Каргиев - Ветроэнергетика. Руководство
Предлагаемое руководство подготовлено российским центром солнечной энергии «Интерсоларцентр» в рамках работ по проекту ОРЕТ (Organization for Promotion of Energy Technologies) на базе материалов, предложенных исследовательским агентством ETSU (Великобритания) - партнером «Интерсоларцентра» по ОРЕТ.
Составители: к.т.н. Каргиев В.М. к.т.н. Мартиросов С.Н. к.т.н. Муругов В.П. к.ф.-м.н. Пинов А.Б. к.т.н. Сокольский А.К. к.т.н. Харитонов В.П.
Замечания и пожелания просьба направлять в «Интерсоларцентр» по адресу:
Россия, 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд 2,
Тел.:(095)1748188,
Факс:(095)1719670,
Email: intersolar@online.ru,
Интернет: http//www.intersolar.ru.
Электронные версии данного руководства на русском и английском языках размещены в Интернете по адресу: http//www.intersolar.ru/wind.
Москва – 2001
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 6
Что такое возобновляемая энергия? 7
Почему мы должны использовать возобновляемую энергию? 7
Цели и задачи руководства 8
Структура руководства 8
Глава 1: Ветроэнергетические ресурсы 9
1.1. Свойства ветра 10
1.2. Ветер как источник энергии 11
1.3. Ветер как источник энергии в России 11
Глава 2: Как работает ветроэлектрическая установка 13
2.1. Устройство ветроэлектрической установки 14
2.2. Диапазон размеров ветроэлектрических установок 15
Глава 3: Типы ветроустановок 16
3.1. Автономные системы энергоснабжения 17
3.2. Гибридная энергетическая система 18
3.2.1. Ветро-дизельные системы 18
3.2.2. Ветро-солнечные системы 19
3.2.3. Использование ветроустановок совместно с микроГЭС 19
3.3. Установки, подключенные кэнергосетям 19
3.3.1. Подключение ветроагрегата к энергетической сети 20
3.3.2. Стоимость подсоединения ветроагрегата к энергетической сети 20
Глава 4: Разработка проекта строительства ветроэлектрической установки ...21
Глава 5: Финансирование ветроэнергетического проекта 24
5.1. Оценка проектных затрат 25
5.2. Стоимость ветроэнергетического проекта 25
5.2.1. Первоначальные капитальные затраты 25
5.2.2. Ежегодные эксплуатационные затраты 26
5.3. Финансирование ветроэнергетического проекта 27
5.3.1. Типичная информация, которую необходимо предоставить банку для получения кредита 27
Глава 6: Разработка ветроэнергетического проекта 29
6.1. Получение разрешения на размещение ветроагрегата 30
6.2. Строительство 31
6.3. Влияние на окружающую среду 31
Глава 7: Социальные факторы 35
7.1. Вовлечение общественности 36
7.2. Общественные выгоды от развития ветроэнергетики 36
7.3. Вопросы собственности на ветроустановку 37
7.3.1. Ветроэнергетические кооперативы в странах ЕС 37
7.3.2. Другие типы собственности 37
Глава 8: Сроки реализации ветроэнергетического проекта, вопросы обслуживания и безопасности 38
8.1. Сроки реализации проекта 39
8.2. Обслуживание 39
8.2.1. Обслуживание маломощных автономных ветроустановок 39
8.2.2. Обслуживание крупных ветроэнергетических систем 39
8.3. Здоровье и Безопасность 39
8.3.1. Вопросы безопасности ветроагрегатов 39
8.3.2. Процедура обслуживания 40
8.3.3. Издания по правилам безопасности 40
Глава 9: Часто задаваемые вопросы 41
Глава 10: Заключение 43
Глава 11: Рекомендуемая литература 45
Глава 12: Приложения 47
Приложение 1 Термины и определения 48
Приложение 2 Сокращения 49
Приложение 3 История развития ветроэнергетики в России 52
Приложение 4 Приближенный расчет годовой выработки электроэнергии ветроагрегатом 54
Приложение 5 Примеры использования ветроэлектрических систем в России 56
Приложение 6 Контактная информация 58
Что такое возобновляемая энергия?
Возрастающий интерес к энергетическим ресурсам связан с глобальным потеплением и последствиями парникового эффекта. Сегодня люди понимают, что запасы ископаемого топлива ограничены и его использование ведет к загрязнению окружающей среды: так, эмиссия диоксида углерода приводит к глобальному потеплению, а диоксид серы является причиной кислотных дождей. Если принимать это во внимание, то все более привлекательным становится использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым относятся: солнечная радиация, энергия ветра, энергия рек, приливов и океанских волн, энергия, заключенная в биомассе и органических отходах.
