Yandex.Metrica

Использование энергии ветра на северо-западе России

В. В. Елистратов д. т. н., профессор СПбГПУ

ВВЕДЕНИЕ

Анализ мирового развития ветроэнергетики показал, что за последние 5 лет мощность ветро-энергетических станций (ВЭС) в мире возросла в 5 раз и достигла уровня около 35,0 миллионов киловатт. Планируется, что к 2010 году мощность ВЭС составит свыше 120 тысяч МВт, с ежегодным вводом около 20 тысяч МВт. За последние 10 лет в результате принятых политических решений и значительных капитальных вложений в исследования и организацию производства в ряде стран (Дания, США, Германия, Голландия, Великобритания и др.) создана целая отрасль ветроэнергетики. Сегодня эта отрасль обеспечивает выработку электроэнергии при себестоимости 4-5 центов/кВт-ч.

Однако в нашей стране количество и уровень научно-технических разработок никак не выразились в практическом вовлечении этого источника энергии в энергетический баланс.

Россия имеет давнюю историю развития ветроэнергетики, начиная от теории ветроколеса и до конкретного внедрения ветроэнергетических установок. В СССР массовое производство ветродвигателей ВД-5 (ТВ-5) и ВД-8 (ТВ-8) было развернуто на Херсонском заводе им. Петровского еще в 1934 г. В Крыму работала Балаклавская ветростанция Д-30 с трехлопастным ветроколесом мощностью около 100 кВт, которая при скорости ветра 8 м/с развивала мощность 75 кВт. В конце 50 и 60 годов прошлого века в Советском Союзе выпускалось значительное количество ветроэнергетических установок различного назначения - среди них были как водоподъемные устройства, столь необходимые для сельского хозяйства, так и электрогенерирующие установки. Бурное развитие единой энергосистемы СССР и электрификация сельского хозяйства вытеснили ветроэнергетические системы, которые не обеспечивали потребителей механической и электрической энергией при отсутствии ветра.

В течение 1990-2003 годов в нашей стране выполнены работы по созданию крупных ветроустановок и ветроэлектростанций.

  1. Спроектирована и построена Заполярная ВЭС общей мощностью 1,5 МВт с использованием российско-украинских ВЭУ единичной мощностью 250 КВт.
  2. На площадке вблизи поселка Куликово Калининградской области введен в эксплуатацию ветропарк мощностью 5,1 МВт, где установлено 21 ВЭУ датского производства.
  3. В 1995 г. на о. Беринга АО "Камчатскэнерго" смонтированы 2 ВЭУ мощностью по 250 КВт фирмы "Micon" (Дания).
  4. В 2001 году в Башкирии в местечке Тюпкельды запущены в эксплуатацию 4 ветроэлектрических агрегата немецкого производства мощностью 550 кВт каждый.
  5. В 2002 году на Чукотке пущена в эксплуатацию ВЭС мощностью 2,5 МВт с использованием российско-украинских ВЭУ единичной мощностью 250 КВт.

Кроме того, в инициативном порядке разработаны технико-экономические и коммерческие проектные предложения для строительства ветроэнергетических парков в регионах России (Приморская, Морская, Сахалинская, Магаданская, Камчатская, Дагестанская, Ростовская, Кронштадская, Валаамская, Таймырская, Калининградская, Ленинградская ВЭС) с установленной мощностью от 3 до 50 МВт.

Однако следует констатировать, что развитие ветроэнергетики в России не носит системного характера. Во многих регионах России, в которых ВЭУ могли бы решить и энергетические, и социальные, и экологические проблемы, развитие ветроэнергетики не происходит. Если обратиться к мировому опыту и задать вопрос, почему развитие ветроэнергетики и в целом ВИЭ в мире происходит опережающими темпами в различных странах, независимо от их размеров, географического положения, экономического состояния и ресурсной базы энергетики, а у нас нет? Здесь можно выделить три движущих силы этого процесса:

  • Экологические преимущества источников возобновляемой энергии и постоянно развивающиеся технологии повышения экологической безопасности установок на основе ВИЭ, отсутствие эмиссии парниковых газов, что становится особенно важным после подписания Россией Киотского Протокола и фактического начала его функционирования с апреля будущего года.
  • Выравнивание стоимости энергии традиционных источников и ВИЭ, прежде всего в связи с ужесточением экологических требований, повышением стоимости энергии традиционных электрических станций, особенно угольных, и непрерывным снижением стоимости оборудования возобновляемой энергетики за счет технологического совершенства.
  • Наличие четкой, аргументированной и полноценной нормативно-правовой базы в области ВИЭ и энергосбережения.

