Мировая практика показала что применение вэу эффективно уже при среднегодовых скоростях ветра

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА И СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

6.1. Общие сведения о ветроэнергетике

Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175. 219 тыс. ТВт×ч в год, при этом развиваемая им мощность достигает (20. 25×10 9 кВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может быть использовано только 5 % этой энергии. В настоящее же время эта цифра значительно меньше. Использовать ветер, т. е. энергию движения воздуха, человек начал еще в глубокой древности.

Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северного и южного полушарий образуют систему пассатов. Общая циркуляция атмосферы происходит главным образом из-за вращения Земли, при котором под действием центробежной силы воздушные массы отбрасываются в районе экватора в верхние слои атмосферы. На место ушедших масс воздуха с севера и юга приходят новые воздушные слои.

Помимо постоянных движений воздушных слоев существуют периодические движения воздуха с моря на сушу и обратно в течение суток (бризы) и в течение года (муссоны). Происхождение бризов и муссонов обусловлено различным нагревом воды и суши вследствие их разной теплоемкости.

При использовании энергии ветра в современных условиях стремятся учесть опыт тех стран, в которых ветряные двигатели издавна широко применялись, особенно в Дании и Голландии — классических странах ветряных мельниц.

Многие видные русские исследователи, такие как профессор. 11.Е.Жуковский и академик С.А.Чаплыгин, внесли большой вклад вразвитие ветряных двигателей.

Ветроэнергетика — отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, электрической и тепловой энергии (ветротехника) и определяющая области и масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве.

Использование энергии ветра осуществляется с помощью специальных установок.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) — это комплекс технических устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в какой-либо другой вид энергии. Ветроэнергетическая установка состоит: из ветроагрегата (ветродвигатель в комплекте с одной или несколькими рабочими машинами); устройства, аккумулирующего энергию или резервирующего мощность; в ряде случаев дублирующего двигателя (чаще теплового); систем автоматического управления и регулирования режимов работы установки.

Различают ветросиловые установки и ветроэлектрические станции.

Ветродвигателем называют двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. Различают ветродвигатели крыльчатые (наиболее распространенные) с коэффициентом использования энергии ветра до 0,48, карусельные (роторные) с коэффициентом использования не более 0,15 и барабанные.

В основном ветродвигатели применяют в ветроэлектрических станциях.

В настоящее время ветроэнергетика — одна из самых бурно развивающихся отраслей мировой электроэнергетики. В 1960 — 1970-е гг. большинство эксплуатируемых в Европе ВЭУ имело мощность до 20 кВт, затем — от 100 до 250 кВт; средняя мощность ВЭУ, выпущенных в 2002 г. в Германии, составила 1100 кВт. Тенденция роста единичных мощностей ВЭУ, по-видимому, сохранится и далее. Так, фирма «De Wind» планирует создание агрегатов мощностью 3. 5 МВт. По прогнозам общая мировая мощность ВЭУ к 2006 г. составит более 36 000 МВт.

Современные мощные ВЭУ более экономичны, у них ниже стоимость 1 кВт установленной мощности, Ветроколесо мощных ВЭУ находится на большой высоте, где скорость ветра выше (рис. 6.1,а). Выше у них и коэффициент удельной выработки электроэнергии К_удявляющийся обобщенной характеристикой ВЭУ (рис. 6.1,б):

Рис. 6.1. К характеристикам ВЭУ:

а — зависимость среднегодовой скорости ветра от высоты над поверхностью земли; б — зависимость средней удельной выработки электроэнергии ВЭУ в Дании от мощности установки

Считается целесообразной установка ВЭУ в местах, где среднегодовая скорость ветра составляет более 5 м/с.

