Основи екології - Олійник Я.Б. - 6.2.2. Вітроенергетика

Вітроенергетика є способом отримання електричної енергії за допомогою вітру. Засоби отримання енергії вітру - вітротурбіни (вітрогенератори, вітрові установки), які об'єднують у так звані вітроелектростанції (ВЕС). Вітроенергетика - галузь відновної енергетики, яка спеціалізується на використанні кінетичної енергії вітру. Це один з тих способів використання енергії навколишнього середовища, що був відомий з давніх часів.

Джерело вітроенергетики - Сонце, оскільки саме його активність спричинює утворення вітру. Атмосфера Землі вбирає сонячну радіацію нерівномірно через неоднорідність ії поверхні та різний кут падіння світла у різних широтах у різні пори року. Повітря розширюється та підіймається угору, утворюючи потоки. Там, де повітря нагрівається більше, ці потоки піднімаються вище і зосереджуються у зонах низького тиску, а холодніше повітря залишається нижче, створюючи зони високого тиску. Різниця атмосферного тиску змушує повітря пересуватися від зони високого тиску до зони низького тиску з пропорційною швидкістю. Цей рух повітря ми і називаємо вітром.

Щоб найкраще використати вітряну енергію, важливо досконало розуміти добові та сезонні зміни вітру, зміну швидкості вітру залежно від висоти над поверхнею землі, кількість поривів вітру за короткі відрізки часу, а також мати статистичні дані Хоча б за останні 20 років. Від загальної кількості енергії Сонця лише 1-2 % перетворюється на енергію вітру. Ця кількість вп'ятеро перевищує річну світову енергетичну потребу. Сучасна технологія дає змогу використовувати тільки горизонтальні вітри, що розміщені близько до поверхні Землі і мають швидкість від 12 до 65 км/год.

Основна відмінність такої електростанції від традиційних (теплових, атомних) полягає у повній відсутності сировини та відходів. Єдина основна вимога - високий середньорічний рівень вітру. Потужність сучасних промислових вітрогенераторів досягає 6 МВт.

Людство використовує енергію вітру вже більше 5000 років. Одним з найперших винаходів, який застосовував використання енергії вітру, було вітрило. Ще у 3500 р. до н. е. мореплавці використовували силу вітру, щоб іти під вітрилами. Вітрильні човни ходили Нілом у Давньому Єгипті. Тобто вітрило було першою лопатевою машиною, що використовувала енергію вітру. Звичайні вітрові млини були вже в Китаї 2200 років тому. На Середньому Сході, у Персії, близько 200 р. до н. е. почали застосовувати вітряні млини з вертикальною віссю для перемелювання зерна, їх виготовляли з в'язанок очерету, прикріплених до дерев'яної рамки, що оберталася, коли дув вітер. Стіна, що оточувала вітряк, спрямовувала потік вітру проти лопатей. Найпростіші вітрові млини мали досить низький ККД, незважаючи на те, що лопаті виготовлялись з досить легкого дерева чи матерії. Причиною неефективності було те, що сила вітру, яка штовхала одну половину вітроколеса, одночасно гальмувала іншу частину.

У І ст. до н. е. давньогрецький учений Герон Олександрійський винайшов вітряк, що керував органом. Перші вітряні млини для переробки зерна були збудовані на межі сучасного Ірану й Афганістану; вони мали вертикальну вісь, від шести до дванадцяти крил з полотна або очерету та використовувались як млини і помпи для води. Феномен вітру у давнину також застосовували для природної вентиляції та охолодження повітря у сухих і жарких країнах Середньої Азії.

У Європі вітряки з'явилися пізніше, у УШ-IX ст. Найбільш широко вітрові установки використовувалися в Голландії, де люди, починаючи з X-XI ст., боролися з морем за кожен клаптик землі, придатної для сільського господарства. Голландці відкачували воду з відвойованих у моря територій саме завдяки роботі сотень вітряків. Спочатку будували земляні дамби, які відокремлювали мілководну ділянку моря, а потім споруджували млини з водовідливними колесами. Так, у 1608-1612 рр. було осушено місце, яке знаходилося на три метри нижче від рівня моря, за допомогою 26 вітродвигунів потужністю 37 кВт кожен. У 1582 р. у Голландії була побудована перша маслобійня, яка використовувала енергію вітру, а через 4 роки - перша паперова фабрика, яка забезпечувала підвищені вимоги до паперу, обумовлені винайденням друкарської машинки. Наприкінці XVI ст. з'явилися лісопильні заводи для виробництва лісоматеріалів, які імпортувалися з прибалтійських держав. У середині XIX ст. в Голландії для різних потреб використовувалося близько 9 тис. вітродвигунів. Голландці значно вдосконалили конструкцію вітряних млинів і, зокрема, вітроколеса.

