«Ветер, ветер! Ты могуч»*

* «...Ты гоняешь стаи туч». Отрывок из произведения А.С. Пушкина «Сказка о мертвой царевне и о семи богатырях»

Энергия ветра получила первое применение при постройке парусных кораблей 6 тыс. лет назад. Известно, что еще во II в. до н.э. в Персии ветродвигатели ветряных мельниц стали использовать для помола зерна. А электричество из ветряной энергии при помощи ветрогенератора впервые было получено в 1887 году британцем Джеймсом Блитом.

100 лет назад в России

Систематические научные исследования в России по получению электроэнергии из ветра были начаты в 1918 году, когда профессор Николай Егорович Жуковский основал Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ). В задачи отдела ветряных двигателей входило изучение ветряных двигателей как теоретическое, так и экспериментальное; обработка и систематизация соответственного литературного материала; изыскание способов применения ветряных двигателей к различным отраслям промышленности; составление проектов двигателей.

Изобретатель самоучка Анатолий Уфимцев в период с 1929 года по 1931 год построил в Курске первую в мире ветроэлектрическую станцию с инерционным аккумулятором мощностью в 35 кВт. Электроэнергии от этой установки хватало для снабжения дома и мастерской изобретателя. Причём электричество она давала даже, когда не было ветра.

В первой половине XX века Советский Союз был одним из лидеров в области ветроэнергетики. В 1931 году в стране ввели в эксплуатацию самый мощный ветро-агрегат и разработали программу перевода всех регионов на ветроэнергетику. В том же году под Балаклавой возвели самый на тот момент мощный в мире ветрогенератор мощностью 100 кВт. Размах его лопастей достигал 30 м, а вырабатываемой им электроэнергии хватало на энергоснабжение трамвайной линии Балаклава — Севастополь.

С 1950 года по 1955 год в Советском Союзе ежегодно выпускалось несколько тысяч ветроустановок мощностью до 30 кВт. Они использовались в том числе и для освоения целины в Казахстане.

В 1960-е годы, когда были открыты нефтегазовые месторождения Сибири, развитие ветроэнергетики в СССР было заморожено. Ископаемая энергия оказалась значительно дешевле. Тогда же получил развитие «мирный атом», и советская экономика переориентировалась на строительство ТЭС, ГЭС и АЭ, наряду с добычей нефти и добычей газа.

Возрождение ветроэнергетики

Возрождение ветроэнергетики в России началось в 1990-е годы. Сегодня в нашей стране действует несколько ветроэлектростанций. Суммарная мощность ВЭС в России к началу 2022 года, по данным Российской Ассоциации Ветроиндустрии, преодолела планку в 2 ГВт и составила 2043,84 МВт. Из них 1938,09 МВт было построено по программе ДПМ ВИЭ.

В 2021 году в нашей стране введено в эксплуатацию более 1 ГВт мощностей, а если точно, то 1138,89 МВт. Суммарно за год в России заработало 368 новых ветрогенераторных установок.

Таким образом, российская ветроэнергетика поставила сразу два рекорда — по объёму ввода в эксплуатацию общей суммарной мощности ВЭУ, а также по их количеству. Для сравнения — в 2020-м году суммарная мощность введённых в эксплуатацию ВЭС составила 713,8 МВт, а их количество — 223 ВЭУ.

Итоги выработки ВЭС в РФ в первом квартале 2022 года

Согласно данным отчета компании «Системный оператор Единой энергетической системы» (СО ЕЭС), установленная мощность ВЭС, аттестованных и функционирующих на оптовом энергетическом рынке России, составляет 1937,7 МВт. Из них 85,4 МВт относятся к ОЭС Средней Волги (Ульяновская область), а 1852,3 МВт — к ОЭС Юга (Астраханская, Волгоградская и Ростовская области, Ставропольский край, а также Республики Калмыкия и Адыгея).

Выработка ВЭС в марте 2022 года составила 532,3 млн кВт∙ч, что на 53,8% больше, чем в марте 2021 года.

С начала года выработка ВЭС увеличилась на 78,9% по сравнению с первым кварталом 2021 года и составила 1586,3 млн кВт∙ч.