На бурное развитие ВЭУ указывают данные роста установленных мощностей ветроустановок в ряде стран мира, приведенные в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Установленная мощность ветроустановок, МВт, в странах мира, подключенных к элекрическим сетям

Важным шагом в развитии ветроэнергетики в России, обладающей огромным потенциалом, можно считать сдачу в эксплуатацию в 2002 г. самого крупного ветропарка в стране мощностью 5,1 МВт (одна установка мощностью 600 кВт и 20 — по 225 кВт), построенного в Калининградской области. Кроме того, построена Анадырская ВЭС (Чукотка) мощностью 2,5 МВт (10 агрегатов по 250 кВт) и строится Элистинская ВЭС (Калмыкия) мощностью 22 МВт (22 агрегата по 1 МВт).

6.2. Энергия воздушного потока и мощность ВЭУ

Если в (6.2) в качестве т взять секундную массу воздуха, кг/с, то получим значение мощности, развиваемой потоком воздуха, Дж/с, или Вт, т.е.

Секундная масса воздуха определяется по формуле

Обычно в расчетах в качестве r принимают ее значение, равное 1,226 кг/м 3 и соответствующее следующим нормальным климатическим условиям: t = 15 °С, р = 760 мм рт. ст. (101,3 кПа).

Для F= 1 м 2 получаем значение удельной мощности ветрового потока N_уд, Вт/м 2 со скоростью v, м/с:

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Значения N_удв зависимости от скорости ветра составляют:

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую происходит с помощью ВЭУ, которые можно классифицировать по следующим признакам:

·по мощности — малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);

·числу лопастей рабочего колеса — одно-, двух, трех- и многолопастные;

·отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока—с горизонтальной осью вращения, параллельной вектору скорости (рис. 6.2, а), или с вертикальной осью вращения, перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис. 6.2, б).

В настоящее время в мире и в России наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие основные компоненты: рабочее колесо 1, гондола с редуктором и генератором 2, башня 3 и фундамент 4.

Башня — чаще трубообразная, реже — решетчатая, на ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующий энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В ВЭУ чаще всего используются: синхронные и асинхронные (генераторы), реже асинхронизируемые синхронные генераторы.

Рис. 6.2. Виды ветроэнергетических установок:

а — ВЭУ с горизонтальной осью вращения; б — ВЭУ с вертикальной осью вращения; 1 — рабочее колесо; 2 — гондола с редуктором и генератором; 3 — башня; 4 — фундамент установки

Для каждой ВЭУ можно выделить три характерные рабочие скорости ветра:

· 0 mi n – мощность ВЭУ равна нулю;

· v_p min N – мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

· v>v_p max – мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора или разворота его лопастей параллельно вектору скорости ветра.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от v_p min до v_p N полезная мощность ВЭУ N_ВЭУ, кВт, при заданных скоростях ветра v, м/с, на высоте башни Н_б, м, и диаметре ротора ВЭУ D₁ м, рассчитывается по формуле

После подстановки всех указанных значений в (6.5) получим следующую формулу для ориентировочных расчетов:

Для малых ВЭУ v_p mi n находится обычно в пределах 2,5. 4 м/с a v_p N — от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4. 5 м/с и 12. 15 м/с соответственно. Предельная допустимая скорость ветра по соображениям прочности ВЭУ равна 60 м/с.

Уровень шума крупных ВЭУ непосредственно у основания башни не превышает 100 дБ. Обычно для энергетических целей используют кинетическую энергию приземного слоя воздуха высотой не более 200 м с максимальной его плотностью р. При этой для повышения мощности единичной ВЭУ с заданным диаметром ротора D₁, м, стремятся увеличить высоту башни Н_б, м, так как скорость ветра увеличивается с высотой.

Чем больше расчетная скорость ветра, тем больше эффективность ВЭУ. Обычно в качестве расчетной скорости применяется среднегодовая скорость ветра v₀, м/с, которая относительно мало меняется по годам. В то же время скорость ветра в течение года может существенно меняться во времени (как в течение суток, так и года в целом). Для нее характерны случаи, когда скорость ветра равна нулю (штиль), или не превышает v_p mi n (в этом случае мощность ВЭУ равна нулю из-за малой скорости ветра), или превышает v_p max (здесь мощность ВЭУ также равна нулю, но уже по соображениям прочности сооружений). Это означает, что гарантированная мощность ВЭУ в этих случаях равна нулю и использование ВЭУ может лишь привести к экономии других видов энергоресурсов. Процесс изменения скорости ветра в течение года имеет свои закономерные зависимости (зимой скорость ветра больше, чем летом; в полдень больше, чем утром).