Энергия ветра известна человечеству не менее 2000 лет; в последние 10-15 лет бурно развивалось ее использование для производства электрической энергии. К настоящему времени в мире установлено более 20.000 ветроэлектрических агрегатов, общая мощность которых превышает 16 млн. кВт. Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) имеют мощность от единиц киловатт до нескольких мегаватт и позволяют экономически эффективно с высокой степенью надежности преобразовывать энергию ветра.
ВЭУ могут использоваться для различных целей, начиная от заряда аккумуляторных батарей (АБ) и энергоснабжения различных объектов (дома, фермы и пр.) до подачи электроэнергии в сети централизованного электроснабжения. Почему мы должны использовать возобновляемую энергию? Возрастающий интерес к проблемам использования ВИЭ связан с увеличением до невиданных ранее масштабов потребления ископаемого топлива. В настоящее время понимание того, что запасы органического топлива истощаются и его использование во все возрастающих объемах ведет к загрязнению окружающей среды стало всеобщим. Выделение углекислого газа, приводящего к глобальному потеплению, в России достигло 16 т в год на одного жителя; в Европе - 12 т. Выделение двуокиси серы является причиной участившихся в последние десятилетия кислотных дождей. В будущем неизбежно сокращение потребления органического топлива и его замена другими источниками энергии. Использование ВИЭ наиболее привлекательно, так как оно не нарушает естественного баланса энергии, получаемой нашей планетой. Если мы продолжим загрязнять атмосферу Земли прежними темпами, то это может привести к резкому изменению климата, к таянию ледников и, как следствие, повышению уровня океана, разрушению животной среды обитания и угрозе существования человечества.
В
В ближайшем будущем ожидается значительный рост использования ВИЭ. В настоящее время доля возобновляемой энергии в энергобалансе Европы составляет 5,4 %. К 2010 году планируется довести этот показатель до 12%В России ВИЭ используются не так широко, а их доля в производстве электроэнергии составляет менее 1% (без учета крупных ГЭС). Однако перспективы их применения велики.
Около 60% территории страны, преимущественно сельскохозяйственного использования, имеют плотность электрической нагрузки 0,5-10 кВт/м2. Электроснабжение населения и производственных объектов здесь обеспечивается, как правило, за счет дизельных электростанций. Постоянный рост цен на привозное жидкое топливо делает экономически целесообразным привлечение в энергобаланс этих территорий местных, в том числе возобновляемых энергоресурсов.
Валовой потенциал ВИЭ, которым располагает Россия, эквивалентен 4 - 5-1012 тонн условного топлива, а экономический потенциал нетрадиционных ВИЭ составляет около 30% ее годового энергопотребления. До 80% ВИЭ могут быть использованы в сфере сельского хозяйства, что будет способствовать повышению надежности энергообеспечения, экологической чистоте и повышению продуктивности сельскохозяйственного производства России.
Ветроэнергетический потенциал нашей страны составляет около % общего потенциала всех видов ВИЭ, а установленная мощность парка ВЭУ в России только - 5 МВт. В ближайшем будущем неизбежен значительный рост использования энергии ветра и других видов ВИЭ.
Цели и задачи руководства
· обеспечить рядового читателя информацией по ветроэнергетике и вопросам, связанным с проектированием автономных ВЭУ и их эксплуатацией;
· способствовать расширению применения ВЭУ различной мощности частными лицами, фермерскими хозяйствами, коммерческими и энергопроизводящими предприятиями;
· дать читателю информацию, позволяющую приближенно определить ветровые условия местности предполагаемого размещения ВЭУ и ожидаемый размер выработки энергии этими системами;
· рассмотреть примеры использования ВЭУ в России и в зарубежных странах.
Структура руководства
Данное руководство описывает способы оценки ресурсов ветра как потенциального источника энергии. Приводятся объяснения того, как реально можно использовать энергию ветра с помощью современных ветроагрегатов. Приводится краткое описание как автономных, так и соединенных с сетью ветроэлектростанций (ВЭС). Руководство содержит описание процесса разработки и реализации ветроэнергетического проекта, включая перечисление необходимых этапов и советы по получению разрешения на строительство ВЭУ.
В предлагаемом читателю руководстве также рассматриваются варианты владения ВЭС как частными лицами, так и малыми предприятиями и кооперативами.
Примеры использования ВЭУ показывают, как могут применяться на практике основные технические знания в области ветроэнергетики. В руководство также включено краткое описание истории использования энергии ветра и направления развития отрасли.
Один из заключительных разделов посвящен ответам на наиболее часто задаваемые вопросы по ветроэнергетике. Приложения содержат необходимую информацию по производителям ветроэнергетического оборудования, методам расчета ожидаемой выработки энергии ВЭУ, терминологии и другие справочные материалы.
