Ветроэнергетика

Ветроэнерге́тика

Отрасль науки и техники, разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования энергии ветра для получения механической, электрической и тепловой энергии и определяющая области и масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве. В. состоит из 2 основных частей: ветротехники, разрабатывающей теоретические основы и практические приёмы проектирования технических средств (агрегатов и установок), и ветроиспользования, включающего теоретические и практические вопросы оптимального использования энергии ветра, рациональной эксплуатации установок и их технико-экономических показателей, обобщение опыта применения установок в народном хозяйстве. В. также опирается на результаты аэрологических исследований, на базе которых разрабатывается Ветроэнергетический кадастр. По данным ветроэнергетического кадастра не только выявляют районы с благоприятным ветровым режимом, но и устанавливают виды работ, где применение ветровой энергии целесообразно и экономически выгодно по сравнению с другими энергоисточниками. Ветровую энергию, прежде всего, следует использовать в таких производственных процессах, которые допускают перерывы в подаче энергии, или в тех случаях, когда продукт переработки может быть заготовлен впрок (подъём воды, орошение, дренаж, помол зерна, кормоприготовление, зарядка электрохимических аккумуляторов и т.п.). Учитывая важность этой отрасли, В. И. Ленин в первый «Набросок плана научно-технических работ» (апрель 1918) включил работы по использованию энергии воды и ветра вообще и в земледелии в частности; в письме к А. П. Серебровскому (апрель 1921) В. И. Ленин подчёркивал важное значение использования в Бакинском районе ветряных двигателей для орошения земли и развития земледелия.

Ветровая энергия, наряду с солнечной и водной, принадлежит к числу постоянно возобновляемых и, в этом смысле, вечных источников энергии, обязанных своим происхождением деятельности Солнца. Вследствие неравномерного нагрева солнечными лучами земной поверхности и нижних слоев земной атмосферы, в приземном слое, а также на высотах от 7 до 12 км возникают перемещения больших масс воздуха, то есть рождается ветер. Он несёт колоссальное количество энергии: 96-1021дж (26,6-1015квт-ч), что составляет почти 2% энергии всей солнечной радиации, попадающей на Землю. Сила ветра, зависящая от его скорости, изменяется в очень широких пределах — от лёгкого дуновения до урагана, скорость которого достигает 60—80 м/сек. Потенциальные ресурсы ветровой энергии на всей территории СССР определены в 10,7 Гвт (млрд. квт) с возможной годовой отдачей 65-1018дж (18-1012квт-ч). Используя даже несколько процентов этой энергии, можно удовлетворить значительную часть потребностей страны. Исходя из хозяйственных, ветровых и др. зональных условий, определяют тип применяемой ветроустановки и её экономические показатели.

К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю (См. Ветродвигатель). Эта особенность ветра чрезвычайно важна для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удалённых от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 квт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника — непостоянство его скорости, а следовательно, и энергии во времени. Ветер обладает не только многолетней и сезонной изменчивостью (рис. 1), но также изменяет свою активность в течение суток (рис. 2) и за очень короткие промежутки времени (мгновенные пульсации скорости и порывы ветра) (рис. 3). Потенциал ветровой энергии зависит от значений среднегодовой или среднепериодной скорости и повторяемости различных скоростей ветра. Его оценивают количеством энергии, которую с помощью ветродвигателя можно получить в данной местности. В зонах с умеренным ветровым режимом (среднегодовая скорость ветра 5 м/сек) на 1 км2 можно получить годовую выработку электроэнергии около 3,6 Мдж (1 млн. квт-ч, или 1 Гвт-ч). Мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому даже относительно небольшие его изменения приводят к значительным колебаниям мощности, развиваемой ветродвигателем, в диапазоне скоростей от минимальной рабочей, при которой ветродвигатель начинает вырабатывать полезную мощность, до расчётной, которой соответствует установленная мощность ветроэнергетической установки (См. Ветроэнергетическая установка). Конструкции и способы регулирования частоты вращения и мощности ветродвигателей обеспечивают их надёжную работу при буревых скоростях ветра (40—50 м/сек) и ограничение развиваемой мощности таким образом, что максимальная мощность превышает установленную обычно не более чем на 15—20%. Чтобы уменьшить колебания мощности или избежать их, ветровую энергию в периоды, когда имеется избыточная мощность, аккумулируют и затем используют в периоды безветрия или недостаточных скоростей ветра. Специфичностью аккумулирования в значительной мере объясняются трудности утилизации ветровой энергии и причины ещё недостаточного её практического использования.