В ветроэнергетических расчетах учитывается также и «роза ветров», т.е. характерные направления скоростей ветра в данной точке в течение года. Особое значение «роза ветров» приобретает в случае строительства ветропарков или ветроэлектростанций (ВЭС), состоящих из нескольких ВЭУ (десятков—сотен) в данной местности.

Для оценки перспективности ВЭУ в данной местности или регионе необходимо знать его валовые, технические и экономические ветроэнергетические ресурсы. Для России в целом указанные виды ресурсов соответственно равны: 80000, 6218 и 31 ТВт×ч. На сегодняшний день практическое использование указанных ресурсов ветра в России незначительно. Обычно в мировой практике принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 6 м/с, то использование ВЭУ там весьма перспективно.

Для среднегодовых скоростей ветра от 3 до 6 м/с необходимы детальные технико-экономические расчеты, в том числе и учет условий использования ВЭУ — в объединенной или локальной системе электроснабжения или для питания автономного потребителя, а также конкретные социально-экологические и экономические характеристики рассматриваемого региона.

Весьма перспективным для России представляется совместное использование ВЭУ и дизельных энергоустановок (ДЭУ), которые в настоящее время составляют основы локальных систем электроснабжения обширных северных и приравненных к ним территорий страны.

Использование энергии ветра в России весьма незначительно, хотя в стране имеется хороший производственный потенциал для разработки серийных или массовых ВЭУ любой мощности (от сотен ватт до 1 МВт).

Весьма ощутимы успехи развития ветроэнергетики в мире, где ежегодный прирост мощности в последнее пятилетие составляет 30 % и более в разных странах. На 01.01.2002 г. общая установленная мощность в мире составила 24927 МВт при годовом приросте мощности 6824 МВт (27,37 %).

Источник

1 История развития ветроэнергетики

1.1 Виды конструкций ветрогенераторов

1.2 Эффективность использования

2 Современное состояние и проблемы ветроэнергетики

2.1 Ветроэнергетика в Республике Казахстан

2.2 Ветроэнергетика в мире

3 Перспективы инновационного развития ветроэнергетики

3.1 Экономика и поддержка

3.2 Ключевой игрок энергетической системы 2050

Для освоения ветроэнергетического потенциала Министерством энергетики и минеральных ресурсов РК при поддержке Программы развития ООН была разработана Программа развития ветроэнергетики в Республике Казахстан до 2015 г. с перспективой до 2030 г. В рамках данной Программы предусматривается осуществление строительства ВЭС с вводом 250-300 МВт мощности к 2015 г. и до 2000 МВт к 2030г. На этих электростанциях будут производиться до 1 млрд. кВт·ч электроэнергии к 2015 г. и до 5 млрд. кВт·ч к 2030 г.

Для обеспечения законодательной поддержки использованию возобновляемой энергии и с целью привлечения инвестиций в июне 2009 г. принят закон РК «О поддержке использования возобновляемых источников энергии».

Законом предусматривается ряд мер по поддержке возобновляемых источников энергии на рынке электроэнергии, в том числе поддержка при строительстве и подключении объектов возобновляемых источников энергии к сети, транспорте электроэнергии по сетям и продаже энергии региональным электротранспортным компаниями и КЕГОК.

1 История развития ветроэнергетики

Первый ветродвигатель был простым устройством с вертикальной осью вращения, таким, например, как устройство, которое применялось в Персии за 200 лет до нашей эры для размола зерна. Использование такой мельницы с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Немного позднее была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, которая состояла из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до сих пор в многих странах бассейна Средиземного моря. В ІХ столетии ветреные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и попали в Европу в Х столетии при возвращении крестоносцев. В средние века в Европе многие поместные законы, включая и право отказа в разрешении на строительство ветреных мельниц, заставляли арендаторов иметь площади для посева зерна возле мельниц феодальных имений. Посадки деревьев близ ветреных мельниц запрещались для обеспечения «свободного ветра». В XIV столетии голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветреных мельниц и широко использовали их с этих пор для осушения болот и озер в дельте реки Рейн. Между 1608 и 1612 гг. польдер Беемстер, который находился на три метра ниже уровня моря, был осушен с помощью 26 ветродвигателей мощностью 37 кВт каждый.

