Введение
Энерговооруженность является основой технического прогресса. Энергетический кризис 1970-х годов существенно обострил проблему энергообеспечения общества. Стало ясно, что период дешевых и легко доступных источников энергии окончился. Энергетические проблемы неразрывно переплелись с экономическими, экологическими, социальными и политическими проблемами. Энергетика стала одним из главнейших факторов, определяющих развитие мировой экономики.
В этих условиях особую актуальность приобрела задача поиска новых, нетрадиционных способов и источников получения энергии, в особенности возобновляемых. К таким источникам относятся:
Солнечное излучение.
Гидравлическая энергия малых рек.
Геотермальное тепло.
Энергия ветра.
Энергетические ресурсы мирового океана.
В настоящее время мировая потребность в первичной энергии оценивается величиной 12 млрд. тонн условного топлива. Энергопотребление в России составляет менее 1 млрд. тонн в год. Данныеозапасах топливно-энергетических ресурсов РФ приведены в табл. 1. (см. Приложение).
Если ориентироваться только на запасы органического топлива, то, несомненно, необходим возврат к увеличению доли каменных и бурых углей в топливном балансе страны. Нефть и газ являются высокоценным сырьем, а их запасы по сравнению с запасами угля примерно в 20 раз ниже. Однако уголь является экологически «грязным» топливом. Кроме того, его добыча связана с повышенными затратами и риском, так как запасы каменного угля в настоящее время сохранились в основном на большой глубине.
Поэтому настоятельно необходимо вовлечение в производство других видов первичной энергии, таких как:
гидравлическая энергия малых рек;
ветровая;
приливная;
геотермальная;
солнечная.
Современный вклад в мировое энергопроизводство на основе солнечной, ветровой, приливной энергии составляет 0,1%, а установленная мощность электростанций, использующих эти энергоресурсы достигает 36 ГВт. В то же время технически осуществимый потенциал этих энергоисточников в мире составляет (млрд. тонн):
солнечная энергия …………. 6,0;
энергия ветра ………………. 2,8;
геотермальная энергия ……. 1,0.
По самым осторожным оценкам, в условиях России только за счет солнца и ветра можно получать до 0,5 млрд. тонн топлива в год. Это составляет 20–25% максимально возможного потребления энергии в РФ на достаточно отдаленную перспективу. Данные о потенциале нетрадиционных источников энергии в РФ приведены в табл. 2.
Малые гидроэлектростанции
Технически возможный гидроэнергетический потенциал составляет примерно 10% от полных запасов разведанного органического топлива. В настоящее время выработка на гидроэлектростанциях (ГЭС) РФ составляет 6% от общего производства электроэнергии. Опыт строительства гидроэлектростанций в бывшем СССР показал, что сооружение крупных ГЭС возможно только в экономически развитых странах из-за огромных затрат как на строительство, так и на природоохранные мероприятия. Кроме того, необходимы крупные капиталовложения на поддержку в работоспособном состоянии всего комплекса гидротехнических сооружений.
Поэтому использование гидроэнергетического потенциала на современном этапе возможно лишь на основе широкого применения гидроустановок (ГЭУ) малой мощности. Установки мощностью менее 0,1 МВт относится к категории микро-ГЭС. Станции мощностью менее 30 МВт могут быть построены как на малых и средних реках, так, в отдельных случаях, и на реках крупных (при низконапорных гидроузлах или при неполном использовании стока). В Российской Федерации находятся в эксплуатации малые ГЭС (МГЭС) суммарной мощностью 545 МВт. Они вырабатывают 1940 млн. кВт×ч электроэнергии в год. Практически все эти МГЭС расположены на Европейской территории РФ, При этом, основные суммарные мощности МГЭС (более 2/3) приходятся на районы Северо-Запада и Северного Кавказа.
ГЭУ малой мощности могут строиться на основе плотинной и деривационной схем, а также на базе использования энергии свободного потока воды.
Для увеличения мощности ГЭС, использующей энергию свободного потока, необходимо увеличивать скорость воды за счет применения сопл на входе и выходе установки.
ГЭУ на основе энергии свободного потока могут монтироваться на сваях или располагаться на плотах (так называемые наплавные ГЭС).
Ветроэнергетические установки
В мировой практике широко используются ветроэнергетические установки (ВЭУ). Некоторые из них достигают предельной для ветроагрегатов мощности в 3–4 Мвт (табл. 3). (см. Приложение)
ВЭУ применяются для привода насосных станций, опреснения минерализованных вод, мелиорации земельных угодий. В настоящее время применяют ВЭУ двух конструктивных типов:
с горизонтальной осью вращения, параллельной воздушному потоку;
с вертикальной осью вращения, перпендикулярной воздушному потоку.
Для ВЭУ первого типа применяют двухлопастное ветроколесо, которое обеспечивает более высокую энергоемкость, чем многолопастное. Защита от разрушения лопастей при чрезмерной силе ветра осуществляется поворотным механизмом, который при предельной скорости ветра разворачивает лопасти во флюгерное положение. Недостаток ветродвигателей с горизонтальной осью вращения состоит в необходимости установки их на достаточно высокой башне. Это связано, во-первых, с обеспечением свободного пространства для вращения лопастей, и, во-вторых, с тем, что скорость ветра растет с увеличением высоты.
