Содержание
Ветроэнергетика: размеры и пределы роста
Современная ветроэнергетика – энергетика больших мощностей и гигантских машин. Ветряные турбины становятся все больше и больше. Примерно так:
Если посмотреть на изменение парка материковых ветровых турбин во времени, например, в Германии, очевидно увеличение их среднего размера.
Всё растет. Увеличиваются как башни, которые у крупнейших машин сегодня достигают 140 метров, так и лопасти, достигающие в длину почти 90 м, и диаметры ротора, доходящие до почти 190 м.
На нынешний день крупнейшими серийными ветряками являются 8-мегаваттные машины от Vestas (MHI Vestas V164), Adwen (AD-180) и Siemens (SWT-8.0-154 8MW), используемые в морской (офшорной) ветроэнергетике, а также 7,5 МВт модель Enercon E-126 – крупнейший материковый ветрогенератор (на фото в начале статьи).
Это серийные модели, находящиеся в эксплуатации. В виде прототипов существуют еще более крупные агрегаты.
Есть ли предел роста размеров ветряных турбин? Чем он обусловлен?
Понятно, размеры ветроустановок увеличивают не из прихоти, а исходя из экономических соображений – в попытке снизить стоимость электроэнергии.
Высокие башни обеспечивают доступ к ветровым ресурсам более высокого качества (как говорят спецы: «на высоте 100 метров всегда есть коммерческий ветер»). Увеличение диаметра ротора позволяет «захватить» этих ресурсов побольше, а также задействовать менее качественный ветровой потенциал. Увеличение размеров может приводить к снижению удельных (на единицу мощности) капитальных и операционных затрат, что прямо отражается на стоимости электроэнергии.
В то же время рост размеров ветряных турбин наталкивается на ограничения, связанные как с характеристиками используемых материалов, так и с транспортировкой и технологиями монтажных работ. Кроме того, существуют физические лимиты увеличения размеров, описываемые законом квадрата-куба: объем (соответственно, масса и стоимость) используемых материалов может расти быстрее, чем отдача от этого увеличения.
Транспортно-логистические и монтажные ограничения касаются главным образом материковой ветроэнергетики. Перевозка секций башен большого диаметра и длинных лопастей наземным транспортном – серьезный технологический вызов.
Диаметр перевозимых труб/конусов башен ветряков ограничен сегодня 4,3 метра в редких случаях возможны перевозки диаметров 4,6 метра. Разумеется, транспортировка таких агрегатов на дальние расстояния крайне затруднена. Одним из используемых компромиссных решений является комбинированная башня сталь/железобетон, в которой нижние железобетонные секции самого большого диаметра изготавливаются на месте. Кроме того, необходимо учитывать, что транспортная и монтажная техника (например, большие краны) имеет свои пределы.
Рассмотренные в предыдущем абзаце ограничения в меньшей степени касаются морской ветроэнергетики, где используются производственные технологии/мощности судостроения, строительства на шельфе и морских грузоперевозок.
Проведенное в текущем году в США исследование, включающее в себя опрос 163-х ведущих отраслевых экспертов, показало: размеры ветроустановок будут расти и дальше. При этом, очевидно, потенциал роста у офшорных ветрогенераторов существенно превышает потенциал наземной ветроэнергетики.
Результаты исследования представлены на следующих графиках.
К 2030 средняя высота башни ветрогенератора в материковой ветроэнергетике приблизится к 120 метрам и в Европе, и в США, средний диаметр ротора будет находится в интервале 130-140 метров, а средняя установленная мощность на один генератор в Европе превысит 3,5 МВт.
В офшорной ветроэнергетике намечаемые изменения куда существенней. Средняя мощность ветрогенераторов на европейском рынке достигнет 11 МВт, при высоте башен более 220 метров. Распространение получат плавающие ветроэлектростанции. Некоторые эксперты прогнозируют, что к 2030 году максимальная мощность морских ветряков на фиксированном фундаменте может достичь 18 МВт, то есть более чем в два раза превысить сегодняшние рекордные показатели.
В то же время очевидно, что ветроустановки не будут расти бесконечно. Вероятно, в скором времени мы узнаем оптимум, превышение которого будет затруднено с логистической, в первую очередь, точки зрения, и не будет оправдываться экономически.
