7.3. Вітроенергетика і мала гідроенергетика

7.3.1. Потенціал і перспективи розвитку вітроенергетики

Людство з давнени послуговувалося енергією вітру. Ще первісні люди використовували видовбані човники з вітрилами. Стародавні перси задовго до голландців мололи зерно за допомогою вітряків, причому їхні вітряні млини обер­талися на вертикальній осі. Чимало століть тому голландці вже застосовували вітряки не тільки для перемелювання зерна, а й для відкачування води з обвалованих понижень ландшафту, на яких обробляли сільськогосподарські культури. Довжина лопа­тей у голландських вітряках сягала 12 м. Багато вітряних млинів Голландії, яким нині понад 500 років, усе ще в робочому стані.

У 50-х роках. XIX ст. у США був винайдений новий тип вітряків — багатолопатевий, а вже до середини ХХ ст. близько 6 млн багатолопатевих вітряків на території США качали воду

з криниць і першими забезпечували електрикою американських фермерів, мололи зерно, давали світло й тепло, допомагали сільським районам підключатися до радіо. У віддалених від про­мислових центрів і міст фермах та селищах, куди нерентабельно або дуже складно тягнути лінії електропередач, і тепер — не лише в США, а й в інших країнах Європи та Азії — вітряки ефективно використовуються як малопотужні енергоустановки (для відка­чування води з колодязів, свердловин, для освітлення, живлення електроогорож тощо).

До революції 1917 р. у Росії понад 200 000 вітряних млинів виробляли близько 95 % борошна, десятки тисяч вітряків функціонували в Україні, ефективно використовуючи енергію вітру. Згодом в Україні налічувалося близько 30 тис. вітряків, які виробляли до 200 тис. КВтт енергії. З початком колективізації їх число значно зменшилося, а до 1988 р. — залишилося всього 15!

Перший вітроаґреґат у колишньому СРСР було побудовано 1931 р., він мав потужність 100 кВт і пропрацював до 1941 р. З об'єктивних причин країна після війни не зуміла закріпити свої успіхи й далі розвинути будівництво вітроелектроустановок (ВЕУ). Від 1990 р. в Росії знову проводять роботу зі створення ефективних вітродвигунів потужністю 30, 60, 100, 250, 1000 та 1050 кВт. У 90-х роках. XX ст. планувалося будівництво цілої низки вітроенергетичних станцій: біля Ленінграда (25 МВт), у Казахстані (15 МВт), Криму (12,5 МВт), Дагестані (6 МВт), але після розпаду СРСР ці плани так і не було втілено в життя.

Вітроенергетика є похідною від впливу активності Сонця на земну атмосферу. На сучасному етапі це одна з найперспек-тивніших галузей нетрадиційної енергетики. За наявними прогнозами вже на початку ХХІ ст. вітрова енергетика задо­вольнятиме від 1.2 % до 10.15 % електроенергетичних потреб у різних країнах Європейського Союзу. Загальна потужність ві­троенергетичних установок під 2005 р. становитиме 8,0 млн кВт. Найефективнішими вважають ВЕУ потужністю 100 — 200 кВт. Існує позитивний досвід роботи вітроустановок потужністю 300.1 500 кВт з вітроколесами діаметром 40 — 60 м.

У Європі провідне місце належить Данії, де побудовано 3 600 ВЕУ, що вже тепер виробляють 3 % від загального об'єму

електроенергії країни. Причому 3 218 вітроаґреґатів сполучені між собою загальною мережею встановленою потужністю 418 МВт, яка виробляє 740 млн кВтт на рік. Активна робота з використання енергії вітру проводиться у Великобританії, де екологічні й метеорологічні умови є сприятливими. Потенціал ВЕУ, споруджуваних на узбережжі, на ізольованих островах і плавучих платформах, становить тут 220-106 кВтт на рік (20 % електропостачання Великобританії). Термін окупності ВЕУ середньої потужності за швидкості вітру 8 м/с становить 5...7 ро­ків, а термін служби — 15...20 років.