Краткая история развития В. С древнейших времён человек использовал энергию ветра сначала в судоходстве, а затем для замены своей мускульной силы. Первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. В Египте (около г. Александрии) сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа, построенных ещё во 2—1 вв. до н. э. В 7 в. н. э. персы строили ветряные мельницы уже более совершенной конструкции — крыльчатые. Несколько позднее, по-видимому в 8—9 вв., ветряные мельницы появились на Руси и в Европе. Начиная с 13 в., ветродвигатели получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Голландии, Дании и Англии, для подъёма воды, размола зерна и приведения в движение различных станков. До Великой Октябрьской социалистической революции в крестьянских хозяйствах России насчитывалось около 250 тыс. ветряных мельниц, которые ежегодно перемалывали половину урожая (около 33 млн. т, или 2 млрд. пудов зерна). С изобретением паровых машин, а затем двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей старые примитивные ветряные двигатели и мельницы были вытеснены из многих отраслей и остались, главным образом, в сельском хозяйстве. В начале 20 в. русский учёный Н. Е. Жуковский разработал теорию быстроходного ветродвигателя и заложил научные основы создания высокопроизводительных ветродвигателей, способных более эффективно использовать энергию ветра. Они были построены его учениками после организации в 1918 Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ). Советские учёные и инженеры теоретически обосновали принципиально новые схемы и создали совершенные по конструкции ветроэнергетические установки и ветроэлектрические станции (См. Ветроэлектрическая станция) (ВЭС) различных типов мощностью до 100 квт для механизации и электрификации процессов с.-х. производства и др. целей. Большие заслуги в создании основ В. и ветроиспользования имеют советские учёные Н. В. Красовский, Г. Х. Сабинин, Е. М. Фатеев и др. Промышленный выпуск ветродвигателей для механического привода машин был налажен в начале 20 в., а электрических ветроагрегатов с генераторами небольшой мощности — примерно в 20-х гг. В 40—50-х гг. в СССР и за рубежом получило интенсивное развитие строительство ВЭС. Так, в Дании в период 2-й мировой войны работали несколько десятков ВЭС, выработка которых превысила 80 млн. квт-ч электроэнергии. За годы Советской власти налажено серийное производство специализированных и универсальных ветродвигателей мощностью от 0,7 до 11 квт (от 1 до 15 л. с.), главным образом, с механическими и электрическими трансмиссиями. В послевоенный период было выпущено более 40 тыс. ветродвигателей, в основном типов ТВ-8, ТВ-5, Д-12, ВЭ-2, которые с большой эффективностью применялись в колхозах и совхозах.

Состояние В. к концу 60-х гг. 20 в. В СССР созданы новые типы более совершенных унифицированных быстроходных ветроэнергетических агрегатов (ВБЛ-3, ВПЛ-4, «Беркут», «Ветерок» и др.), в которых используются новые типы насосов и генераторов, пневматические, электрические и др. виды приводов, более совершенные системы регулирования. Большинство ветродвигателей применяют для механизации подъёма воды, особенно на пастбищах и отдалённых фермах в Поволжье, на Алтае и Чёрных землях, в Казахской, Туркменской, Узбекской ССР и др. зонах, где они работают 250—300 дней в году. Разработка теоретических основ и создание новых конструкций ветроэнергетических агрегатов различного назначения проводятся в Советском Союзе (Всесоюзный НИИ электрификации сельского хозяйства, Всесоюзный НИИ электромеханики, ЦАГИ и др.), ФРГ (Штутгартская школа ветроэнергетиков), США, Великобритании, Франции, Дании и др. странах. В тех странах мира, где широко развита В., используются (по неполным данным) более 600 тыс. ветроэнергетических установок (по материалам ЮНЕСКО за 1967). В 1968 в Австралии эксплуатировались более 250 тыс. ветроустановок, преимущественно насосных. В СССР число эксплуатируемых ветродвигателей (без самодельных) составляет 8—9 тыс.

Перспективы развития. Роль В. в Советском Союзе возрастает при реализации большой программы по обводнению и мелиорации земель и решении важнейших задач развития механизации животноводства и электрификации сельского хозяйства. Ветроэнергетические установки с успехом могут быть применены для механизации водоснабжения потребителей, осушения заболоченных участков и мелко-оазисного орошения бахчевых, кормовых и огородных культур во вновь осваиваемых пустынных и полупустынных зонах, для энергоснабжения отдалённых объектов и др. Для этих целей предполагается применить десятки тыс. ветроустановок, что в несколько раз снизит затраты на водоподъём. Это явится, как писал ещё в 30-х гг. 20 в. известный русский учёный К. А. Тимирязев, идеальным решением вопроса борьбы с засухой. Первые опыты показали, что ветроэлектрические агрегаты также целесообразно применять для питания энергией установок по опреснению минерализованных грунтовых вод, для так называемой катодной защиты трубопроводов и морских сооружений от коррозии, а ветропневматические установки— для аэрации водоёмов в зимнее время закачкой воздуха под лёд. Изучается возможность создания более крупных ВЭС (в частности, на Филиппинах — до 5 Мвт) для энергоснабжения изолированных потребителей в труднодоступных районах (арктических, горных и др.) и на островах, куда доставка топлива сложна и дорога. Наиболее перспективно применение таких ВЭС для параллельной или совместной работы с др. электрическими станциями. В более отдалённой перспективе — применение высотных ВЭС мощностью до 3—5 Мвт, использующих энергию воздушных потоков в тропопаузе.

Лит.: Вопросы ветроэнергетики, [Сб. ст.], М., 1959; Красовский Н. В., Сабинин Г. Х., Проблемы использования энергии ветра, М., 1923; Красовский Н. В., Как использовать энергию ветра, М. — Л., 1936; Шефтер Я. И., Ветроиспользование и его роль в энергетике сельского хозяйства, «Научные труды по электрификации сельского хозяйства», 1967, т. 20; Шефтер Я. И. [сост.]. Состояние, научно-технические и экономические основы развития ветроэнергетики и рекомендации по применению ветродвигателей, М., 1966; Сабинин Г. Х., Фатеев Е. М., Проблема использования энергии ветра в СССР, состояние и перспективы, «Изв. АН СССР. Отделение технических наук. Энергетика и автоматика», 1960, № 6; Колодин М. В., Ветер и ветротехника, Аш., 1957; Тажиев И. Т., Энергия ветра, как энергетическая база электрификации сельского хозяйства Казахстана, А.-А., 1949: Gliding Е. W., The generation of electricity by wind power, L., 1955.

М. В. Колодин, Я. И. Шефтер.

Рис. 1. Сезонная изменчивость скоростей ветра.

Рис. 2. Суточное изменение скоростей ветра.

Рис. 3. Характер изменений скорости ветра за короткий промежуток времени.