Предыдущая статьяРыночные цены на солнечную электроэнергию в Германии ниже 7 евроцентовСледующая статьяНорвегия: 100 тысяч электромобилей на дорогах
Мегаконструкции. Самые большие ветрогенераторы / Хабр
Siemens SWT-7.0-154
Кто говорил, что ветряки не способны конкурировать по мощности с атомными электростанциями? Посмотрите на самую большую в мире ветроэлектрическую установку Siemens SWT-7.0-154. С площадью ометания 18 600 м² этот гигант в одиночку генерирует максимальную мощность 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. Несколько сотен таких ветряков — и вот вам атомная электростанция.
SWT-7.0-154 — это флагманская модель компании Siemens. В её названии зашифрованы генерируемая мощность (7 МВт) и диаметр ротора с лопастями (154 м). Она пришла на смену предыдущему флагману SWT-6.0-154, от которого практически не отличается по техническим спецификациям, но оснащён более мощными магнитами. Более сильное магнитное поле позволяет генерировать больше электроэнергии при том же диаметре.
Другими словами, в этой ВЭН параметр снимаемой мощности с квадратного метра площади ометания выше примерно на 16,7%.
Ветрогенератор включается в работу на минимальной скорости ветра 3-5 м/с, а генерируемая мощность поступательно растёт до максимальной 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. При достижении скорости ветра 25 м/с генерация прекращается.
Казалось бы, на таких скоростях ветра лопасти ВЭУ должны вращаться быстро, но это совершенно не так. На самом деле они вращаются неторопливо и степенно, делая всего 5-11 оборотов в минуту. То есть полный оборот три лопасти совершают примерно за 5-12 секунд, в зависимости от скорости ветра.
Более сильное магнитное поле в новой модели означает также и то, что эту турбину труднее раскрутить. Для достижения той же скорости вращения 5-11 оборотов в минуту и максимальной генерируемой мощности (7 МВт вместо 6 МВт) этой турбине требуется повышенная скорость ветра: 13-15 м/с вместо 12-14 м/с. Соответственно, и начальная скорость ветрогенерации у неё выше.
Вот почему данная модель-гигант наиболее оптимально подходит для размещения на территориях с относительно сильными ветрами, лучше всего в море.
Внутри турбины нет редуктора (коробки передач) — здесь работает система прямого привода, подключенная к синхронному генератору переменного тока с постоянными магнитами. Поскольку скорость генератора определяет напряжение и частоту тока, то «грязный переменный ток» преобразуется в постоянный ток, а затем преобразуется обратно в переменный ток перед подачей в сеть.
В последние годы в области ветряной энергетики происходит очень быстрый научно-технический прогресс. Буквально каждый год появляются новые модели ВЭУ большей мощности и эффективности. Большие и маленькие, рассчитанные на целые посёлки или отдельные дома, на большую скорость ветра в море или на среднюю скорость ветра над крышей частного дома.
Например, мировой рекорд по максимальной генерируемой мощности принадлежит вовсе не Siemens, а другой турбине ещё одного немецкого производителя Enercon E126, которая выдаёт до 7,58 МВт.
На видео показан процесс установки такой турбины.
Высота стойки Enercon E126 — 135 м, диаметр ротора — 126 м, общая высота вместе с лопастями — 198 м. Общий вес фундамента турбины — 2500 тонн, а самого ветрогенератора — 2800 тонн. Только электрогенератор весит 220 тонн, а ротор вместе с лопастями — 364 тонны. Общий вес всей конструкции со всеми деталями — 6000 тонн. Первая установка подобного типа была установлена около немецкого Эмдена в 2007 году, хотя в той модификации максимальная мощность была меньше.
Впрочем, ветрогенераторы-гиганты — довольно дорогое удовольствие. Один такой ветряк на 7 МВт обойдётся в $14 млн вместе с установкой, если заказывать все работы у сертифицированных немецких специалистов. Конечно, если освоить производство в своей стране, благо металла хватает, то стоимость вполне можно снизить в несколько раз. Кто знает, может такой гигантский проект национальной стройки занял бы население страны и помог выбраться из экономического кризиса.
