Введение
Республика Казахстан обладает значительными ресурсами возобновляемой энергии в виде солнца, гидроэнергии и ветровой энергии. Однако, до настоящего времени, эти ресурсы не нашли широкого применения, за исключением гидроэнергии, которая частично используется для производства электроэнергии на гидроэлектростанциях. Таким образом, доля возобновляемой энергии в энергетическом балансе страны находится на уровне одного - двух процентов за счет использования гидроэнергии.
Специальные исследования, проведенные в рамках совместного проекта Программы развития ООН и Министерства энергетики и минеральных ресурсов Республики Казахстан, показали наличие хорошего ветрового климата и условий для строительства ветроэнергетических систем (ВЭС) в ряде районов, расположенных в различных регионах Казахстана. С использование метеоданных был разработан ветровой атлас Казахстан, представляющий собой карту с распределением скорости ветра на всей территории страны. Приблизительная оценка ветроэнергетических ресурсов Казахстана на основе ветрового атласа показывает, что на площади более 50 000 кв. км на высоте 80 метров наблюдается среднегодовая скорость ветра более 7 м/с. Утилизация этого потенциала позволила бы ежегодно вырабатывать около 1000 ТВт·ч электроэнергии, что на порядок превышает потребности Казахстана в электроэнергии. На основе проведенных исследований были подготовлены инвестиционные предложения по строительству ветроэлектростанций в Казахстане. Суммарная мощность ветроэлектростанций на исследованных площадках может составить порядка 1000 Мвт с годовым обьемом производства электроэнергии около 3 млрд. кВтч. Информация по ветропроектам помещена на сайте www.windenergy.kz.
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.
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 1582 г. в Голландии была построена первая маслобойня, которая использовала энергию ветра, через 4 года - первая бумажная фабрика, которая удовлетворяла повышенные требования к бумаге, обусловленные изобретением печатной машины.
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.
A) Крыльчатые
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.
Рисунок 1.1 - Крыльчатые ветродвигатели с разным количеством лопастей.
B) Карусельные
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.
C) Ортогональные
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.