Осознание необходимости решения задач, вытекающих из реализации этих движущих сил, позволит и нам войти в число стран, лидирующих по внедрению ветроэнергетики.

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА ДЛЯ СЕВЕРО-ЗАПАДА РОССИИ

Положительный опыт эксплуатации ветроэнергетических установок в ряде стран (США, Германия, Индия, Дания, Великобритания, Швеция и др.), где они применяются как в составе энергосистем, так и для автономных потребителей, доказывает, что для территорий с высоким уровнем средней годовой скорости ветра они могут быть рентабельными и экономичными. Северо-Запад России является регионом, в котором присутствуют необходимые условия для применения ВЭУ различных классов мощности. Основным из них является наличие высокого потенциала ветровой энергии.

Исследования, проведенные специалистами СПбГПУ, Главной Геофизической обсерватории им. Воейкова, ВНИИ гидротехники и других организаций показали наличие в регионе зон с высокими ветроэнергетическими показателями. Анализ проводился по 79 метеостанциям региона на территории, ограниченной координатами: 27-36 градусов восточной долготы и 58-62 градуса северной широты

Зимой наиболее сильные ветры дуют над акваторией Ладоги, а на ее побережье они значительно слабее. Кроме того, в этот период все южное побережье Финского залива, включая Невскую губу, характеризуется скоростями не менее 5 м/с, что позволяет судить об обоснованности возведения там ВЭС сухопутного базирования.

Весной и летом географическое распределение скорости ветра в регионе характеризуется появлением узкой зоны с повышенными уровнями атмосферной циркуляции. Повышенные уровни средней скорости ветра отмечаются в узкой зоне, которую образуют параллельные друг другу полосы: южное побережье залива - с одной стороны и южное побережье о. Котлин - с другой.

Осенний сезон характеризуется наиболее интенсивной атмосферной циркуляцией по сравнению с остальными сезонами. По этой причине и ветры наиболее велики в этот период на всей территории региона и на прилегающих акваториях.

Для оптимального размещения ВЭУ существенное значение имеют сведения о характере розы ветров. Анализ данных наблюдений показал, что на участках суши южного побережья Финского залива, которые ранее определены как наиболее перспективные для ветроэнергетики, розы ветров обладают явно выраженной асимметричностью: заметно превалируют ветры юго-западного и западного румбов на протяжении большей части года. Для скоростей свыше 12 м/с существенно возрастает повторяемость северо-западных и северо-восточных ветров. Распределение ветров по территории Ленинградской области показано на рис 1.

Рис. 1. Изолинии распределения средних скоростей ветра по территории Ленинградской области в м/с

В последние несколько лет в регионе Санкт-Петербурга и Ленинградской области появился спрос на ветроэнергетические установки для электроснабжения предприятий и индивидуальных пользователей. Успешно внедряются ВЭУ малой и средней мощности.

В районе г. Красное Село в 2001 году была смонтирована первая сетевая ветроэнергетическая установка для энергоснабжения промышленного потребителя - ООО "Красное". Ветроагрегат датского производства "Wind Matic" мощностью 75 кВт, демонтированный и доставленный с территории Дании, был установлен на возвышенности с отметкой 101,4 метра над уровнем моря, на переломе рельефа недалеко от населенного пункта Куттузи, что является очень выгодным с точки зрения среднегодовой выработки ВЭУ. Агрегат используется до 1500 часов в год и производит около 80-110 тыс. кВт-ч/год.

Работа ветроагрегата предусмотрена параллельно с сетью. Система автоматики, смонтированная в панели управления, обеспечивает отключение агрегата в случае отклонения от стандартных значений параметров, которые она отслеживает: частота тока ветрогенератора, напряжение, сила тока, частота вращения ветрогенератора, температура в редукторе ветрогенератора и приводе, вибрация ветрогенератора, исчезновение тока, вырабатываемая мощность.

Электроснабжение потребителей ООО "Красное" осуществляется как от силового трансформатора 6,0/0,4 кВ, так и от ветроэнергетической установки. Когда потребители не работают, вырабатываемая ВЭУ электроэнергия переходит во внешние сети. В этом случае внешняя сеть является аккумулятором вырабатываемой электроэнергии. Так как суммарное потребление электроэнергии производством за расчетный месяц выше, чем производит ветроэнергетическая установка, то принято решение, что расчет за вырабатываемую энергию будет производится по сальдовому принципу.