Якісне зрушення в розвитку цього напряму нетрадиційної електроенергетики в Україні намітилося після Чорнобильської катастрофи й дістало додатковий імпульс за останні десять років. Дотепер розроблена ціла серія вітроустановок різної по­тужності (0,5; 1,5; 2; 4; 10; 25; 80; 100 кВт) і різного призначення. Створені вітроустановки з горизонтальною віссю обертання й потужністю 200, 250, 500 кВт і вертикальною віссю обертан­ня — 1 250 кВт, виготовлено 40 ВЕУ потужністю 200 кВт, які призначені для роботи на лінії електропередач. Нині (спільно з американською фірмою «Віндпавер») реалізується великий проект щодо створення вітростанції USW-56—100 зі встанов­леною потужністю 500 МВт на базі ВЕУ (потужність окремої установки 107,5 кВт, кількість 5 000 шт.). Вітроелектростанції цього типу будуть розміщені в Криму, де вже змонтовані і пра­цюють 32 такі установки. Усі вітроелектричні установки можуть працювати в комплексі з ншими енергоустановками, що вико­ристовують відновлювані джерела енергії.

Окрім завважених науково-технічних і виробничих чинни­ків, які окреслюють перспективи розвитку вітроенергетики, досить важливим є рівень потужності вітрового потоку, котрий визначає доцільність застосування ВЕР у тому або тому реґіоні.

Україна має величезні ресурси вітрової енергетики. Відомо, що енергію вітру можна використовувати за v > 3 м/с, а макси­мальної ефективності досягають у районах, де v > 5 м/с. До таких районів належить Азово-Причорноморська зона, Донецька, Луганська, Запорізька області, район Карпат. Тут спостерігаєть­ся максимально можливе використання енергії вітру, бо час роботи вітродвигуна дорівнює близько 600 г/місяць. Мінімальна енергія вітру припадає на середню течію Дніпра й північно-західну частину України (січень — 500 годин). Нескладні роз­рахунки показали, що в приморській зоні України, в Донбасі та Південній частині степів ВЕУ працюватимуть 180.200 повних робочих днів за швидкості вітру v = 5 м/с. Відповідно, запаси ві­трової енергії становитимуть 2...2,5 тис. кВт-р/м2. Аналіз даних щодо вітрової ефективності України свідчить про великі по­тенційні можливості й доконечність розвитку вітроенергетики для забезпечення електрикою і теплом, насамперед, автономних сільськогосподарських споживачів. ВЕР потужністю до 1 кВт є достатньою, щоб забезпечити енергією підсобне господарство. Серія установок загальною потужністю 150—200 кВт задоволь­нить 50 % потреби в електроенергії, що її має селище з насе­ленням 1 000 чол., дасть змогу заощадити до 300 тис. кВт на рік. Установка потужністю 50 — 60 кВт розв'яже інші проблеми його енергозабезпечення (теплом, водою тощо), при цьому буде зеко­номлено ще до 200 тис. кВт електроенергії на рік.

Сумарна площа, на якій доцільним є одержання електро­енергії від вітроустановки, становить близько 20 % всієї площі України, а можливий річний енергетичний потенціал ефектив­ного використання ВЕР — 300...600 млрд кВтт електроенергії. (Для порівняння: у 1992 р. всіма електростанціями України вироблено 282,6 млрд кВтт електроенергії). У перспективі об­сяг електроенергії, виробленої ВЕР України, може становити 15...20 % від загальної кількості електроенергії, яку виробляють традиційні електростанції. Отже, використання вітроустановок для виробництва електроенергії є найефективнішим і найпри-вабливішим способом утилізації вітрової енергії. Тим самим вона сприятиме зменшенню неґативного впливу традиційної енергетики на екологію окремих реґіонів, зокрема таких напру­жених, як Донбас, на екологію курортних зон Криму і, взагалі, Чорноморського й Азовського узбережжя.