Одна из самых последних строящихся в Восточной Европе атомных станций — Белорусская АЭС — получит два энергоблока с реакторами ВВЭР-1200 мощностью по 1200 МВт. Казалось бы, несколько сотен ветряков Siemens сравнятся с атомной электростанцией. Стоимость строительства примерно одинаковая, зато «топливо» бесплатное. Что интересно, Белорусскую АЭС как раз строят в районе, где по климатическим данным за 1962-2000 годы почти самая высокая среднегодовая скорость ветра в Беларуси. Но в реальности эта «самая большая» среднегодовая скорость ветра — всего лишь около 4 м/c (на высоте 10 м), чего едва хватит для запуска ВЭУ на минимальной мощности.
Перед установкой следует сверяться с годовой картой ветров в районе дислокации с данными средней удельной мощности ветрового потока на высоте 100 м и выше. Хорошо бы составить такие карты для всей территории страны, чтобы найти места наиболее оптимального строительства ВЭУ. Нужно иметь в виду, что скорость ветра сильно зависит от высоты, что хорошо известно жителям высотных домов.
В обычных прогнозах погоды по ТВ сообщают скорость ветра на высоте 10 м над землёй, а для ветровой турбины следует измерять скорость на высоте 100-150 м, где ветры гораздо сильнее.
Так что наиболее оптимально такие гиганты подходят для установки в море, в нескольких километрах от побережья, на большой высоте. Например, если установить такие установки вдоль северного побережья России с шагом 200 метров, то максимальная мощность массива составит 690,3 ГВт (побережье Северного Ледовитого океана составляет 19724,1 км). Скорость ветра там должна быть приемлемая, только при заливке фундаментов придётся иметь дело с вечной мерзлотой.
Правда, по стабильности работы ВЭУ никогда не сравнятся с АЭС или ГЭС. Здесь энергетикам приходится постоянно следить за прогнозом погоды, потому что генерируемая мощность напрямую зависит от скорости ветра. Ветер должен быть не слишком сильным и не слишком слабым. Хорошо, если в среднем ВЭУ будут выдавать хотя бы треть от максимальной мощности.
Ветряные турбины: чем больше, тем лучше
Офис
Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии
16 августа 2022 г.
С начала 2000-х ветряные турбины выросли в размерах — как по высоте, так и по длине лопастей — и вырабатывают больше энергии. Что движет этим ростом? Давайте посмотрим поближе.
Средняя высота ступицы турбины, диаметр ротора и паспортная мощность для наземных ветровых проектов из отчета Land-Based Wind Market Report: 2022 Edition .
Высота ступицы ветряной турбины — это расстояние от земли до середины ротора турбины. Высота ступицы для наземных ветряных турбин коммунального масштаба увеличилась на 66% с 1998–1999 годов до примерно 94 метров (308 футов) в 2021 году. Это примерно такая же высота, как Статуя Свободы! Прогнозируется, что средняя высота ступицы морских турбин в Соединенных Штатах вырастет еще выше — со 100 метров (330 футов) в 2016 году до примерно 150 метров (500 футов), что примерно равно высоте монумента Вашингтона в 2035 году9.0003
Иллюстрация увеличения высоты турбины и длины лопастей с течением времени.
Турбинные башни становятся выше, чтобы улавливать больше энергии, поскольку ветер обычно усиливается с увеличением высоты. Изменение скорости ветра с высотой называется сдвигом ветра. На больших высотах над землей ветер может течь более свободно, с меньшим трением о препятствия на поверхности земли, такие как деревья и другая растительность, здания и горы. Большинство башен ветряных турбин высотой более 100 метров, как правило, сосредоточены на Среднем Западе и Северо-востоке, двух регионах со сдвигом ветра выше среднего.
Расположение высотных турбинных установок из Отчета о рынке наземной ветроэнергетики : издание 2022 г.
Диаметр ротора
Диаметр ротора турбины, или ширина круга, охватываемого вращающимися лопастями (пунктирные кружки на втором рисунке), также увеличился с годами. Еще в 2010 году ни одна турбина в Соединенных Штатах не использовала роторы диаметром 115 метров (380 футов) или больше. Средний диаметр ротора в 2021 году составлял 127,5 метра (418 футов) — больше, чем футбольное поле.
