Время большой ветроэнергетики

Лейзерович А. Ш.

Одним из наиболее перспективных направлений борьбы с загрязнением атмосферы является более широкое использование в большой энергетике экологически чистых, возобновляемых энергоресурсов. При этом, однако, необходимо выполнение двух условий: во-первых, их мощность должна быть соизмерима с мощностью традиционных электростанций; во-вторых, приведенная стоимость электроэнергии для них также должна быть соизмерима с затратами на производство электроэнергии на существующих электростанциях. Неожиданно для многих, в последние годы к выполнению обоих этих требований вплотную подошли ветроэнергетические установки (ВЭУ).
До недавнего времени ветряные турбины устойчиво рассматривались как принадлежность малой или локальной энергетики. При этом их единичная мощность не превышала 25 - 30 кВт, и приведенная цена производимой электроэнергии, несмотря на даровую энергию ветра, на порядок превосходила себестоимость электроэнергии современных ТЭС и АЭС.

Рис. 1. ВЭУ мощностью 2,5 МВт фирмы Nordex (ФРГ)

Ситуация начала меняться в середине 80-х годов прошлого века 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 ветроэлектрических станций (windpower farms) из десятков и сотен ВЭУ [1].
С тех пор, и особенно за последние несколько лет, ветроэнергетика стала одной из наиболее бурно и успешно развивающихся отраслей промышленности мира [2-23]. По оценкам специалистов за два десятилетия сменилось уже семь поколений ВЭУ. Их единичная мощность в настоящее время достигает 1,5 - 2,5 МВт. Первые ВЭУ этого класса производства европейских и японских фирм были введены в эксплуатацию в 1998 - 1999 гг. Их производительность, измеряемая в годовом производстве электроэнергии, отнесенном к площади обметаемой поверхности, достигает 1000 кВт-ч/м2.
В ближайшее время можно ожидать роста единичной мощности ВЭУ до 3 - 5 МВт за счет увеличения длины лопастей и высоты башни установки. При этом диаметр ротора порядка 150 м, требуемый для достижения мощности в 5 МВт, является, по-видимому, предельным при используемых материалах и технологиях. Такой ротор в собранном виде будет иметь массу порядка 200 т, что создает определенные трудности при транспортировке и монтаже [2]. Наиболее мощная действующая ВЭУ (2,5 МВт) поставки датской фирмы Nordex с диаметром ротора и высотой башни порядка 80 м была сдана в эксплуатацию весной 2000 г. в ФРГ (Grevenbroich), рис. 1.

Уже существующие, сооружаемые и проектируемые наземные ветровые электростанции (ВЭС) имеют установленную мощность до 200 - 300 МВт. В настоящее время в США в процессе разработки и реализации находится несколько проектов мощных ВЭС, в том числе ВЭС Stateline на границе штатов Орегон и Вашингтон мощностью 300 МВт с предполагаемым завершением строительства в 2002 г., две ВЭС суммарной мощностью 560 МВт в штате Невада, ВЭС King Mountain мощностью 278 МВт и Pecos County с 90 ВЭУ по 1,5 МВт фирмы Enron Wind в штате Техас и ряд других [4, 7, 9 - 11, 13, 16, 23]. В перспективе рассматривается создание еще более мощных ВЭС. Так, в Великобритании проектируется ВЭС Lewis на Гебридских островах установленной мощностью 600 МВт (300 х 2 МВт) [18].

В последние годы за рубежом достигнуты большие успехи в увеличении единичной мощности ветровых электростанций (ВЭС) и турбин с 50- 100 кВт до 1 - 1,5 МВт. Они работают с трансформацией получаемой энергии в высоковольтные электрические сети. Ветроэнергетика развивается во многих странах мира, в том числе в Германии, Дании, Швеции.