Позднее известный инженеров-гидравлик Лигвотер, применив 14 ветродвигателей производительностью 1000 м3/мин., которые перекачивали воду в аккумулирующий бассейн, осушил за четыре года польдер Шермер. Потом 37 ветродвигателей перекачивали воду из бассейна в кольцевой канал, откуда она попадала в Северное море.

В середине XIX столетия в Голландии использовалось для разных целей около 9 тыс. ветродвигателей. Голландцы внесли много усовершенствований в конструкцию ветреных мельниц и, в частности, ветроколеса.

Более поздний для улучшения аэродинамической формы лопате бруски были присоединены к ее задней кромке. В более современных конструкциях паруса были заменены тонким листовым металлом, использовались стальные махи и разные типы жалюзи и щитков для регулирования частоты обращение ветроколеса при больших скоростях ветра. Большие ветреные мельницы заводского изготовления при больших скоростях ветра могли развивать мощность до 66 квт.

Первой лопастной машиной, которая использовала энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследование показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса.

1.1 Виды конструкций ветрогенераторов

Воздушный поток обладает запасом кинетической энергии. С помощью ветроколеса или аналогичного рабочего органа кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию. В зависимости от назначения ветроустановки механическая энергия может быть преобразована в электрическую, тепловую, энергию сжатого газа и т. д. Для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую могут быть использованы ветродвигатели различных типов.

По соотношению мощности ВЭУ и мощности энергосистемы ВЭУ делятся на три класса:

· Класс А, к которому относятся ВЭУ, неподключенные к единой энергосистеме. В зависимости от применения, такие ВЭУ обычно комплектуются небольшими аккумулирующими (электроаккумулирующими) устройствами. Частота выходного напряжения, как правило, не стабилизирована. Они применяются в основном для освещения, электропитания сигнальных устройств и средств связи. Мощность таких ВЭУ не более 5 – 10 кВт.

· Класс В, мощность которых соизмерима с мощностью сети. Такие ВЭУ, как правило, входят в состав локальных энергосистем отдельных районов, отрезанных от основной энергосистемы естественными препятствиями. Наиболее экономично в этом случае комбинированное применение ВЭУ с дизельными электростанциями. При этом ВЭУ рассматриваются как средство экономии дизельного топлива. Параметры выходного напряжения в таких системах достаточно стабильны. В системах класса В более эффективно применение больших аккумулирующих устройств и сооружений, таких как водородные аккумуляторы и небольшие гидроаккумулирующие станции.

· Класс С. Мощность сети значительно превышает установленную мощность ВЭУ. Такие ВЭУ относятся к системной ветроэнергетике. Они способны оказать влияние на состояние энергетического баланса большого региона или даже страны. В классе С целесообразно применение ВЭУ с установленной мощностью от 100 кВт до нескольких мегаватт. При этом обостряются проблемы, связанные с геометрическими размерами, возникают напряженные режимы работы механических частей.

По типу применяемого ветродвигателя генераторы разделяют на следующие категории:

· Крыльчатые – ветродвигатели с горизонтальной осью вращения. Крыльчатые ветродвигатели различаются по количеству лопастей, рисунок 1.1.

· Карусельные – это двигатели с вертикальной осью вращения. Они подразделяются на ортогональные и лопастные ветродвигатели.

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастейкрыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются. Скорость вращения и простота изготовления обусловили широкое применение крыльчатых ветрогенераторов.

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов – повышающий редуктор не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Основной трудностью их применения является проблема запуска. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14-16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров. У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми – взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

Кроме описанных выше довольно часто используется классификация, связанная с типом применяемой электрической машины, рисунок 1.2.