Найактивніше у допромисловій Європі вітряні млини застосовували у XVIII ст. За їх допомогою мололи зерно, качали воду, пиляли дерево. Згодом більшість вітряних млинів, нездатних конкурувати з дешевим і надійним викопним паливом, замінили на парові двигуни. У дореволюційній Росії, наприклад, налічувалося близько 30 тис. вітряків. Ця установка була також атрибутом майже кожного другого села в Україні, проте парова машина, а потім двигун внутрішнього згоряння витіснили їх.

Реконструкція голландцями вітряків і вітроколес була спрямована насамперед на те, щоб збільшити їх ККД і термін дії, У результаті великі вітрові млини заводського виготовлення при великих швидкостях вітру могли розвивати потужність до 66 кВт. У період промислової революції внаслідок застосування парових двигунів використання енергії вітру в Голландії суттєво зменшилося, тому на початку XX ст. тут працювало тільки біля 2,5 тис. вітродвигунів, а до 1960 р. в робочому стані залишилося менше тисячі з них.

Перша вітрова електростанція промислового типу була побудована у США у м. Клівленд (штат Огайо) у 1888 р. Ч. Брашем. Це багатолопатева конструкція з діаметром лопатей 17 м, яка мала лопатку для спрямовування вітроколеса перпендикулярно до напрямку вітру і здатна була виробляти 12 кВт електроенергії. Ця станція успішно пропрацювала майже 20 років, довівши, з одного боку, перспективність цього напрямку енергетики, а з іншого - стала для конструкторів робочою моделлю при виробництві більш удосконалених установок.

У середині XIX ст. у США було побудовано більше 6 млн малих вітродвигунів з одиничною потужністю до 0,75 кВт, які виробляли електроенергію, піднімали воду та виконували інші роботи. Для піднімання води переважно використовувалися вітродвигуни із суцільнометалічними вітроколесами діаметром 3,7-4,9 м, які оберталися на горизонтальному валу і були оснащені механізмом для орієнтації на напрямок вітру. Такі вітроколеса розвивали потужність близько 120 Вт при швидкості вітру 6.7 м/с та могли підняти 160 л/хв води на висоту до 7 м.

У Радянському Союзі перша вітрова електростанція потужністю 8 кВт була споруджена у 1929-1930 рр. під Курськом. Через рік у Криму було побудовано більшу ВЕС потужністю 100 кВт, що на той час була найбільшою у світі. Вона успішно працювала до 1942 р., але під час війни була зруйнована. Проте найшвидше вітроенергетика розвивалася у США - ще у 1941 р. там побудували першу ВЕС потужністю 1250 кВт.

Останніми роками вітер все ширше використовується для одержання електроенергії. Створюються вітряки великої потужності і встановлюються на місцевості із частими й сильними вітрами. Кількість і якість таких двигунів зростає щорічно, налагоджено серійне виробництво. Наприклад, у Нідерландах спостерігається так званий мірошницький бум. Уряд запропонував великі субсидії усім, хто відкриє вітряк. Навіть парламент країни, що дбайливо охороняє "характерний національний пейзаж" і виступає проти надмірного шуму, цього разу не заперечував проти використання екологічно чистої вітрової енергії. Нині на території Нідерландів, що позбавлені запасів вугілля, нафти й газу, діють близько тисячі вітрогенераторів струму, що задовольняє потреби всієї країни в електроенергії приблизно на 10 %.

Вітер є стихією потужною і практично всюдисущою. Проте вона має і недоліки, що завадило їй поширитися як основне джерело забезпечення. Енергетичний потенціал вітру пропорційний кубу його швидкості, а території зі значною середньою швидкістю вітру, тобто 5 м/с і вище, що забезпечує економічність роботи вітроустановок, часто віддалені від місць споживання енергії. Найбільшу енергію мають ураганні вітри, однак ця енергія не може бути утилізована, до того ж урагани є головними руйнівниками вітроустановок.

Звичайно, можливості використання цього виду енергії у різних регіонах Землі неоднакові. Для нормальної роботи вітрових двигунів швидкість вітру не повинна падати у середньому за рік нижче за 4-5 м/с, а краще, коли вона становить 6-8 м/с Проте для цих установок шкідливими є і надто великі швидкості вітру (урагани), які можуть їх зруйнувати. Найбільш сприятливими регіонами для використання вітрової енергії є узбережжя морів і океанів, степи, тундра, гірські райони. Найефективніше вітрова установка використовується у місцях, де відсутнє централізоване енергопостачання, немає таких перешкод, як висотні будинки, пагорби та достатній вітровий потенціал.