Примечательно, что в марте на ВЭС в Астраханской энергосистеме (ОЭС Юга) отдавались команды диспетчера СО ЕЭС на ограничение выдачи мощности в сеть. Максимальное ограничение составило 26 МВт. Это первый случай ограничения выдачи мощности с начала 2022 года.

Лидером по выработке энергии ветра в России остается Ростовская область: 169 919 тыс. кВт∙ч энергии выработано в марте и 556 709 кВт∙ч — суммарно за первый квартал 2022 года, что составляет более 35% выработки ВЭС в России за указанный период.

В России действуют меры господдержки строительства генерирующих объектов на основе ВИЭ. Минэнерго России ожидает, что до 2035 года в РФ будет введено 6,7 ГВт мощностей на базе ВИЭ, куда помимо ветроэнергетики входит также и солнечная энергетика. Сейчас, по данным Ассоциации развития возобновляемой энергии, мощность ВИЭ равна 5,3 ГВт, или 2,1% мощности энергосистемы РФ.

Как всё это работает

Ветрогенератор превращает энергию ветра в электрическую. Современные ветрогенераторы позволяют использовать энергию даже самых слабых ветров. Сила ветра вращает лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться вал электрогенератора, где механическая энергия превращается в электрический ток.

Несколько ветрогенераторов, объединенных в единую сеть, называют ветропарком. Крупные ветропарки могут состоять из сотни и более ветрогенераторов. Как правило, ВЭУ расположены на удалении 3–10 диаметров ветро­колеса друг от друга. Выработанная ветряком электро­энергия поступает на подстанцию, откуда затем передается в общую электрическую сеть.

Ветроэлектростанции бывают нескольких типов. Самый распространенный — наземная ВЭУ, устанавливаемая на естественных или искусственных возвышенностях. Другой тип ВЭУ — прибрежная. Ее возводят на небольшом удалении от берега моря или океана. Еще один тип ВЭУ — шельфовая ветроустановка. Ее строят в море, в нескольких десятках километров от берега. Из-за этого ее практически не видно с берега, она не занимает полезную территорию и более эффективна из-за постоянных морских ветров. Для монтажа такой установки на шельфе и ее обслуживания необходима специальная морская техника.

Справка

Элементы ветряка

• Фундамент, который обеспечивает устойчивость ветроустановки при ветровой нагрузке.
• Башня, на которую крепится ротор, генератор и гондола.
• Гондола — в ней расположен ряд основных компонентов управления генераторного модуля: гидравлическая система и система торможения, двигатели, датчик поворота гондолы и другое оборудование.
• Генератор крепится к гондоле и преобразует механическую энергию вращения в электрическую, а также регулирует обороты вращения вала.
• Ветроколесо крепится к генератору и представляет собой ступицу и три лопасти.

Оценка ветровых ресурсов

Одним из этапов подготовки площадки для строительства ветропарка является измерение ветровых ресурсов. Первоначально специалисты проводят анализ наземных и спутниковых баз метеоданных, определяют розу ветров и перспективное место размещения ВЭС. Изучается рельеф местности, уточняются параметры ветрового потока, определяется оптимальное количество измерительного оборудования и места его установки.

Наиболее часто ветромониторинг проводят с использованием специальных комплексов — «мачт» с установленными на нескольких уровнях датчиками измерения скорости и направления ветра, влажности, температуры и других параметров. В последние годы для определения ветровых ресурсов все чаще используют удаленные системы измерения — Light Detection and Ranging (LIDAR) и Sonic Detection And Ranging (SODAR). LIDAR — лазерный дальномер или в переводе «лазерное обнаружение и обработка изображений ранжированием». Он осуществляет измерения с помощью световых волн, посылая лазерный луч в воздух.

Ветромониторинг проводят в течение длительного периода времени (от года), после завершения данные фильтруются и корректируются под долгосрочный период. Последний этап особенно важен, поскольку позволяет смоделировать ветровую статистику на площадке не просто за конкретный период измерений, на 15–25 лет вперед (то есть на время эксплуатации запланированной ВЭС). За счет этого повышается точность прогноза выработки энергии ВЭС. Обработанные таким образом данные мониторинга необходимы для составления точной карты ветропотенциала территории, выбора оптимального типоразмера и модели ВЭУ, сравнения различных вариантов размещения ветроэлектростанции. Во внимание также принимаются все объекты, способные влиять на ветер, в том числе крупные сооружения и лесополосы.