Увеличенный диаметр ротора позволяет ветряным турбинам охватывать большую площадь, улавливать больше ветра и производить больше электроэнергии. Турбина с более длинными лопастями сможет захватывать больше доступного ветра, чем более короткие лопасти, даже в районах с относительно слабым ветром. Возможность собирать больше ветра при более низких скоростях ветра может увеличить количество областей, доступных для развития ветра по всей стране. Из-за этой тенденции площадь, охватываемая ротором, выросла примерно на 600% с 1998–1999 гг.
Емкость паспортной таблички
Помимо того, что ветряные турбины стали выше и больше, с начала 2000-х годов также увеличилась их максимальная номинальная мощность или мощность. Средняя мощность вновь установленных ветряных турбин в США в 2021 году составила 3,0 мегаватт (МВт), что на 9% больше, чем в 2020 году, и на 319%, чем в 1998–1999 годах. В 2021 году увеличилось количество установленных турбин мощностью 2,75–3,5 МВт, при этом также увеличилась доля турбин мощностью 3,5 МВт и выше.
Турбины большей мощности означают, что для выработки такого же количества энергии на ветровой электростанции требуется меньше турбин, что в конечном итоге приводит к снижению затрат.
Проблемы с транспортировкой и установкой
Если чем больше, тем лучше, почему в настоящее время не используются еще более крупные турбины? Хотя высота турбины и диаметр ротора увеличиваются, есть несколько ограничений. Транспортировка и установка больших лопастей турбины для наземного ветра непроста, поскольку их нельзя сложить или согнуть после изготовления. Это ограничивает маршруты, по которым могут двигаться грузовики, и радиус их поворотов. Башни турбины диаметром также трудно транспортировать, так как они могут не поместиться под мостами или эстакадами. Министерство энергетики решает эти проблемы с помощью своих исследовательских проектов. Например, Министерство энергетики разрабатывает турбины с более тонкими и гибкими лопастями, которые могут перемещаться по изгибам дорог и железнодорожных путей, чего не могут обычные лопасти.
Министерство энергетики также поддерживает усилия по разработке высоких башен турбин , которые можно производить на месте, что устраняет проблемы с транспортировкой башен. Двумя компаниями, инициаторами этих усилий, являются Keystone Power Systems, которая использует спиральную сварку, чтобы свести к минимуму потребность в дорогостоящей стали, и GE Renewables, которая экспериментирует с 3D-печатью для создания настраиваемых оснований башен.
Узнать больше
- Узнайте больше фактов о ветроэнергетике в наших 10 основных фактах, которые вы не знали об оффшорной ветроэнергетике, и 10 основных фактах, которые вы не знали о ветроэнергетике.
- Посетите energy.gov/windreport , чтобы узнать об изменениях в ветроэнергетике в 2021 году.
Лиз Хартман
Лиз Хартман — руководитель отдела коммуникаций Управления ветроэнергетических технологий Министерства энергетики.
еще этого автора
Наиболее распространенные размеры ветрогенераторов
Когда многие люди думают о ветряных турбинах, они могут представить себе маленькие машины за чьим-то домом.
Тем не менее, по данным National Wind Watch, промышленные ветряные турбины представляют собой массивные технологические изделия с лопастями, которые могут легко достигать сотен футов.
Энергия, вырабатываемая ветряными турбинами, является эффектом масштаба, поэтому более крупные турбины могут производить более дешевую электроэнергию.
Компоненты ветряных турбин часто перевозятся по дорогам. После того, как турбины построены, они закрепляются на платформах из стали и арматуры, которые легко затмевают 1000 тонн веса и покоятся в земле на глубине от 6 до 30 футов. Затем турбины должны быть оснащены огнями, чтобы их можно было увидеть. В целом, они занимают в среднем около 50 акров площади на мегаватт.
Энергия, вырабатываемая ветряными турбинами, является эффектом масштаба, поэтому большие турбины могут производить более дешевую электроэнергию. Кроме того, более крупные турбины обычно более эффективны, и их лучше использовать на шельфе. Однако турбины меньшего размера легче построить, и они часто приводят к меньшим колебаниям энергии.