За оцінками вчених США, площа, де середня швидкість вітру на висоті 8-10 м перевищує 5,1 м/с, охоплює 25 % поверхні Землі. Але не всюди її можна використати, і, якщо врахувати економічні, технічні, екологічні та інші обмеження, то до 2020 р. можна було б побудувати ВЕС загальною потужністю у 450 млн кВт, які могли б щороку виробляти 900 млрд кВт/год електроенергії. Це становило б 3,5 % усієї електроенергії, що, за прогнозами, буде вироблена. Одним із факторів, що обмежує масштаби використання енергії вітру, є неможливість будувати одиничні агрегати великої потужності через недостатню міцність лопатей. Доводиться будувати комплекси, що складаються з багатьох вітроустановок, об'єднаних у систему. Іншою проблемою є переривчастий графік роботи таких ВЕС, що вимагає акумулювання енергії для зручності користування.

Технічний прогрес (нові матеріали, електрогенератори, системи передачі обертального моменту, аеродинаміка лопатей) дозволили за останні два десятиліття на 80 % знизити собівартість електроенергії, одержаної з ВЕС. Великі ВЕС потужністю 50 МВт і більше, роміщені на місцях, де середня швидкість вітру досягає 9 м/с, здатні виробляти електроенергію за ціною 3 або навіть менше 1 цента за 1 кВт/год. Водночас собівартість електроенергії малих ВЕС (потужністю до 3 МВт), розміщених у районах із швидкістю вітру 7 м/с, може становити до 8 центів за 1 кВт/год. Зауважимо, що у США собівартість електроенергії на АЕС менша, ніж 2 центи за 1 кВт/год. Тобто економічність ВЕС значно більше залежить від місця розташування і проекту, ніж у випадку АЕС і ТЕС. Також за умов економічного програшу ВЕС у конкуренції з АЕС і ТЕС частка ВЕС залежатиме від політичної та економічної допомоги держави.

Сумарна оцінка потужності стійких вітрів у нижніх шарах атмосфери становить близько 5000 ГВт. Наприклад, Китай, багатий на вітроенергію, міг би подвоїти виробництво електроенергії лише за рахунок вітру. Міністерство енергетики США в реєстрі вітрових ресурсів вказує, що три штати - Північна Дакота, Південна Дакота і Техас - мають достатньо придатної для використання вітроенергії, щоб забезпечити всю національну потребу в електроенергії.

Вітроенергетика сьогодні перестала бути фантастикою і зростає найшвидшими темпами серед усіх інших альтернативних джерел енергії. Вітер є незвичайним енергоносієм, невичерпним, але при цьому має безліч складних і слабопередбачуваних фізичних параметрів для кожного окремо взятого географічного регіону. Тобто окрім середньорічної і максимальної швидкостей, слід враховувати такі показники внутрішньої структури повітряного потоку, як "троянда вітрів", поривчастість, щільність повітря, турбулентність, температура і різновекторні течії по висоті.

Станом на кінець 2007 р. загальна потужність установлених вітрових турбін у світі становила 94,1 ГВт, а отримана енергія - всього 1 % від загального обсягу споживання електроенергії у світі. Проте у деяких країнах показники дещо вищі: у Данії приблизно 19 % виробленої електричної енергії отримано від енергії вітру, в Іспанії і Португалії - 9 %, у Німеччині та Ірландії - 6 %. У глобальному вимірі виробництво електроенергії на основі енергії вітру зросло уп'ятеро за період від 2000 до 2007 р. Нині вітроенергетичні установки працюють приблизно у 96 країнах світу. Серед країн, що розвиваються, лідером є Індія з її 900 МВт встановленої потужності.

Розглянемо, які позиції завоювала вітрова енергетика у різних країнах. США ще у 1995 р., маючи у Каліфорнії три найбільші у світі ВЕС, володіли 40 % усієї світової потужності вітроагрегатів. За наступні 5 років потужності у США зросли у 1,5 рази, однак частка у світовій електроенергетиці зменшилась до 15 %. Енергетична політика США була розрахована на будівництво потужних ВЕС переважно на найбільш придатних територіях, наприклад, у Каліфорнії (1600 МВт із загальних 1770 МВт). Саме там експлуатуються найпотужніші у світі ВЕС. Нині Міністерством енергетики США здійснюється програма, спрямована не тільки на підвищення технічного рівня ВЕС за кращими аеродинамічними та вартісними характеристиками, а й розширення географії розміщення ВЕС.