Наряду с этим, все более широко ведется строительство ВЭС в прибрежных водах, где обычно среднегодовая скорость движения воздушных масс выше, чем на суше, и турбулизация воздушных потоков значительно меньше благодаря отсутствию складок местности, искусственных сооружений и др. при этом также снимаются весьма острые для развитых стран вопросы об отчуждении земли и звуковом воздействии на окружение.
Очень популярна, в частности, идея прибрежных ВЭС в Великобритании. Уже запланировано сооружение 14 ВЭС по 30 ВЭУ единичной мощностью 2 - 2,5 МВт, устанавливаемых в прибрежной полосе на расстоянии до 10 км от берега; первые две ВЭУ производства Westas Wind Systems мощностью по 2 МВт, установленные на удалении примерно 1 км от берега, были введены в эксплуатацию в 2000 г. в Blyth на побережье Северного моря.
В проливе Эресунн между Данией и Швецией сооружается ВЭС Middlegrunden, состоящая из 20 ВЭУ фирмы Bonus мощностью по 2 МВт; близко к завершению сооружение шведской ВЭС Utgrunden из семи ВЭУ по 1,5 МВт, вынесенных в Балтийское море на расстояние 12 км от берега; в Ирландии проектируется ВЭС Arklow Bank на базе ВЭУ единичной мощностью 2,5 МВт в перспективе общим числом до 200 [6 - 8, 14, 15, 17 - 20, 22].
Существующие и большинство проектируемых прибрежных ВЭУ используют глубины до 20 - 25 м. Вместе с тем, в ряде стран, в том числе в США, где площади прибрежного мелководья невелики, уже сейчас рассматриваются проекты ВЭС на плавучих платформах, закрепляемых на глубоководных участках побережья. Понятно, что капитальные затраты (равно как и стоимость обслуживания) для прибрежных ВЭС больше, чем для наземных. Для них на долю собственно ВЭУ приходится лишь 45% капитальных затрат, тогда как для наземных ВЭС стоимость ВЭУ составляет около 70% [22].
Если в начале 80-х годов прошлого века себестоимость электроэнергии, производимой ВЭС, составляла примерно 38 центов США за 1 кВт-ч, то в настоящее время (для наземных ВЭС) она оценивается в 3 - 6 центов за 1 кВт-ч. Эта цифра ниже для более мощных ВЭС с более современными ВЭУ большей единичной мощности. При этом, например, в США возможно также получить дополнительные налоговые льготы, снижающие стоимость электроэнергии на 0,7-1,7 цента на 1 кВт-ч. В результате, скажем, для сооружаемой ВЭС Stateline на границе штатов Орегон и Вашингтон из 450 ВЭУ суммарной мощностью 300 МВт ожидаемая стоимость электроэнергии составит 2,5 цента за 1 кВт-ч при капитальных затратах в 300 млн. дол. [4, 9 - 11]. Для сравнения стоит указать, что средняя по США себестоимость электроэнергии, производимой угольными и газовыми ТЭС, в 1999 г. составила 2,07 и 3,52 цента за 1 кВт-ч, а для АЭС была равна 1,83 цента за 1 кВт-ч [24].
Увеличение единичной мощности ВЭУ, использование прогрессивных конструктивных решений и материалов, более глубокая специализация ВЭУ с учетом места размещения, силы и постоянства воздушных потоков позволяют рассчитывать на дальнейшее снижение стоимости электроэнергии, производимой ВЭС. В результате, по оценкам, ВЭС могут оказаться источником самой дешевой электроэнергии, производимой в промышленных масштабах [10, 11, 13, 16, 17].
Важнейшим фактором развития ветроэнергетики является создание ветровых кадастров, составление карт распределения ветроресурсов [16].
Существенно влияние ветроэнергетики на сокращение выбросов в атмосферу. Так, в Дании, где к 2010 г. предполагается достичь более 25% выработки электроэнергии за счет возобновляемых энергоресурсов, главным образом за счет ветроэнергетики, ожидается сокращение выбросов CO2 в атмосферу с 60 в 1995 г. до 55 млн. т в год в 2010 г. Замедление роста загрязнения атмосферы благодаря развитию ветроэнергетики наблюдается в таких странах, как Германия и Испания, лидерах (наряду с Данией) европейской ветроэнергетики [7].
На конец 1999 г. суммарная установленная мощность ВЭУ в мире составила 13 932 МВт при приросте мощности за год в 3922 МВт и суммарном за год количестве произведенной электроэнергии свыше 30 ГВт-ч. Общий оборот мирового рынка ВЭУ в 1999 г. превысил 3 млрд. дол. В 2000 г. прирост мощности ВЭУ несколько замедлился - до 3800 МВт, но уже в 2001 г. было введено более 6500 МВт ВЭУ, и их общая установленная мощность достигла примерно 24 ГВт.
К 2010 г. прогнозировалось увеличение суммарной установленной мощности ВЭУ в мире до 57 ГВт, к 2020 г. - до 106 ГВт. По-видимому, эти цифры будут скорректированы в сторону увеличения. По данным Американской и Европейской ветроэнергетических ассоциаций (AWEA и EWEA) наибольшая суммарная установленная мощность ВЭУ на конец 1999 г. зафиксирована в Германии (4072 МВт), США (2502 МВт, в том числе 1554 МВт в Калифорнии), Дании (1733 МВт), Испании (1722 МВт), Индии (1077 МВт), Великобритании (534 МВт), Нидерландах (428 МВт) и Китае (300 МВт). В 2001 г. установленная мощность ВЭУ в США достигла 4265 МВт, в том числе за последний год было введено почти 1700 МВт, из них в Техасе 915 МВт.

