. Сетевая интеграция не только сложна, но и практически невозможна. В свою очередь, ветроагрегаты, как автономные источники электрической энергии, кажутся вполне подходящим решением для районов, не связанных с ЕС и имеющих достаточные ветроресурсы (Крайний Север). Однако здесь возникают дополнительные трудности: одно дело завезти и смонтировать уже упомянутый DeWind D62m в Московской области, и совсем другое - в Ямало-Ненецком АО. Одна транспортировка конструктивных элементов башни чего стоит - а ведь на Таймыр их только вертолётом доставить можно. Да и скорость амортизации, и стоимость обслуживания в этих регионах будут отличаться разительно. Я, к сожалению, малокомпетентен в вопросах метеорологии и аэродинамики, но если учесть высоту ветроустановок (100 и более метров), то резонно возникает вопрос о влиянии достаточно мощных ВЭС на направления ветров - как, интересно, это согласуется с постулатами экологов - общественников о невмешательстве в биосферу? Как поведут себя воздушные потоки в районе ВЭС, я могу только гадать :(, но то, что движущиеся воздушные массы будут претерпевать сильные турбулентности, "отражаясь" от поверхности лопастей ветроагрегатов - однозначно. А если ветроустановок сотни… . ВЭС, занимающая достаточно большую территорию - нонсенс в условиях сегодняшней России. Как будет охраняться данный объект? Дорогостоящего оборудования - как грязи, территория огромна. Рай для "медоносов", которые умудряются срезать провода высоковольтных ЛЭП, находящихся под напряжением сотен тысяч вольт, что уж говорить про кабельно-коммутированную ВЭС :( НИРС и ОКР по сетевой ветроэнергетике в России практически не ведутся по вышеизложенным причинам, что вполне закономерно и правильно. Автономные ветроагрегаты, для снабжения электрической энергией непромышленных (сельскохозяйственных) районов, производятся и разрабатываются. Здесь, как мне кажется, стоит отметить опытно-экспериментальную(!!!) Калмыцкую ВЭС, ВЭУ которой - Российского производства, с единичной мощностью 1000 кВт (Радуга-1000), если анализировать характеристики данной ВЭУ, то можно отметить, как положительный момент, меньшие габариты в сравнении с тем же - DeWind D62m, ну, а как немаловажный отрицательный момент - большую инициирующую скорость ветра - 5,5 м/с. На этом, я думаю, что стоит закончить эту статью. Любые комментарии, возражения и дополнения, безусловно, принимаются. Данный материал не претендует на полный и всесторонний анализ ветроэнергетики, поэтому возражения а-ля: "а почему ты не написал о …" - не приемлемы. Рациональнее будут посылы типа: "А, тебе не кажется, что … немаловажный аспект данной проблемы, а у тебя о нем ни слова". Такого плана высказывания, если они содержат рациональное зерно, будут анализироваться и, в случае необходимости, статья будет дополнена либо откорректирована. В планах продолжение темы альтернативной энергетики. P.S. Зачем я все это написал?! Наверное, затем, чтобы каждому следующему зеленому брату так вольготно не кричалось - "Даешь!". А мне не приходилось говорить, что он ничтожество и провокатор, не подкрепляя свои слова аргументами, а, следовательно, уподобляясь своему оппоненту. Может, он это прочитает! :) (Гусары, молчать! Я, все-таки, оптимист! :) ) Литература: 1)Ветроэнергетические установки: мировой рынок и цены. Издание 2-е, исправленное и дополненное 2)Васько П.Ф., Брыль А.А., Пекур П.П. Определение технических показателей эффективности использования ветроэлектрических агрегатов в Украине// Энергетика и электрификация.-1995. 3)ШефтерЯ.И. Использование энергии ветра. -М.:Энергоатомиздат, 1983. 4)Семенов В.В., Алексеевский Д.Г. Оценка эффективности системных ВЭУ с неполным преобразованием мощности // Электричний журнал, 1998, №1. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