Сумарну кінетичну енергію вітру над планетою оцінюють у приблизно в 2,43-1015 кВт-г, що в 5 разів перевищує сучасне світове споживання електроенергії. Технології його використання ста­ють усе ефективнішими, екологічність вітроустановок, порівняно з ТЕС й АЕС, є досить значною, перспективи вітроенергетики оцінюються високо: до 10—12 % від загальної електроенергії, що виробляється у світі (під 2050 р.) і до 10—25 % — від електрики, яку використовують у США.

За розрахунками фахівців, у 2000 р. сумарна потужність вітро­електростанцій США досягла 50 млн кВт, в Україні — 2 млн кВт.

Нині європейські уряди витрачають на дослідження щодо розвитку вітроенергетики в 10 разів більше коштів і планують у найближчому майбутньому виробляти в 2 рази більше електри­ки за допомогою вітру, ніж у США.

До 2000 р. вартість вітроенергетики практично зрівнялася з вартістю атомної й теплової енергетики.

Особливості конструкцій вітродвигунів. Енергія вітру має свої особливості: невелику концентрацію, віднесену до одиниці об'єму повітряного потоку, випадковий характер зміни швидко­сті. Енергія виробляється, коли лопаті вітродвигуна обертають­ся під натиском вітру. Величина енергії, що виробляється при цьому, залежить від розмірів, форми, кількості лопатей, від сили вітру і зростає пропорційно квадрату довжини лопаті й кубу швидкості вітру. Кількість лопатей у роторі може бути різною:

1, 2, 3, 4, 8, 18, 30 тощо.

Кінетичну енергію вітрового потоку обчислюють за форму­лою:

А = mV2/2,

де m — маса рухомого повітря, кг; V — швидкість вітру, м/с. Потужність вітрового потоку визначається як

Р = p-FV/2,

де р — густина повітря, кг/м3; F — площа, що її перетинає вітро­вий потік, м2.

Теоретичний ККД ідеального вітрового колеса (критерій Бетца), який характеризує перетворення потужності повітряно­го потоку, що проходить крізь площу його перерізу, в потужність на валу колеса, становить 16/27=0,59. Проте, реальний ККД не перевищує 0,45. Наприклад, вітрове колесо з лопаттю в 10 м за­вдовжки при швидкості вітру 10 м/с може мати потужність на валу не більшу від 85 кВт.


Нині існує багато різних конструкцій вітроаґреґатів — не тільки пропелерного типу, а й у формі щитів, що гойдаються під натиском вітру (з горизонтальною і вертикальною віссю обертання). Сучасні вітродвигуни — це складні автоматизовані електромеханічні системи з перетворення енергії вітру на елек­троенергію заданої якості. Головними елементами вітроаґреґату є ротор (лопаті), генератор, коробка передач, струмозбирачі, електрокабелі, щогла (рис.7.6).

Вітрові турбіни можна використовувати, для виробництва електрики індивідуально або в кластерах, які ще називають вітря­ними станціями. Тепер якнайширше використовуються турбіни, що мають три скловолоконні лопаті 20—30 метрів (66—98 футів) в діаметрі. Вітряні станції, більшість з яких автоматизовані, дають приблизно 1 % електрики для Каліфорнії — цього досить, аби забезпечити нею 280 000 будинків.

Залежно від потужності генератора, вітроустановки по­діляють на класи, параметри і призначення яких наведено в табл.7.7.

Більшість великих вітродвигунів розраховано на роботу при швидкості вітру 17—58 км/г, оскільки вітер зі швидкістю менше 17 км/г дає обмаль корисної енергії, а швидкість понад 58 км/г загрожує роботі аґреґату й може спричинити його зіпсуття. Великі пропелерні лопаті схильні до "втомлюва­ності". Як правило, двигуни встановлюють на високих щоглах (вежах) — від 30—40 до 60—70 м таким чином, аби лопаті були відкриті сильнішим вітрам, що дмуть на значних висотах. Високі щогли потребують особливої міцності конструктивних матеріалів.