Независимо от размера, ветряные турбины являются впечатляющим дополнением к ландшафту. Как правило, ветряная турбина с генератором мощностью 600 кВт будет иметь диаметр ротора около 144 футов. Если вы удвоите диаметр, вы получите в четыре раза больше мощности. Производители часто меняют свои машины с учетом местных ветровых условий. Многие существующие модели имеют высоту более 400 футов, сочетая сверхдлинные башни с все более и более длинными лопастями.
Наиболее распространенные турбины в США производятся компаниями Vestas, Gamesa и General Electric, в то время как на некоторых старых предприятиях используются турбины компаний NEG Micon и Zond. Одна из наиболее распространенных турбин, модель GE мощностью 1,5 мегаватта, имеет 116-футовые лопасти на 212-футовой башне, а Vestas V90 имеет 148-футовые лопасти на 262-футовой башне. Модель GE мощностью 1,5 мегаватта весит более 164 тонн; только башня весит около 71 тонны. Общий вес Vestas V90 составляет около 267 тонн.
Продолжайте читать список некоторых из наиболее распространенных ветряных турбин, которые в настоящее время производятся или должны быть запущены в ближайшее время, а также их размеры.
Получите энергию ветра в вашем доме с каждым счетом.
Проверить наличие
MHI Vestas V164-9,5 МВт
Самая большая турбина, производимая сегодня, — величественная MHI Vestas V164. Длина одних только лопастей составляет около 262 футов, а вся конструкция весит около 73 000 фунтов. Турбина использовалась в Ирландском море, а также была выбрана для проектов, которые должны начаться в середине 2018 года.
Adwen AD8-180
У Adwen лопасть на 10% длиннее, чем у MHI Vestas V164, а турбина была выбрана для ряда морских проектов во Франции. Диаметр ротора турбины составляет около 600 футов.
Siemens-Gamesa Renewable Energy SWT- 8.0-154
Эта турбина с диаметром ротора почти 400 футов широко используется у берегов Англии и в Германии. Мощность турбины составляет около восьми мегаватт.
Enercon E-126 7,5 МВт
Диаметр ротора этой турбины составляет около 416 футов. Это одна из крупнейших производимых наземных турбин. В целом высота наконечника турбины составляет около 650 футов, а диаметр одного только стального соединителя рыскания составляет около 48 футов. Сегментированные лопасти турбины облегчают их перемещение по земле и ускоряют и упрощают установку.
MingYang SCD 6,0 МВт
Развитие серийного производства этой китайской турбины было немного медленным, но конструкция очень компактная и имеет всего две лопасти. Прототип имеет диаметр около 460 футов, и компания также работает над более крупными вариантами. При мощности около шести мегаватт в конструкции используются лопасти, специально разработанные в Германии. Остальные основные части производятся в Китае.
Senvion 6.2M152
Диаметр ротора прототипа турбины составляет около 500 футов, а длина текущей модели составляет около 414 футов. Компания заявляет, что более длинная лопасть повысит производительность и продлит срок службы турбины примерно на пять лет.
Всего было установлено или находится в эксплуатации не менее 200 единиц турбины, и компания обсудила планы по представлению турбины, которая будет иметь генерирующую мощность более 10 мегаватт.
GE Haliade 6 МВт
Эта турбина была полностью выставлена в прошлом году на первой в Америке морской ветровой электростанции в Block Island Development. С диаметром ротора около 495 футов турбина была выбрана для проектов, расположенных у берегов Франции и в Северном море недалеко от Германии.
Sinovel SL6000
Шестимегаваттная установка имеет диаметр ротора около 420 футов, но расширенная версия турбины имеет длину около 508 футов. В настоящее время турбина работает у восточного побережья Китая в рамках демонстрационного проекта, но будущее турбины неясно из-за сокращения бюджета компании на исследования и разработки.
Многие ученые прогнозируют, что в ближайшие десятилетия размеры ветряных турбин превзойдут сегодняшние. Исследование, проведенное с участием четырех организаций, занимающихся энергетическими исследованиями, показало, что к 2030 году средняя высота береговых турбин в США будет примерно на 108 метров больше, чем в настоящее время.