На сьогодні за допомогою вітру у США виробляється лише 1 % від усієї електроенергії. За прогнозами, до 2020 р. цей показник зросте до 15 %. Лідером є найбільш "нафтовий" і найбільш ліберальний в енергетичному питанні штат Техас. Саме тут нафтовий магнат Т.Б. Пікенс збирається спорудити найбільшу у світі ВЕС потужністю 1 ГВт і вартістю 2 млрд дол." використовуючи найсучасніші турбіни.

У 2001 р. на перше місце у світі за сумарною потужністю ВЕС із 6113 МВт вийшла Німеччина. Лідером її вітроенергетики останніми роками є фірма Enercon, яка у 2000 р. виробила 27,4 % усього обсягу продукції вітроенергетики країни. Загалом у Німеччині до виробництва комерційних вітроустановок залучено 20 фірм, а вітроенергетикою займаються 10 інститутів та організацій. Сучасні вітроустановки провідних німецьких виробників мають значну потужність - від 3000 кВт до 4,5 МВт.

Протягом останнього десятиліття у світовій енергетиці незаперечну першість за темпами розвитку незмінно утримує саме вітроенергетика. Темпи приросту сумарної потужності ВЕС протягом останніх років коливаються у межах 20-30 % щороку. Лідерами у цій справі є США і Німеччина. Данія планує покрити власні потреби у електроенергії за рахунок вітроенергетики на 50 %. На сучасних ВЕС Данії вартість 1 КВт енергії можна порівняти з вартістю виробленого на ТЕС, що працює на вугіллі.

З усіх пристроїв, що перетворюють енергію вітру на механічну роботу, у переважній більшості використовуються лопатеві машини з горизонтальним валом, установленим за напрямком вітру, набагато рідше - пристрої з вертикальним валом. Турбіни з горизонтальною віссю і високим коефіцієнтом швидкохідності мають найбільше значення коефіцієнта використання енергії вітру (0,46-0,48). Вітротурбіни з вертикальним розташуванням осі менш ефективні (0,45), але не вимагають налаштування на напрямок вітру. Сьогодні запропоновано безліч варіантів механізмів для отримання електричної енергії з вітру.

Основним елементом у таких установках є вітроколесо. За принципом роботи та будовою вітроколес вітрові двигуни поділяють на три класи:

- крильчасті (пропелерні) - мають вітроколесо з лопатями, розташованими перпендикулярно до валу;

- карусельні, або роторні;

- барабанні.

У карусельних і барабанних вітродвигунах вал вітроколеса встановлюється вертикально. Воно обертається під дією вітру на лопаті, розташованій з одного боку осі колеса, тоді як інші лопаті прикриваються ширмою або повертаються за допомогою спеціального пристрою ребром до вітру. Обидва класи громіздкі та менш ефективні, порівняно з крильчастими, тому вся сучасна вітроенергетика базується в основному на крильчастих типах вітродвигунів. Пропелерні вітродвигуни досконаліші, потребують мало матеріалів, забезпечують досить високий коефіцієнт використання енергії вітру. Розташуватися один поряд з одним вони мають не ближче, ніж за три "висоти" один від одного, аби не перехоплювати одні й ті самі потоки вітру.

Вітрогенератор (вітрова турбіна) - це пристрій для перетворення кінетичної енергії вітру на електричну. Також вітрогенератори можна умовно поділити на дві категорії: промислові і домашні (для приватного використання). Промислові встановлюються державними органами або великими енергетичними компаніями. Як правило, їх об'єднують у мережу утворюючи в результаті справжні електростанції.

Будова вітрогенератора (вітрової турбіни) наведена на рис. 6.6, крім того він може містити систему пожежегасіння, телекомунікаційну систему для передачі даних про свою роботу, а також систему захисту від блискавки.

Рис. 6.6. Будова вітрогенератора: 1 - фундамент; 2 - силова шафа, що включає силові контактори і ланцюги керування; 3 - вежа; 4 - сходи; 5 - поворотний механізм; 6 - гондола; 7 - електричний генератор; 8 - система спостереження за напрямком і швидкістю вітру (анемометр); 9 - гальмова система; 10 - трансмісія; 11 - лопаті; 12 - система зміни куту атаки; 13 - ковпак ротора

Система з вітроенергетичних установок і е вітровою електростанцією. Малі вітряки можуть повністю забезпечувати електроенергією один або декілька будинків, невеликі промислові об'єкти. Такі установки здатні працювати при середній швидкості вітру від 4 м/с, і ціни на них невпинно знижуються. Індустрія домашніх вітряків активно розвивається. Як правило, для невеликого котеджу достатньо вітряка номінальною потужністю 1 кВт, при швидкості вітру 9 м/с. Якщо місцевість не вітряна, то його можна доповнити сонячними батареями - ці джерела енергії можуть доповнювати одне одного.