Рис. 2. Ветроэлектростанция Palm Springs, Калифорния, с 1000 ВЭУ единичной мощностью по 55 кВт

Уже в настоящее время Дания и отдельные регионы, например, Германии, покрывают более 10% своей потребности в электроэнергии за счет ВЭУ. Задача - довести к 2010 г. долю ВЭУ в общем производстве электроэнергии до этого уровня - поставлена перед энергетикой Германии в целом (в 2000 г. ВЭУ покрывали 3,5% общей потребности страны). Аналогичная задача, но к 2020 г., ставится в Испании и Великобритании. В США предполагается к 2020 г. довести долю ВЭУ до 5% общей установленной мощности, в отдельных штатах (в первую очередь, в Калифорнии и Техасе) выдвигаются значительно более амбициозные проекты [4, 12, 13, 16, 17, 21, 23].
В качестве основных недостатков мощных ВЭС, помимо все еще сравнительно высокой приведенной стоимости электроэнергии, обычно называется необходимость отчуждения довольно больших площадей для размещения сотен крупных или тысяч мелких ВЭУ, чтобы получить сотни мегаватт установленной мощности, “марсианизация” традиционных ландшафтов и “обезображивание” линии горизонта, звуковое воздействие на окружающую среду, нарушение путей миграции птиц [16]. Вместе с тем, опыт показывает, что эти отрицательные эффекты, по крайней мере, преувеличиваются и они, во всяком случае, никак не больше, чем для нефтяных вышек или линий электропередачи. На рис. 2 показан вид ВЭС Palm Springs в Калифорнии, где установлена 1000 ВЭУ единичной мощностью 55 кВт.
Современные мощные ВЭУ с горизонтально расположенной осью вращения производятся в Дании, Германии, США, Швеции, Японии, Испании (ВЭУ с вертикальной осью вращения имеют меньшую единичную мощность и в настоящее время менее распространены) [16, 21, 25]. Датские изготовители покрывают примерно 28% ввода новых мощностей ВЭУ. Новыми фигурами среди производителей ВЭУ стали GE Wind Energy, новое дочернее предприятие фирмы GE Power Systems Enron на базе крупнейшего до того в США производителя ВЭУ Wind Corp. и Shell WindEnergy, дочернее предприятие компании Shell. Фирмой GE Wind Energy изготовлена ВЭУ рекордной на сегодняшний день единичной мощностью 3,2 МВт, установленная и проходящая приемочные испытания в Испании.

Рис. 3. Сопоставление капсул традиционной ВЭУ (а) и Windpower (в) [5]:
1 - редуктор; 2 - асинхронный генератор; 3 - трансформатор; 4 - статор с кабельной обмоткой; 5 - ротор с постоянным магнитом