Рабочий момент на ветроколесе создается за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях, которые имеют специальный профиль. Процесс возникновения сил на лопастях подчиняется тем же законам, что и процесс появления подъемной силы крыла самолета. При этом под крылом создается область повышенного давления, а над ним – пониженного.
Ветродвигатели с вертикальной осью вращения имеет несколько важных преимуществ по сравнению с крыльчатыми ВЭУ с горизонтальной осью:
отпадает необходимость в устройствах для ориентации на направление ветра;
упрощается конструкция и монтаж, более удобным становится расположение генератора и редуктора;
снижаются дополнительные механические напряжения в лопастях, системе передач, вызванные гироскопическими нагрузками.
Имеется несколько типов ветродвигателей с вертикальной осью вращения, примером которых является ротор Савониуса. Этот ротор изготавливается из цилиндрической трубы, разрезанной вдоль и закрепленной между нижними и верхними фланцами. Обе лопасти несколько раздвинуты, причем зазор между ними может меняться.
К ветроприемным устройствам с вертикальной осью вращения относится ротор Дарье. Он оснащается двумя или тремя тонкими лопастями и вращается со скоростью в три-четыре раза превышающей скорость ветра. Для запуска ротора Дарье необходим вспомогательный двигатель, разгоняющий его до номинальной скорости.
Применяются более сложные конструкции ветроагрегатов с вертикальной осью вращения. К ним относятся:
ветроагрегат с двухъярусными вертикальными лопастями на общем валу
ветроагрегат с двумя лопастями, расположенными на тележках (ВЛ-2)
многолопастной ветроагрегат, с лопастями расположенными на тележках
В качестве лопастей для агрегатов ВЛ-2 и ВЛ-МЛП используются крылья самолетов.
Развитие промышленной ветроэнергетики началось в начале 70-х годов. Наибольшего развития в настоящее время ветроустановки достигли в США, где эксплуатируются ВЭУ суммарной мощностью 1700МВт, в Германии – 630МВт, Дании – 539МВт, Индии – 200МВт, Великобритании – 170МВт, Нидерландах – 16 МВт. Еще в четырех странах (Швеции, Греции, Китае и Италии) мощность ВЭУ достигла 20…40 МВт, и, как минимум, в восьми странах – от нескольких мегаватт до 10 МВт.
В странах Северной и Южной Америки, вместе взятых, и в странах Европы суммарная мощность эксплуатируемых ВЭУ составляет по 1725 МВт, в странах остальных континентов мощность ВЭУ – всего 280 МВт.
Средняя единичная мощность эксплуатируемых в мире ВЭУ составляет ~ 140 кВт. Примерно до середины 80-х годов ветроэлектростанции создавались на базе ВЭУ единичной мощностью менее 100 кВт. С середины 80-х годов стали внедряться ВЭУ мощностью 100–300 кВт, а к концу 80-х – и ВЭУ 600…700 кВт. Создаются для серийного производства новые модели ВЭУ мощностью 500…1500 кВт. Переход в настоящее время к ВЭУ предельной мощности (3…4 МВт) оценивается в мире как преждевременный. Практически весь мировой парк ВЭУ состоит из крыльчатых установок. Работы по другим типам ВЭУ, а также по крыльчатым ВЭУ предельной мощности проводятся, однако широкого развития они не получили.
Таким образом, к настоящему времени мировая ветроэнергетика превратилась в отрасль, вносящую в отдельных странах ощутимую долю в производстве электроэнергии.
Наиболее перспективные зоны для использования ветровой энергии в России находятся на прибрежной полосе шириной 50…100 км вдоль морей Северного Ледовитого океана, в отдельных прибрежных районах Дальнего Востока, в районах Балтийского, Черного и Каспийского морей. В этих районах среднегодовая скорость ветра равна 5…6 м/с и более.
Практическое освоение ветроэнергетики в РФ только начинается. Разрабатываются и создаются несколько моделей крыльчатых ВЭУ мощностью 250…300 кВт, одна модель крыльчатой ВЭУ мощностью 1000 кВт и модель ВЭУ с вертикальной осью вращения мощностью 1250 кВт. В 1991–1992 годах смонтированы две ВЭУ типа АВЭ-250 на полигонах в поселке Дубки (Чиркейская ГЭС, Дагестан) и в Иван-городе (Ленинградская обл.) и одна – на полигоне НПО «Ветроэн» в Геленджике. В 1993 г. смонтирован агрегат АВЭ-250 в г. Воркуте.
В 1993 г. в г. Новороссийске построена опытно-экспериментальная ВЭУ типа ГП-250. Однако после первых испытаний установка отправлена на завод для доработки и дополнительных стендовых испытаний. В 1994 г. на опытно-экспериментальной Калмыцкой ВЭУ смонтирована первая ветроустановка типа «Р-1» мощностью 1000 кВт.