Ветряки выходят в мир

Александр Лейзерович • 21 февраля 2017
Современные относительно мощные ВЭУ производятся сейчас в Дании, Германии, США, Швеции, Японии, Испании. Как правило, они имеют трех- или, реже, двухлопастные роторы.

     Ветроэнергетические установки — неожиданно для многих — в последние годы вплотную подошли к выполнению двух главных условий: во-первых, мощность этих энергоисточников должна быть достаточно велика и соизмерима с мощностью традиционных электростанций и, во-вторых, приведенная стоимость получаемой электроэнергии также должна быть соизмерима с затратами на ее производство на существующих электростанциях.

    Еще до недавнего времени ветряные турбины устойчиво рассматривались как принадлежность малой или локальной энергетики. При этом их единичная мощность не превышала 25-30 киловатт, и приведенная цена производимой электроэнергии, несмотря на даровую энергию ветра, на порядок превосходила себестоимость электроэнергии современных тепловых и атомных электростанций (ТЭС и АЭС). Ситуация начала меняться в середине 1980-х годов с освоением в Дании производства ВЭУ единичной мощностью, измеряемой сотнями киловатт, и развитием в Дании, а затем также в Германии, Нидерландах, отдельных штатах США программ строительства «ветроэнергетических хозяйств» из десятков и сотен ВЭУ.

    С тех пор, и особенно за последние несколько лет, ветроэнергетика стала одной из наиболее бурно и успешно развивающихся отраслей промышленности. Общий оборот мирового рынка ВЭУ в 1999 году превысил 3 миллиарда долларов. По оценкам специалистов, за два десятилетия сменилось уже семь поколений ВЭУ. Их единичная мощность в настоящее время достигает полутора – двух с половиной мегаватт (МВт). В ближайшее время можно ожидать увеличения до 3-5 МВт. При этом длина лопастей 75 м и, соответственно, диаметр ротора порядка 150 м, требуемые для достижения мощности в 5 МВт, являются, по-видимому, предельными при современных материалах и технологиях. Наиболее мощная из ныне действующих ветроустановок (2,5 МВт) с диаметром ротора и высотой мачты в 80 м была сооружена весной 2000 года в Германии.

     Уже существующие, сооружаемые и проектируемые ветроэнергетические хозяйства (ВЭХ) имеют установленную мощность до 200-300 МВт, то есть соизмеримы по мощности с небольшой ТЭС. Очень популярна идея размещения ВЭУ в прибрежных водах, где дуют сильные и устойчивые ветра. При этом также снимаются весьма острые для развитых стран вопросы отчуждения земли и звукового воздействия ВЭХ на окружение. Самое крупное на сегодняшний день прибрежное ВЭХ в составе двадцати ВЭУ мощностью по 2 МВт сооружается в проливе Эрезунд между Данией и Швецией.

    В начале 1980-х годов стоимость электроэнергии, производимой ВЭХ, составляла примерно 38 центов США за киловатт-час, а в настоящее время она оценивается в 3-6 центов. Эта цифра ниже для более мощных ВЭХ с более современными ВЭУ большей единичной мощности. При этом в ряде стран действуют налоговые льготы, дополнительно снижающие стоимость электроэнергии ВЭХ. Для сравнения стоит указать, что средняя по США себестоимость электроэнергии для ТЭС и АЭС находится на уровне 1,8-3,5 центов за киловатт-час. Более глубокая специализация ВЭУ, использование прогрессивных конструктивных решений и материалов позволяют рассчитывать на дальнейшее снижение стоимости электроэнергии, производимой ВЭХ. В результате ветроэнергетика может стать источником самой дешевой электроэнергии, производимой в промышленных масштабах.

    В 1999 году суммарная выработка ВЭУ составила 0,2 процента общего объема мирового производства электроэнергии. Ожидается, что к 2020 году доля ветроэнергетики превысит уже 1 процент. Но и эта цифра показательна не более, чем пресловутая «средняя температура по больнице». Две трети общей мощности ВЭУ в мире на конец 1999 года были сосредоточены в пяти странах: Германии, США, Дании, Испании и Индии. И вот результат. Уже в настоящее время Дания и земля Шлезвиг-Гольштейн в ФРГ покрывают порядка 10 процентов своей потребности в электроэнергии за счет ВЭУ. Вместе с тем все более широко вовлекаются в развитие ветроэнергетики Китай, Великобритания, Нидерланды, Швеция, Италия, Франция. В 2000 году общий прирост установленной мощности ВЭУ в мире превысил суммарную мощность введенных новых блоков АЭС. Для многих стран развитие ветроэнергетики имеет значение не только с позиций защиты окружающей среды, но и для повышения независимости от закупок энергетического топлива за рубежом. Весьма актуальна проблема развития «большой ветроэнергетики» и для России.

    Установка обычно рассчитывается на скорость ветра, изменяющуюся в диапазоне от 3 до 25 метров в секунду; максимальная скорость ветра, которую должны выдержать лопасти и несущая мачта, — 60 метров в секунду. Энергия вращения ротора передается на асинхронный генератор через редуктор и разъемную муфту, размещаемые в капсуле (гондоле) ВЭУ. Хотя лопасти ВЭУ внешне похожи на вертолетные, условия их работы принципиально отличны, что требует применения более сложных, трехмерных с учетом эффекта срыва потока, методов аэродинамического расчета. Лопастям придается специальная форма с сужением к концу для уменьшения шума от вращающегося ротора, капсула также имеет специальную звукоизоляцию. В результате уровень шума в непосредственной близости от ВЭУ обычно не превышает 100 децибелл.

    Весьма перспективную концепцию, названную Windformer, предложила фирма АВВ (ныне входящая в концерн ALSTOM). В новой ВЭУ, в отличие от традиционной, вместо обычного асинхронного генератора используется специальный генератор высокого напряжения, отсутствуют редуктор, устройство плавного запуска, разъемная муфта, трансформатор. Все это существенно сокращает размеры капсулы ВЭУ, повышает общую надежность и ремонтопригодность, снижает уровень шума. Генерируемый переменный ток высокого напряжения (свыше 20 киловольт) преобразуется в постоянный ток. Несколько ВЭУ объединяются в группу (кластер), и энергия от них поступает по кабелям постоянного тока к общему преобразователю, подключенному к сети. Первая такая ВЭУ расчетной мощностью 3 МВт с трехлопастным ротором диаметром 90 метров и высотой мачты 70 метров сооружается в настоящее время в Швеции.