Рисунок 1.2 –Классификация по типам применяемых электрических машин

Диапазон применения ветрогенераторов достаточно широк. Еще в древности энергию движения воздушных масс использовали, строя ветряные мельницы. Сейчас такой вариант использования применяется значительно реже. Значительно эффективнее ветродвигатель использовать, например, для перекачки воды. Небольшая ветряная установка даже при слабом ветре может поднять из скважины или колодца 30-50 литров воды в час.

Однако наиболее оптимальным вариантом применения ветрогенераторов является получение электроэнергии.

Стационарные ветряные электростанции могут полностью обеспечивать электрическим питанием небольшой производственный объект или жилой дом, накапливать в аккумуляторных батареях необходимый ресурс электрической энергии для применения ее в периоды отсутствия ветра.

2 Современное состояние и проблемы ветроэнергетики

2.1 Ветроэнергетика в Республике Казахстан

На территории Республики Казахстан сосредоточены огромные ресурсы энергии ветра. Использование даже 1-2 % этого потенциала даст народному хозяйству ежегодно порядка 102 млрд. кВт·ч (для сопоставления, потребность республики в электроэнергии в 2016 г. прогнозируется около 150 млрд. кВт·ч).

По мнению МООС, в Казахстане ветроэнергетика имеет наибольший потенциал среди всех видов ВИЭ (табл. 2.1). Основными потребителями ветроустановок могут стать сельскохозяйственные объекты.

Установлена потребность в 40 тыс. ветроподъемных установок мощностью до 4 кВт каждая и 17 тыс. ветроэнергетических установок мощностью от 4 до 500 кВт. Планируется в 2018 г. достичь выработки электроэнергии ветроустановками в объеме 463 млн кВт·ч.

Технически возможный к использованию ветроэнергетический потенциал Казахстана при использовании традиционных ветроэнергоустановок оценивается в 3 млрд кВт∙ч. Наиболее значительными являются ветроэнергетические ресурсы Жунгарских Ворот (17 000 кВт·ч/м2).

Таблица 2.1 — Ресурсы ветровой энергии по территории Казахстана

Из других перспективных районов можно отметить Ерментау (Акмолинская обл.), Форт Шевченко (побережье Каспийского моря), Кордай (Жамбылская обл.) и некоторые другие. В связи с увеличением спроса на электроэнергию и генерирующую мощность тарифы продолжают увеличиваться и в настоящее время в некоторых районах превышают 7 тенге за 1 кВт∙ч, что делает использование ветроэнергетики коммерчески привлекательным уже сейчас, начиная с обеспечения энергоснабжения небольших населенных пунктов, не имеющих надежного централизованного электроснабжения.

Анализ природно-климатических условий РК показывает, что только на 2-3% территории среднегодовая скорость ветра составляет более 5 м/с. Следовательно, на большей части Казахстана (90-95 % территории) невыгодно использование ВЭУ, для которых необходима рабочая скорость ветра 12-15 м/с. Для большей части страны (80-85 % территории) целесообразно и эффективно использование ВЭУ, у которых производительная работа начиналась бы при скорости ветра 2,5-3,0 м/с, а рабочие скорости ветра не превышали 7-9 м/с.

Ветровой потенциал Республики Казахстан показан на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Ветровой потенциал 14 098 ТВт·ч

2.2 Ветроэнергетика в мире

Как показывает мировой опыт, благодаря государственной поддержке ветроэнергетическая отрасль получила мощный толчок для развития и вышла на ведущие позиции в экономиках развитых стран. Себестоимость производства ветроэлектроэнергии стала сравнима и конкурентоспособна с электроэнергией, вырабатываемой другими источниками, а значит из категории экологически чистого, но достаточно дорогого источника энергии, ветроэнергетика переходит в товар, на котором возможно построить эффективный бизнес.