Оскільки швидкість вітру варіює, суттєво змінюється в короткі проміжки часу і веде до різкої зміни числа обертів гене­ратора за секунду, то змінний струм, що виробляється у процесі обертання осі, випрямляють, тобто перетворюють на постійний (електронний перетворювач установлюють у великих вітродви­гунах, акумуляторні батареї — в малих).

Акумуляторні батареї є доконечно потрібними для накопи­чення електроенергії на періоди, коли немає вітру.

Як свідчить досвід експлуатації вітродвигунів за останні 20 років, гігантські вітротурбіни (на зразок MOD-2, США, вежа 61 м заввишки, лопаті робочого колеса турбіни мають загальну довжину 92 м, вага кожної — 80 т, потужність — 2,5 МВт) будуть нерентабельні, надто складні й ненадійні. Значно перспектив­нішою вважають розробку вітродвігунів потужністю 50, 100, 200 і 500 кВт для забезпечення електрикою міст, муніципальних

підприємств і 8—50 кВт — для забезпечення нею сільських райо­нів, фермерських господарств.

Термін окупності вітроенергетичної установки залежно від місцевості, наявності комунікацій, потужності самого облад­нання тощо становить 3—8 років.

Питомі капітальні витрати для станції малої потужності дорівнюють 800 —1 000 дол США за 1 кВт установленої потуж­ності та знижуються зі збільшенням потужності установки. Так, капітальні витрати на вітроенергетичну станцію потужністю 250 кВт (Данія) становлять 40 тис. дол США при терміні окуп­ності 6—7 років.

Рівні виробництва електроенергії за рахунок вітроустановок у країнах ЄС ілюструє рис.7.7.

0          30        60        90        120 150

Рис.7.7. Виробництво електроенергії за рахунок вітроустановок у країнах ЄС

Прикладом ефективного використання вітроенергетики може слугувати "вітряний парк" (Західне узбережжя, Шлезвіґ-Гольштайн, Німеччина). Наприкінці 1987 року недалеко від Брюнсбюттеля на узбережжі Північного моря запрацювала перша в Європі велика вітрова станція. На площі 21 га рів­нинного ландшафту на греблях було встановлено на бетонних

і сталевих вежах 32 вітродвигуна середньої потужності. Поблизу Вільгельмсхафена (Нижня Саксонія) наприкінці 1989 р. також установили 3 шістдесятиметрові вежі з лопатями 28 м завдовжки (однолопатеві). Ці вітротурбіни виробляють по 640 кВт електро­енергії, здатної задовольнити потреби 1 600 домашніх госпо­дарств. В Індії ледве чи не 3 000 середніх вітротурбін уведено в експлуатацію останніми роками.

1993 року в Україні, в районі затоки Доузлав (Крим) запус­тили вітростанцію, побудовану за співпраці американських та українських фахівців. Її потужність становить 500 МВт (53 аґре-ґати USW-56-100). Успішно функціонує Акташська ВЕС (11 ВЕУ АВЕ-250 виробництва НВО «Південне»). Вітроелектростанції Криму з початку експлуатації й до кінця століття виробили близько 10 млн кВт-г.

Згідно з комплексною програмою будівництва ВЕС в Україні до 2010 р. передбачено спорудити в Криму п'ять ВЕС загальною потужністю до 200 МВт (Сакська, Джанкойська, Міновська, Прісноводненська, Східно-Кримська — найбільша, складається з 150 ВЕУ загальною потужністю 150 МВт). Перевагу надано тихохідним установкам, розрахованим на швидкість вітру від 3 до 12—15 м/с.

Українські ВЕУ виробляють у 1,5 раза дешевшу електроенер­гію, порівняно з американськими.