Анализируя годовой график потребления электроэнергии предприятием ООО "Красное" следует отметить, что максимальная нагрузка приходится на зимние месяцы, снижаясь в летние месяцы. Приход ветровой энергии также имеет максимум в зимние месяцы, когда мы имеем высокие среднемесячные значения скоростей ветра. В результате такого совпадения по опыту эксплуатации энергосбережение на предприятии в отдельные периоды составляло 40-50 %.

Используя накопленный опыт эксплуатации первого ВЭУ датского производства, в 2003 году в том же районе была смонтирована и успешно эксплуатируется еще одна ветроустановка фирмы Vestas мощностью 95 кВт для энергоснабжения частного предпринимателя. Использование данной ВЭУ позволило значительно снизить объем покупаемой электроэнергии из внешней сети и тем самым существенно уменьшить затраты по оплате электроэнергии.

Еще один проект внедрения крупной сетевой ветроэнергетической установки реализуется для энергоснабжения фермерского хозяйства "Алакюль -2". Предполагается установка ВЭУ мощностью 500 кВт также датского производства. Участок с ВЭУ расположен на расстоянии 8 км от северного берега Финского залива на довольно высокой отметке и хорошо открыт преимущественным ветрам - западному и юго-западному. Особенностью энергоснабжения данного хозяйства является наличие длинной и очень напряженно работающей линией электропередач (ЛЭП), которая часто обесточивается. ВЭУ позволит повысить качество энергоснабжения и обеспечить существенное энергосбережение для данного фермера.

Исходя из имеющегося опыта, следует отметить, что ветроэнергетические установки датского производства можно успешно адаптировать к условиям эксплуатации в России. Решены проблемы не только монтажа и пусконаладки, но и вопросы комплектации, транспортировки оборудования, растаможивания, согласования, подключения и другие организационные проблемы. Этот опыт можно успешно тиражировать и в дальнейшем.

Схема энергокомплекса с ветроагрегатом небольшой мощности

Рис. 2. Схема энергокомплекса с
ветроагрегатом небольшой мощности

Для энергоснабжения небольших автономных потребителей, удаленных от сетевого энергоснабжения, применяются ветроэлектрические агрегаты специального исполнения, которые позволяют работать без внешнего источника тока. Такие ВЭУ снабжены специальными системами регулирования мощности и должны иметь систему аккумулирования энергии (электрохимическую батарею) или дополнительный источник энергии в виде небольшого дизельного или бензоагрегата, солнечной батареи, гидроэнергетической установки. Схема такого объединения ветроагрегата в энергокомплекс приведена на рисунке 2.

В настоящее время в России, в том числе и в Санкт-Петербурге, небольшими опытными партиями выпускаются ВЭУ малой мощности. Их характеристики приведены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики ветроэнергетических установок малой мощности

Наименование ВЭУ Мощность (кВт) Диаметр ветроколеса (м) Число лопастей ыходное напряжение (В) Расчетная скорость ветра (м/с) Предприятие -изготовитель
"ВЕТЭН - 0,16" "Шексна - 1" "ВТН 8 - 8" 0,16
0,5
8
1,6
2,8
8,45
3
2
2
12/220
220
230/400
11,0
7,0
11
ФГУП "Рыбинский завод приборостроения"
Ветросвет 015 Ветросвет 025 0,15
0,25
1,2 3
2
12 12 "Ветросвет", С-Петербург
"ВИНДЭК - 02" "ВИНДЭК - 05" "ВИНДЭК - 1" "ВИНДЭК -5" 0,2
0,85
1,00
5
1,6
3,6
3,6
5,5/7
1 12
24/220
48/220
48/96/220
9,0
8,0
9,0
10/7
"Агрегат-Привод", НИЦ "ВИНДЭК"
"УВЭ-300" "УВЭ-500" "УВЭ-1000/220-3,3" 0,3
0,5
1,00
2,2
2,2
3,3
3 12/24
12/24
24
8,0
11,0
10,0
ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор"
"Форвард - 05" 0,5 2,2 3 24/220 8,5 ММЗ "Вперед"
"Радуга- 001" 1,0 4,8 3 12/24 7,1 ГМКБ "Радуга"
"Сапсан - 1" "Сапсан -5" 1,0
5
3/3,8
5
3 48
48/220
7,5/9,0
14
"Сапсан-энергия ветра"
"ВЭУ-1500" 1,50 3,1 2 48/24/220 9,0 НПФ "Спецремтэкс"
"ВЭУ - 5 - 4" 4,2 5 24 24 10 НПО "Ветростар"
"Бриз 5000" 5 4,2 3,00 24/220 15,0 НПО "ЭлектроСфера"
"ВЭУ -16/30" 16/30 12 3 220/380 8/10 НПО "Ветростар"
"Радуга- 008" "Радуга- 016" 8
16
10 3 220/380 7,8
9,5
ГМКБ "Радуга"