Европа остаётся лидером на ветроэнергетическом рынке, её доля составляет почти 40% общей мощности ветроустановк. Однако, из-за скромных темпов роста за последние годы Европа потеряла свое доминирующее положение. Так в 2015 году Европа занимала 66% рынка ветроэнергетики. Азия значительно увеличила свою долю в мировом производстве энергии из ветра и теперь значительно приблизилась к Европе. Доля Северной Америки в суммарной мощности уменьшилась, несмотря на высокие показатели канадского рынка и увеличения количества новых ветряных установок в 2015 году. Доля Латинской Америки увеличилась с 1% (2010) до 1,4% (2015). На Африку пришлось всего 0,4% в 2014 году и только 0,2% новых ветряных установок было введено в эксплуатацию на этом континенте.

Рисунок 2.2- Структура мировой мощности ветроэнергетики

В 2015 году было введено в эксплуатацию ветряных электростанций мощностью около 40 ГВт — это больше, чем у любого другого вида возобновляемых источников энергии. По итогам 2015 года, по меньшей мере, 68 стран используют ветровые установки мощностью более чем 10 МВт.

За период с начала 2014 года до конца 2015 года рост совокупной мощности ветроэнергетики в среднем составляет 26% за год.

Самое большое число новых установок, позволяющих вырабатывать энергию с помощью ветра, в 2015 году установлено в странах Азии — 53,6 % от общего количества новых установок в мире, Европы (21,9%) и Северной Америки (20,5%). Незначительная доля новых установок приходится на Латинскую Америку (2,9%), Австралию и Океанию (0,9%), Африку (0,2%).

Благоприятные условия для развития энергетики позволят к 2020 г. увеличить потребление электрической энергии на 30% в том числе за счет возобновляемых источников энергии на 15%.

В таблице 2.2. приведены соотношения для выработки электроэнергии различными возобновляемыми источниками энергии в странах Европы по оптимистическим и пессимистическим прогнозам до 2020 года. Прогноз составлен на основании анализа темпов прироста установленной мощности различных видов возобновляемых источников энергии в странах Европейского Союза. Доля ветровой энергии будет составлять по пессимистической оценке 15%, по оптимистической оценке 16%.

3 Перспективы инновационного развития ветроэнергетики

Ветроэнергетика, уже вышла из категории «альтернативной», став энергетикой основной, главным направлением энергетического развития.

Например, ветроэнергетика занимает первое место:

а) по чистому приросту новых электроэнергетических мощностей в ЕС за период 2000 – 2014 (116,76 ГВт). К слову, третье место занимает солнечная энергетика, пропустив вперед, на второе место, природный газ.

б) по плановому чистому приросту новых мощностей в США в 2015 году (9,811 ГВт), опережая более чем в два раза природный газ.

Рисунок 3.1 – Чистый прирост генерирующих мощностей в ЕС

В 24 странах мира установленная мощность национальной ветроэнергетики превышает 1 ГВт.

Китай – мировой лидер, как по темпам роста, так и по установленной мощности. Бразилия ввела в 2014 г. 2,5 ГВт – четвёртый показатель в мире за этот год, Индия – 2,3 ГВт, и по установленной мощности (22,5 ГВт) занимает в мировой табели пятое место. Южная Африка за один только 2014 г. нарастила мощность с 10 до 570 МВт.

Масштабы сегодняшних перемен в энергетике хорошо демонстрирует еще одно сравнение: построенные за один лишь 2015 г. мощности мировой ветроэнергетики превышают совокупную установленную мощность российских ГЭС и в два раза больше всех действующих атомных электростанций Российской Федерации.

Приведённые цифры доказывают, что ветроэнергетика стала важным способом производства электроэнергии не только в промышленно развитых, но и развивающихся странах.

Размер имеет значение

История развития современной ветроэнергетики – это история роста размеров и мощности ветрогенераторов, рисунок 3.4.

Развитие науки и техники, совершенствование технологий планирования размещения ветряных электростанций привели к тому, что в «нестабильной» ветроэнергетике сегодня обеспечивается достаточно высокий коэффициент использования установленной мощности (КИУМ).