7.3.2. Мала гідроенергетика

Поки що немає загальноприйнятих критеріїв для класифікації гідроелектростанцій на великі, середні, малі тощо. У країнах колишнього СРСР на практиці користува­лися таким поділом ГЕС (за розміром їх потужності): мікро-гідроелектростанції — ГЕС потужністю менше 0,1 МВт; малі ГЕС — потужністю 0,1—30 МВт; 30—1 000 МВт — середні ГЕС; 1,0—6 і більш ГВт — великі ГЕС (Красноярська ГЕС — 6 ГВт, Саяно-Шушенська — 6,4 ГВт, ГЕС на р. Гурі — 10 ГВт та ін.).

Відповідно до державного стандарту (ДСТУ 17.1.1.02-77. Гідросфера, класифікація водних об'єктів) до малих річок на­

лежать ті, площа водозбору яких не перевищує 2 000 км2 або довжина становить до 100 км незалежно від площі водозбору.

Тепер до малої гідроенергетики зараховують усі об'єкти, що виробляють електроенергію коштом падаючої або рухомої води, мають потужність від декількох кВт до 1—12 МВт і розташовані не тільки в руслах малих або у верхів'ях великих річок, а й також на водосховищах, каналах, системах комунально-побутового водопостачання.

Фахівці вважають, що мала енергетика зараз переживає ніби друге народження. За минулі 30-40 років після спорудження десятків чималих ГЕС у світі (особливо в колишньому СРСР) на великих річках, гостро постало питання про доцільність спо­рудження великих ГЕС, адже, з одного боку, були затоплені ве­личезні площі родючих заплавних земель, знищені сотні тисяч гектарів ефективних сільськогосподарських угідь, садів, лісів, були порушені гідравлічні та гідрохімічні режими великих і се­редніх річок, спровоковані до деґрадації екосистеми цих водних об'єктів і, з другого — частка електроенергії, що виробляється цими потужними ГЕС, у загальному об'ємі електроенергії, про­дукованої за допомогою ТЕС й АЕС, виявилася мізерною.

Неабияка вартість, наявність порівняно незначної кількості реґіонів, географічно придатних для будівництва, великий еко­логічний збиток від затоплення земель, підтоплень територій, замулювання, загибель риб-міґрантів, цвітіння водосховищ, збільшення сейсмічної активності та ін. спричинили те, що й у США, і в країнах колишнього СРСР, а також в інших реґіонах світу завершилася ера великих і гігантських ГЕС. Винятком за­лишаються Китай і Бразилія, де до кінця XX ст. спостерігався істотний приріст електроенергетики за рахунок створення та експлуатації надпотужних ГЕС (ГЕС Ітайпу в Бразилії — 12,6 ГВт, ГЕС «Три Горджес» у Китаї — 13 ГВт). Китай поки що є лідером і будівництві малих ГЕС — у країні налічують понад 90 000 гідротурбін, що обслуговують електроенергією сільські місцевості.

Останнє десятиліття минулого століття ознаменувалося тим, що промислово розвинені країни значно активізували віднов­лення і будівництво малих ГЕС. Це характерно для США, Японії,

країн Скандинавії, Німеччини, Польщі. У Польщі, наприклад, триває реставрація 640 малих гребель, у Канаді — 570. Річний приріст випуску устаткування для малих ГЕС (гідротурбін по­тужністю 0,5...11 кВт) у країнах СНД становив близько 700 штук (1995—1996 рр.). Малі ГЕС у СНД технічно можуть освоїти десь 500 млрд кВт-г (приблизно 23 %). Велику ефективність малої гідроенергії в колишньому СРСР та інших країнах підтвердили 40—50-і роки, коли в експлуатацію було введено тисячі малих ГЕС, що забезпечували дешевою й екологічно прийнятною елек­троенергією чимало колгоспів, радгоспів, сел, ферм, окремих промислових підприємств, заводів, робітничих селищ.

Проте в 60—70-х роках у результаті швидкого розвитку в усьому світі великої енергетики, що базувалася на великих теплових і атомних електростанціях, потужних і надпотужних ГЕС, у процесі будівництва яких цілком нехтували екологіч­ними наслідками, багато тисяч малих ГЕС були виведені з екс­плуатації, законсервовані або знищені. Україна в цьому плані не стала винятком.