Характерным примером современной ВЭУ является установка мощностью 1 МВт фирмы Mitsubishi Heavy Industries [26]. Диаметр ротора ВЭУ - 56 м при такой же высоте несущей башни. Три лопасти ротора длиной 26,8 м выполнены из пластика, армированного стекловолокном, и размещаются на наветренной (upwind) стороне. Это конструктивное решение наиболее характерно и используется чаще всего. В то же время, например, ВЭУ того же класса (1000 кВт) американской фирмы Wind Turbine Company выполняется с двухлопастным ротором, устанавливаемым на подветренной (downwind) стороне.
Расчетный срок службы ВЭУ принимается порядка 20 лет. ВЭУ рассчитывается на скорость ветра, изменяющуюся в диапазоне от 3 до 25 м/с; максимальная скорость ветра, которую должны выдержать ротор ВЭУ и несущая башня, 60 м/с.
Энергия вращения ротора передается через редуктор на асинхронный генератор, размещаемые в капсуле (гондоле) ВЭУ. ВЭУ оснащается устройством плавного запуска. С уменьшением скорости ветра мощность ВЭУ снижается; угол установки лопастей относительно набегающего потока регулируется в зависимости от скорости ветра. Аэродинамика лопастей рассчитывается в трехмерной постановке с учетом эффекта срыва потока.
Для уменьшения шума от вращающегося ротора лопасти специально профилируются с сужением к концу; капсула ВЭУ имеет специальную звукоизоляцию. Уровень шума в непосредственной близости от ВЭУ, работающей с расчетной мощностью 1 МВт, составляет 99 дБ.
Весьма перспективную концепцию ВЭУ, названную Windformer™, предлагает фирма АВВ [5]. При этом ротор генератора переменной частоты вращения с постоянными магнитами соединяется напрямую с ротором ветротурбины - рис. 3, б. Генерируемый переменный ток высокого напряжения (свыше 20 кВ) 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.
Таким образом, в отличие от традиционной ВЭУ в Windformer вместо обычного асинхронного генератора используется специальный Powerformer™ - генератор высокого напряжения, отсутствуют редуктор, устройство плавного запуска, трансформатор. Все это существенно сокращает размеры капсулы ВЭУ, повышает общую надежность и ремонтопригодность, снижает уровень шума.
Первый Windformer расчетной мощностью 3 МВт с трехлопастным ротором диаметром 90 м и высотой башни 70 м устанавливается в Швеции (прибрежная ВЭС Nasudden). При среднегодовой скорости ветра 8 м/с ожидаемая выработка электроэнергии должна составить около 11 ГВтч, что соответствует производительности свыше 1700 кВт-ч/м2.
В связи с тенденцией в ряде стран к дерегулированию и дезинтеграции энергообъединений особое внимание уделяется работе ВЭУ в изолированных, относительно слабых энергосистемах [13, 17]. Так, ВЭУ фирмы Enron Wind поставляются с встроенной системой динамической стабилизации напряжения в сети, автоматически варьирующей выработку реактивной мощности. В США установлено более 200 ВЭУ мощностью 750 кВт и 1,5 МВт, оборудованных подобными системами.

Список литературы

1. Сорен К., Кожевников Η. Н. Датские ветряные электростанции - история индустриального успеха. - Электрические станции, 1999, № 5.
2. Hansen J. The future of wind is growing larger. - Modern Power Systems, 1999, March.
3. Bourillon C. Wind of opportunity. - Modern Power Systems, 1999, March.
4. Chambers A. Wind power spins into contention. - Power Engineering, 2000, February.
5. Wind power goes larger scale / Dahigren M., Frank H., Leijon M., Walfridsson L. - ABB Review, 2000, October.
6. Wind on the water. - Modern Power Systems, 2000, December.
7. Largest wind farm planned; Offshore investment starts to pay off. - Modern Power Systems, 2001, January.
8. UK ambitions in the renewable market; French farming expansion; 2-MW rotor design tested. - Modern Power Systems, 2001, March.
9. Wind picks up in the US. - Power, 2001, March / April.
10. Wind Becomes Increasingly Cost Competitive. - Power Engineering, 2001, April.
11. Davis K. Wind remains renewable “golden boy”. - Electric Light & Power, 2001, April.
12. Henken-Melies F. What is the Contribution of Renewables to Electricity Generation? - VGB PowerTech, 2001, August.
13. Leyzerovich A. Wind Turbines for Big Power Industry; Robb D. Wind Power Technological Advancements Boost Growth of Distributed Generation. - Energy-Tech, 2001, October.
14.  Wagner A, KUhn M. Offshore wind: Utgrundgen leads the way. - Modern Power Systems, 2001, October.
15. Plan for 200 offshore turbines in the wind. - Modern Power Systems, 2001, November.
16. Swisher R., Real de Azua Ch., Clendenin J. Strong Winds on the Horizon: Wind Power Comes of Age. - Proceedings of the IEEE, 2001, December.
17. Hatziargyriou N., Zervos A. Wind Power Development in Europe. - Proceedings of the IEEE, 2001, December.
18. Sanford L. UK aims for wind domination. - Modern Power Systems, 2002, January.
19. Nielsen Ch. Plans for Offshore Wind Power in Denmark. - VGB PowerTech, 2002, February.
20. High-tech wind turbines hit the high seas. - Power 2002, March / April.
21. AWEA Conference Reflects Record US Wind Capacity Installation. - Power Engineering, 2002, July.
22. Robb D. Offshore Wind Struggles to Gain Foothold in North America. - Power Engineering, 2002, August.
23. Pratt T. European wind power leads the global market. - Power, 2002, September.
24. Nuclear costs less than coal. - Nuclear Engineering International, 2001, Febryary.
25. Harison R., Hau E, SnelH. Large Wind Turbines. Design and Economics. John Wiley & Sons, 2000.
26. Development of 1000 kW Wind Turbines / Takatsuka H., Kato E., Osada I., Shibata M. - MHI Technical Review, 2000, October.