Рисунок 3.4 – Рост размеров ветроустановок с 1980 года

3.1 Экономика и поддержка

На сегодняшний день материковая (onshore) ветроэнергетика превратилась в один из самых дешевых способов производства электричества.

Поскольку данные по странам и проектам в электроэнергетике могут значительно отличаться, мы рассматриваем интегральные, обобщающие исследования, авторы которых анализируют крупные массивы данных множества энергетических проектов.

Прогнозные значения на 2020 г. Министерства энергетики США показывают, что конкурировать с материковой ветроэнергетикой по стоимости производства электричества (LCOE) сможет только комбинированная генерация на основе природного газа.

За последние два года, помимо указанных работ, вышло несколько авторитетных исследований по сравнительной экономике энергетики, в которых в целом подтверждаются вышеназванные заключения о высокой ценовой конкурентоспособности ветроэнергетики.

Сегодня не существует ни одного исследователя, который бы сомневался, что капитальные затраты и стоимость производства электричества с помощью ВИЭ будут падать и дальше, а сложность и стоимость добычи ископаемого топлива, наоборот, возрастать. Поэтому в ближайшие годы электричество, производимое ветряными электростанциями, станет устойчиво дешевле продукции углеводородной генерации практически во всех регионах планеты.

3.2 Ключевой игрок энергетической системы 2050

Принимая во внимание растущую экономическую привлекательность энергии из ветра в сочетании с практически неограниченными ветроэнергетическими ресурсами планеты, теоретически возможно снабжение всего человечества электроэнергией, практически полностью произведенной только на основе ветра. Исследование Гарвардского университета, основанное на весьма консервативных допущениях, показывает, что потенциал ветроэнергетики примерно в 40 раз превышает глобальное потребление электричества.

Среднегодовой темп роста мощностей мировой ветроэнергетики начиная с 2014 г. составляет 21,4% в год, а за последнее десятилетие ее установленная мощность выросла в восемь раз. На конец 2015 г. она составила 370 ГВт, и, предположительно, к 2020 г. достигнет 1000 ГВт.

Рисунок 3.5 – Установленная мощность ветряных электростанций в мире, ГВт

Одна из очень старых идей в энергетической сфере Казахстана, породившая уже несколько несостоявшихся проектов, начинает, наконец-то, реализовываться: Министерство энергетики и минеральных ресурсов определило победителя в тендере на строительство первой пилотной ветроэнергостанции в Джунгарских воротах.

Известно, что республика обладает очень значительным потенциалом в этой сфере, но до сих пор он фактически не используется. В условиях Казахстана ветроэнергетика обладает целым рядом преимуществ, основное из них: совершенно не потребляется топливо для выработки электроэнергии, источники энергии могут быть расположены максимально близко к потребителям и при этом они не загрязняют окружающую среду и не выбрасывают так называемые «парнирковые» газы, оказывающие влияние на потепление климата на Земле.

Таким образом, производство электроэнергии на базе возобновляемых источников энергии с частичным замещением традиционной энергетики с использованием угля, нефти, газа позволит снизить потребление невозобновляемых энергетических ресурсов, а также экологическую нагрузку на окружающую среду, как на местном, так и глобальном уровне.

Развитие ветроэнергетики в Казахстане служит выполнению задач Стратегии индустриально-инновационного развития страны, и один из первых этапов в реализации данного проекта по ветроэнергетике.

Тендер на строительство ВЭС был успешно завершен в конце ноября 2014 г. выбором кампании, которая будет осуществлять и строительство ветроэлектростанции и ее будущую эксплуатацию. Примечательно, что делать это будет местная, казахстанская компания ТОО «АЛД-Консалтинг», которая намерена работать по проекту совместно с японской Tohoku Electric Power Do. Inc, являющейся подразделением компании «Мицубиси». Намерение принять участие в проекте выразили также казахстанский Национальный инновационный фонд и Европейский Банк Развития и Реконструкции.