Водночас система вітроенергетичних установок має і недоліки, оскільки вітрогенератори:

- створюють високий рівень шуму;

- потребують відведення значних земельних площ: вітроагрегати близько один до одного розміщувати не можна, тому що вони перешкоджатимуть один одному в роботі - мінімальний проміжок між вітряками повинен бути не менше за їх потрійну висоту;

- потребують значних затрат матеріалів;

- можуть заважати прийому сигналів телепередач на відстані до 1,6 км, оскільки частота обертання лопатей синхронна з частотою передавання телесигналів (використання лопатей зі скловолокна дасть змогу зменшити цю відстань приблизно вдвічі);

- розполохують птахів і звірів порушуючи їх природний спосіб життя;

- можуть бути причиною смерті птахів, які часто потрапляють у лопоті вітрогенератора;

- побутує думка, що вітроустановки є джерелами досить інтенсивного інфразвукового шуму: вітродвигуни генерують нечутні для вуха коливання з частотами нижче за 16 Гц; не дивно, що у багатьох країнах, у тому числі в Ірландії, Великій Британії, місцеві жителі виступають проти розміщення ВЕС поблизу населених пунктів і сільськогосподарських угідь;

- завдає збитків довкіллю виготовлення акумуляторних батарей вітрогенератора;

- встановлення більшої кількості ліній передач електроенергії від численних вітрогенераторів теж шкодить навколишньому середовищу;

- подача електроенергії внаслідок не прогнозовано нерівномірної роботи вітрогенератора нерівномірна, прикладом може бути ситуація у Нідерландах, де частка ВЕС на початку 1990-х років становила 0,11 % від усіх встановлених потужностей, тоді як частка виробленої електроенергії - лише 0,02 %.

Для вирівнювання подачі струму застосовують акумулятори, але це дорого і малоефективно. Було висунуто ідею розміщення систем вітряків у відкритому морі. Так, у Швеції розроблено проект, відповідно до якого передбачається в Балтійському морі встановити систему із 300 вітряків заввишки 90 метрів, на яких розташують дволопатеві пропелери з розмахом лопатей 80 м. Вартість будівництва лише перших 100 таких гігантів становить більше 1 млрд дол., а вся система, будівництво якої триватиме понад 20 років, забезпечить лише 2 % споживаної Швецією електроенергії. Вже розпочато будівництво у Швеції ще однієї ВЕС потужністю 200 кВт у морі на відстані 250 м від берега, яка буде передавати енергію на землю через підводний кабель. Аналогічні проекти були і у СРСР: пропонували встановлювати вітряки у акваторії Фінської затоки, на Арабатській Стрілці в Криму. Крім складності й затратності таких проектів, вони можуть зашкодити судноплавству та рибальству. Шведські рибалки вимагають перегляду запропонованого проекту, оскільки підводний кабель, як і сама станція, погано впливатимуть на рибу, зокрема, на вугрів, які мігрують у тих місцях.

Сьогодні ж для виробництва вітрових турбін використовують розробки космічних відомств, що підвищує їх ефективність та надійність. Якщо у 2002 р. середній час простою вітрових турбін через технічні причини становив 15 %, то нині - близько 3 %. Турбіни останнього покоління мають не тільки більші (що дає змогу максимально використовувати силу навіть слабкого вітру), а й гнучкіші (що дає можливість позбавлятися надлишків енергії) лопаті. Крім того, сучасні турбіни розставляються вже не безсистемно, а з урахуванням рекомендацій кваліфікованих метеорологів (причому різниця в один-два кілометри може виявитися дуже істотною). А ще рекомендації тих самих метеорологів дають можливість зв'язувати сусідні вітрові турбіни у найефективніші ланцюги, які дозволяють турбінам не зупинятися навіть за цілковитої відсутності вітру.

Отже, ВЕС самі по собі не можуть бути надійною основою енергетики. Вони або доповнюють основні потужності, роблячи певний внесок у виробництво необхідної електроенергії, або ж є джерелом електрики у віддалених чи ізольованих місцях, де складно чи неможливо забезпечити постачання електроенергії іншим чином, наприклад, на крижинах в зимівників або у інших місцях, де є проблеми з постачанням енергії, а потреби в ній невеликі. Але з погляду екології і здорового глузду використовувати їх для розвитку великої енергетики зовсім нереально ні зараз, ні у найближчому майбутньому. Звичайно, з таким висновком можна не погоджуватися.