На початку 20-х років XX ст. в Україні налічувалося 84 гідрое­лектростанції загальною потужністю 4 000 кВт, а в кінці 1929 р. — уже 150 станцій загальною потужністю 8 400 кВт. 1934 року було введено в експлуатацію Корсунь-Шевченківську ГЕС (1 650 кВт), яка за своїми технічними характеристиками була однією з кра­щих станцій того часу.

У цей, а також у післявоєнний період електрифікація сіль­ського господарства ґрунтувалася на збільшенні потужності й поліпшенні техніко-економічних показників малих ГЕС, кількість яких до початку 50-х років становила 956 одиниць загальною потужністю 30 тис. кВт. З розвитком електрифікації країни та централізованого енергопостачання на базі тепло-і гідростанцій будівництво малих ГЕС було припинене.

Досвід інших держав і різке змінення економічної, енерге­тичної та екологічної ситуації в країні (висока вартість і дефіцит ПЕР, намічена тенденція до децентралізації енергопостачання, перехід до ринкових відносин) примусили знов повернутися обличчям до малої гідроенергетики. Проведене обстеження технічного стану обладнання і споруд малої гідроенергетики

показало, що на території України збереглося 150 малих ГЕС, серед яких діють лише 49 одиниць.

Усі малі ГЕС, достоту як і гідроресурси загалом, розподілені по території України нерівномірно: більшість — у центральному і західному реґіонах. Сумарна потужність становить 119,2 тис. кВт (248,9 млн кВтт), з яких 75 % припадає на діючі ГЕС.

Загальні потенційні ресурси 202 основних річок України оцінено в 4 880 МВт, а потенційні ресурси приток великих річок, середніх і малих річок — близько 2 600 МВт. На них уже споруджено понад 20 тис. малих і великих водосховищ. Близько 260 водосховищ мають місткість 10...100 млн м3, і на них можна спорудити малі ГЕС з напорами 5...10 м (одиничною потужністю 0,5...2,0 МВт).

Мала енергетика України, маючи незначну питому вагу (до 0,2 %) у загальному енергобалансі, не може істотно впливати на умови енергозабезпечення країни, проте дає змогу виробляти близько 250 млн кВтт електроенергії. Це відповідає щорічній економії до 75 тис. т дефіцитного органічного палива. Міні- й мікро-ГЕС можуть стати масовими, рівномірно розподіленими по території України. Розвиток малої гідроенергетики слід роз­глядати як один з напрямів політики енергозбереження і полі­пшення екологічної обстановки в Україні.

Останнім часом відроджені й відбудовані малі ГЕС різняться великим ступенем автоматизації. Сьогодні в Європі функціо­нує більше як 45 тис. малих ГЕС потужністю 60— 5 000 кВт, в Азії — понад 150 тис. (здебільшого в Китаї та Японії). У Швеції, Норвегії та Швейцарії мала гідроенергетика дає близько 90 % електроенергії.

У вдосконалення гідротурбін для малої гідроенергетики ва­гомий внесок зробили французькі інженери (фірма «Нейрпік»). Вони винайшли новий різновид турбіни грушоподібної форми, яка універсальна і може виробляти енергію просто за рахунок швидкоплинної води; для неї не потрібна гребля, вона може бути встановлена у вузьких місцях, нижче за потоки від скидної спо­руди. Перспективною вважають також розроблену французами (1978—80 роки) мініатюрну гідроелектростанцію «Гідролек» (фірма «Лерой-Сомер»), яка спроможна давати до 4 кВт енергії

за різниці в рівнях річкової води всього в 0,9 м, якщо швидкість потоку перевищує 266 л/с.

Сприятливим чинником для розвитку малих ГЕС є незна­чний час, потрібний для досягнення проектної потужності (близько 1 року, для АЕС — 10-12 років), невелика вартість, еко-логічність, широкі можливості для спорудження за наявності розгалуженої річкової мережі, каналів.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я