Состоять электростанция будет из пяти ветроустановок мощностью в 1 МегаВатт каждая. То есть, суммарная установленная мощность ветроэлектростанции будет 5 МВт, что позволит условно обеспечить электроэнергией порядка десяти тысяч человек. Но и у компании-инвестора, и у ее японских партнеров есть намерение в будущем развивать суммарную мощность станцию до 50 МВт, что могло бы частично покрывать потребности Талдыкорганского региона.

Для республики сейчас это достаточно крупный проект в области возобновляемых источников энергии. Стоимость пилотной станции составит порядка 7 млн. долларов США.

ПРООН и Глобальный Экологический Фонд выделяют 1 млн. долларов США в виде гранта для поддержки этого проекта. Министерство энергетики и природных ресурсов, как уполномоченный правительством орган, окажет поддержку проекту в том, что после завершения строительства станции с ней будет заключен долгосрочный договор на покупку ее электроэнергии на весь тот инвестиционный период, который инвестор определил в своей заявке. Цена электроэнергии составит 3,73 евроцента за 1 кВт/час. Это довольно дорого, но эта стоимость включает в себя не «чистую» стоимость производства электроэнергии, но и инвестиционную составляющую, то есть деньги, которые надо вернуть инвесторам.

По предварительным оценкам, которые мы провели, внешние затраты, связанные с воздействием угольной энергетики на окружающую среду и здоровье населения, составляют, примерно, 7 тенге на каждый киловатт электроэнергии. Таким образом, считается, что угольная энергетика самая дешевая, но мало кто задается вопросом о цене того вреда, который она наносит окружающей среде.

С учетом всех этих факторов, использование экологически чистой возобновляемой энергии является важнейшим направлением в энергетике 21 века.

Нужна ли Казахстану ветроэнергетика? Ставить вопрос таким образом – то же самое, что спрашивать, «нужен ли Казахстану автомобильный транспорт».

Развитие ВИЭ – долгосрочная стратегическая тенденция развития мировой энергетики. Использование экономически эффективных и экологичных способов возобновляемой генерации со временем станет необходимостью.

И здесь есть только два пути: либо мы развиваем национальную науку, инженерную культуру и производство, либо закупаем технику за рубежом. Сегодня Казахстан идёт по второму пути, который, однако, постепенно заканчивается. Экономическая модель «нефть в обмен на остальное» не имеет перспектив.

Во исполнение решений, принятых Президентом страны, АО «НАК «Казатомпром» открыло дочернее предприятие ТОО «Экоэнергомаш» и утвердило программу освоения энергии ветра, обеспечивающую возможность создания новых международных альянсов с крупными технологическими компаниями мира, расширения бизнеса за счет регионов присутствия АО «НАК «Казатомпром» в мире.

Перспективными для Республики Казахстан являются следующие направления развития ветроэнергетики:

— энергетические комплексы с агрегатами большой мощности 1600 – 5000 кВт для использования в синхронизированных энергосистемах.

Практически все эксперты признают экономическую целесообразность внедрения в Казахстане новых ветроэнерегитческих установок. В то же время сегодня существует ряд барьеров для развития, внедрения и широкомасштабного использования ветроэнергетики в Казахстане. Это недостаточная государственная поддержка, отсутствие программы развития ветроэнергетики и стимулов для инвестирования в отрасль, неразвитость инфраструктуры и недостаток квалифицированных кадров.

Ветроэнергетика имеет необозримые экономические и социальные перспективы. Она обеспечивают продвижение бизнеса и цивилизации на территории с низкой плотностью населения, открывают новые возможности для их развития, не требует расхода воды и является существенным вкладом в энергетическую безопасность государства.

2. Программа по развитию электроэнергетики Республики Казахстан на 2010 – 2014 годы.

3. Национальная Программа развития ветроэнергетики в Республике Казахстан до 2015г. с перспективой до 2024г.

6. К генеральной схеме развития ветроэнергетики Казахстана. М.: Журнал «Энергетика», Алматы. 2012.

7. План действий по развитию альтернативных и возобновляемых источников энергии в Республике Казахстан в 2013-2020г. г., Самрук-зеленый.

Источник