1.1. Свойства ветра
Ветер - это направленное перемещение воздушных масс. Ветровую энергию можно рассматривать как одну из форм проявления солнечной энергии, потому что Солнце является тем первоисточником, который влияет на погодные явления на Земле. Ветер возникает из-за неравномерного нагрева Солнцем поверхности Земли. Поверхность воды и территории, закрытые облаками, нагреваются намного медленнее; соответственно, поверхность земли, доступная для солнечного излучения, нагревается быстрее. Воздух, находящийся над нагретой поверхностью, нагревается и поднимается вверх, создавая области пониженного давления. Воздух из областей повышенного давления перемещается в направлении областей низкого давления, тем самым создавая ветер.
Ветер меняется с течением времени. В большинстве регионов наблюдаются значительные сезонные изменения ветровых потоков. Причем в зимние месяцы скорость ветра обычно выше, чем летом. Дневные изменения скорости ветра наблюдаются, как правило, вблизи морей и больших озер. Утром солнце нагревает землю быстрее, чем воду, поэтому ветер дует в направлении побережья. Вечером же земля остывает быстрее, чем вода, поэтому ветер дует от побережья.
Скорость ветра зависит от высоты над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность. Таким образом, ветры бывают сильнее на больших высотах по отношению к земле. Для сельскохозяйственных полей и пустынных территорий при увеличении высоты над поверхностью земли в два раза наблюдается увеличение скорости ветра приблизительно на 12%.
На скорость ветра оказывают значительное влияние географические условия и характер земной поверхности, включая различные природные и искусственные препятствия, такие, как холмы и пр., а также деревья и здания. По этой причине ВЭУ располагают, по возможности, на возвышенных и удаленных от высоких деревьев, жилых домов и других сооружений местах, т.к. такие препятствия снижают скорость ветра и приводят к завихрениям потока, затрудняющим преобразование энергии ветра.
Среднегодовая скорость ветра (Vc) характеризует ветровой потенциал территории. Это скорость ветра, которая определяется как среднее арифметичское значение всех наблюдаемых скоростей ветра в течение года. Средние скорости ветра могут быть вычислены и для других периодов, например: месячные, дневные, часовые.
Энергия, заключенная в ветре, находится в кубической зависимости от величины скорости ветра. Удвоение скорости ветра дает увеличение энергии в 8 раз. Таким образом, средняя скорость ветра 5 м/с может дать примерно в 2 раза больше энергии, чем ветер со средней скоростью 4 м/с.
Характеристики ветра измеряются на метеостанциях. На основе данных многолетних наблюдений скоростей ветра в различных областях России составляются специализированные карты ветров
1.2. Ветер как источник энергии
Современные ВЭУ это надежные машины, которые весьма эффективно преобразуют энергию ветра в электрическую. Поэтому главный вопрос, который задает себе потребитель, звучит так: «Могу ли я использовать ВЭУ в том месте, где живу». Ответ на него зависит от ряда факторов, которые будут рассмотрены в следующих разделах. Однако первый вопрос, на который должен быть получен ответ, такой: «Достаточно ли высоки скорости ветра для применения ВЭУ в выбранном месте?». Установить те регионы страны, где имеются достаточные ветроэнергетические ресурсы, можно с помощью ветровых атласов [1].
Узнав среднегодовую скорость ветра в регионе, Вы можете по предлагаемой далее методике (Приложение 4) приближенно определить объем электрической энергии, которую может выработать ВЭУ в течение года.
Более точные методы расчета требуют значительного объема дополнительной информации и должны производиться специалистами. Сотрудники «Интерсоларцентра» могут выполнить работы по определению ветроэнергетических ресурсов и дать рекомендации по выбору ВЭУ на договорной основе.
Если ветроэнергетические ресурсы в вашем регионе невелики, вполне возможно, что эффективными окажутся другие виды ВИЭ.
1.3. Ветер как источник энергии в России
В перспективных для применения ВЭУ регионах среднегодовая скорость ветра должна быть 4-6 м/с и более. Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, они сосредоточены главным образом в тех регионах (см. карту), где отсутствует централизованное энергоснабжение. Такая ситуация характерна для всего Арктического побережья от Кольского полуострова до Чукотки, а также для побережья и островных территорий Берингова и Охотского морей. География распределения ветроэнергетических ресурсов позволяет рационально их использовать как автономными ВЭУ, так и крупными ВЭС в составе местных энергетических систем.
В России энергия ветра может быть эффективно использована в следующих регионах: области: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская;
края: Краснодарский, Приморский, Хабаровский;
а также: Дагестан, Калмыкия, Карелия, Коми, Ненецкий автономный округ, Таймырский автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.
Перспективными являются и другие отдельные районы многих краев, областей и республик РФ. Уточненные метеоданные (в том числе среднегодовые и среднемесячные скорости ветра) по регионам России содержатся в «Атласе ветрового и солнечного климатов России» [1].
Если выясняется, что на интересующей территории нет достаточных ветроэнергетических ресурсов, не имеет никакого смысла проводить дальнейшие действия по решению задачи применения ВЭУ в этом месте.
...