К сожалению, пока нет устойчивого спроса на эту довольно материалоемкую и дорогую продукцию. Отсутствие спроса иногда связано с неполным пониманием конечной эффективности применения ВЭУ, так как часто не учитываются внеэкономические выгодыы:

Социальные - получение автономного источника электроэнергии для бытовых нужд, повышение качества жизнеобеспечения в изолированных районах

Экономические - подвод электроэнергии от существующих электросетей на расстояние в несколько километров часто оказывается значительно дороже. Кроме этого, часто на существующих ЛЭП бывает уже исчерпанной пропускная способность и необходимо проводить значительную реконструкцию сетей.

Экологические - снижение выбросов, особенно по сравнении с дизельными установками, экономия природных ресурсов, чистота окружающей среды.

Приведенные примеры демонстрируют возможности внедрения одиночных ВЭУ в условиях Северо-запада России. В то же время, с помощью ветроэнергетики в этом регионе могут решаться и более масштабные задачи.

Есть проект создания ветроэнерегетического комплекса для дополнительного энергоснабжения острова Котлин (Рис. 3.). Как известно, г. Кронштадт, расположенный на этом острове, получает энергоснабжение с материка по кабельным линиям с ограниченной пропускной способностью. Этот анклавный район не имеет собственных генерирующих мощностей. Перспективная схема развития острова предусматривает строительство и реконструкцию объектов, для энергоснабжения которых потребуется дополнительная мощность около 20 МВт.

Получение дополнительной мощности от материковых источников связано со строительством новых кабельных линий и сложно по техническим условиям. Для обеспечения дополнительной электроэнергией острова Котлин может быть построена ветроэлектростанция (ВЭС), первая очередь которой может составить мощность 3 МВт и которая будет работать в составе общей городской сети.

В случае сооружения ВЭС на о. Котлин город Кронштадт будет обеспечен независимым источником энергоснабжения, выполнено благоустройство и берегоукрепление части южного побережья о. Котлин. В связи с сооружением Кольцевой автодороги и обустройством этой части острова, данная ВЭС может явиться дополнительной эстетической доминантой в этом районе. Анализ графиков изменения скорости ветра показывает, что ВЭС может производить выработку электроэнергии от 40 до 70 % времени каждого месяца в течении года. Выработка энергии в часы пик составляет 50-70 % месячной выработки ВЭС.
Проект создания ветроэнерегетического комплекса для дополнительного энергоснабжения острова Котлин
Рис. 3.

Для определения района размещения ВЭС на о. Котлин было рассмотрено несколько площадок с учетом природных, хозяйственных и экологических аспектов. Строительство ВЭС в районе о. Котлин и защитной дамбы удобно тем, что там существует строительная база, имеются подъездные пути, не затрагиваются сельскохозяйственные земли, обеспечивается соответствующее расстояние от населенных районов. Учтены факторы влияния ВЭС на окружающую среду, такие как акустические, орнитологические, электромагнитные факторы, землеотведение, нарушение ландшафта и другие.

Было установлено, что наиболее приемлемой площадкой для размещения опытной ВЭС является место примыкания южного сегмента защитных сооружений к острову Котлин. Ветроэлектростанция может состоять из 5-ти или 6-ти ветроагрегатов мощностью по 600 или 500 кВт каждый, скомпонованных в одну линию. Они будут связаны между собой автодорогой, силовыми кабелями и средствами коммуникации. Было проведено сравнение зарубежных ветроагрегатов (W-3700/500, NM600/43, TW 600, W-4200/600), а также отечественных (Радуга-1, АВЭ-250) с точки зрения технологичности, возможности адаптирования к условиям Кронштадта, монтажа из стандартных узлов и продолжительности срока службы.