Опасна ли индустрия энергии ветра?

В сознании определённого количества людей сегодня имеются опасения, связанные с развитием индустрии энергии ветра. Есть мнение, что из-за ветряков массово гибнут птицы. Как объясняют отраслевые эксперты, действительно, в самом начале развития ветрогенерации были опасения, что из-за высокой скорости вращения лопастей, которые визуально «сливались», пролетающие птицы могли их не заметить и быть сбиты.

Нынешние поколения мощных ВЭУ имеют скорость до 15 оборотов в минуту. Пролетающие птицы их видят и могут избежать столкновения. Кроме того, современные ВЭУ оснащены специальными устройствами для отпугивания птиц.

Согласно статистическим данным, в среднем на 10 тыс. погибших птиц из-за человеческой деятельности лишь в одном случае виновна ВЭС. Ученые определили, что морские птицы умеют менять траекторию полёта, чтобы избежать столкновения с ветряками. Кроме того, ущерб от ветряных турбин можно свести к минимуму, если при планировании их размещения избегать путей миграции пернатых.

Ещё одно опасение связано с тем, что ВЭС издают шум и инфразвук, что вредно для окружающей среды и здо­ровья человека. На это отраслевые эксперты отвечают тем, что шум ветровой турбины не так велик по сравнению, например, с газовой турбиной или другим генерирующим устройством сравнимой мощности, работающим за счет сжигания топлива. К тому же по правилам ВЭС строят на таком расстоянии от жилых домов, чтобы даже их сравнительно слабый шум не мешал людям. Согласно европейским исследованиям, при соблюдении положенного расстояния не вреден и инфразвуковой шум, издаваемый ВЭС. Ученые и инженеры совершенствуют ветряки, чтобы минимизировать любое негативное влияние работы ВЭС на окружающую среду.

Вопрос надёжности

Есть мнение, что поскольку ВЭС зависят от ветра, постольку неустойчивы и не могут надежно снабжать потребителей электроэнергией. На это отраслевые эксперты отвечают, что любая электроэнергетическая система проектируется таким образом, чтобы надежно управлять генерирующими мощностями, сетевыми объектами и нагрузками потребителей, в том числе и во время сбоя в работе объектов электроэнергетики. Уровень потребления электричества колеблется постоянно, и диспетчеры энерг­систем используют специальные инструменты, позволяющие справиться с такими изменениями.

Генераторы современных ВЭС обладают защитой от отключения внештатной ситуации и способны участвовать в регулировании частоты и напряжения в электроэнергетической системе. Поэтому использование ВЭС в общей энергосистеме совместно с другими типами генерации не только совершенно безопасно, но эффективно и надежно. К тому же существует целый ряд инженерных инструментов, которые позволяют решить задачу накопления и хранения ветряной энергии на случай безветренной погоды.

Справка

Преимущества ветроэлектростанций

• Минимальные потери при передаче электроэнергии.
• Ветряк занимает небольшую площадь в сравнении с другими энергообъектами.
• Практически бесконечный источник энергии.
• Расположенную рядом территорию можно использовать для сельскохозяйственных целей.
• Экологически чистая энергия, без вредных выбросов СО₂ и других парниковых газов, а также иного негативного влияния на окружающую среду и человека.

Ещё один вопрос — СO₂

Иногда так же говорят о том, что работа ветрогенераторов повышает цикличность в функционировании теплоэлектро­станций, что увеличивает выбросы CO₂. Объясняя это опасение, отраслевые эксперты говорят, что действительно из-за дополнительных колебаний выработки электроэнергии на ВЭС традиционная генерация увеличивает количество циклов снижения и роста нагрузки. На самом деле все эти дополнительные выбросы СО₂ от ТЭС во много раз перекрываются снижением эмиссии парниковых газов, в результате замещения теп­ловой генерации выработкой от ветроэлектростанций в сочетании же с базовой генерацией АЭС ветропарки могут стать полноценной частью системы безуглеродного производства электроэнергии.