Сделан вывод, что наилучшими параметрами обладают ветроагрегаты типа NEG Mikon NM 600/43 (Дания).

Основные предварительные технико-экономические показатели ВЭС:
• Проектная мощность ВЭС - 3 МВт
• Тип и количество агрегатов ВЭС - 5 х 600 кВт, NEG Mikon NM 600/43
• Выработка электроэнергии - 11455 МВт-ч.

Суммарные затраты, включающие проектные работы, оборудование, монтаж и пусконаладку составят 4231400 у. е. При финансировании ВЭС в полном объеме (монтаж и ввод в эксплуатацию 5 установок) и получении гранта в объеме 50 % инвестиций, окупаемость средств, предоставляемых на возвратной основе (при цене за 1 МВт-ч = 42,75 у. е.), составит 4,3 года.

Важным обстоятельством реализации проекта может явиться возможность трансфера технологий производства ВЭУ на промышленные предприятия Кронштадта и Санкт-Петербурга. Данная ВЭС могла бы стать базовой и экспериментальной, опираясь на опыт эксплуатации которой можно будет монтировать ветроагрегаты как в Северо-Западном, так и в других регионах России.

Заключение

Актуальность и необходимость развития ветровой энергетики в России определяется ее ролью в решении следующих проблем:
• обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территориях. Объем завоза топлива в эти районы составляет около 7 млн. тонн нефтепродуктов и свыше 23 млн. тонн угля;
• обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущербов от аварийных и ограничительных отключений;
• снижение вредных выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения.

Мировой опыт развития возобновляемой энергетики и ветроэнергетики в том числе, свидетельствуют о необходимости поддержки возобновляемой энергетики со стороны государственных и региональных органов власти. Применительно к России такие средства могут поступать от трех источников:
• администрации субъектов Российской Федерации непосредственно отвечают за энергообеспечение населения, поэтому необходимо, чтобы средства, выделяемые регионам на развитие возобновляемой энергетики направлялись для строительства только таких объектов.
• за счет средств федеральной адресной целевой программы на планируемый год под строительство объектов ВИЭ в порядке реализации Федеральной целевой программы "Энергоэффективная экономика";
• за счет средства от инвестиционной составляющей тарифа на электрическую энергию, которые по решению Федеральной Энергетической Комиссии могут частично направляться на развитие ВИЭ.

Годовая потребность России в инвестициях на развитие ВИЭ составляет порядка 5-7 млрд. руб. в год для ввода к 2010 году 1200 МВт электрической мощности и 8200 МВт тепловой мощности.

Для преодоления отставания России в масштабах использования ВИЭ, и в том числе ветроэнергетики, следовало бы принять ряд неотложных мер:
— разработать и принять Федеральный закон "О возобновляемых источниках энергии";
— разработать и принять Постановление Правительства "О мерах по развитию использования возобновляемых источников энергии" с указанием государственных целей по вводу мощностей на базе ВИЭ;
— обеспечить ежегодное финансирование из федерального бюджета в объеме 250-300 млн. рублей для реализации раздела "Энергообеспечение регионов, в том числе северных и приравненных к ним территорий, на основе использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и местных видов топлива" ФЦП "Энергоэффективная экономика", утвержденной Постановлением Правительства;
— назначить федеральный орган исполнительной власти, отвечающий за развитие использования ВИЭ в субъектах Российской Федерации (при наличии ресурсов ВИЭ);
— организовать Государственный центр по использованию возобновляемых источников энергии.

Примечание издателя

В дополнение к настоящей статье, убедительно показывающей перспективные возможности и преимущества использования ветроэнергетики, можно сделать некоторые комментарии в ответ на типичные аргументы оппонентов ветроэнергетики. Наиболее часто встречаются утверждения, что ВЭС являются источником инфразвуковых колебаний, негативно влияющих на живую природу, а также губительно действуют на птиц и насекомых, оказавшись на их пути. Санитарные нормы и правила (СниП) регламентируют предельно допустимые нормы инфразвуковых излучений в различных рабочих зонах от 60 до 110 дб. ВЭС, выпускаемые в последние десятилетия, производят инфразвук значительно меньших уровней. Что касается гибели птиц, то одна ветроустановка приводит к таким же последствиям, как 2-3 км линий электропередач. Поскольку ВЭС являются локальными источниками энергии и снижают потребность в строительстве ЛЭП, то интегральный эффект от их внедрения в отношении птиц скорее всего положительный.

Yandex citirovania