Вітроенергетика

Вітроенергетика — галузь науки і техніки, в рамках якої розробляються теоретичні основи, методи і засоби використання енергії вітру для отримання механічної, електричної та теплової енергії, визначаються напрями і масштаби доцільного використання вітрової енергії в народному господарстві.

Характеристика

Вітроенергетика складається з 2-х основних частин: вітротехніки, що розробляє теоретичні основи і практичні прийоми проєктування технічних засобів (агрегатів і установок), і вітровикористання, що включає вирішення теоретичних і практичних питань оптимального використання енергії вітру, раціональної експлуатації установок і їх техніко-економічних показників, а також узагальнення досвіду практичного застосування вітроенергетичних установок.

Під поняттям «вітроенергетика» у широкому сенсі слова розуміють сукупність знань і технологій щодо перетворення некерованої енергії вітру в керовану енергію на користь людям.

Вітроенергетика спирається на результати досліджень у галузі аерології, на базі яких розробляється вітроенергетичний кадастр — система обліку (база даних) вітроенергетичних ресурсів, що є сукупністю об’єктивних і необхідних відомостей, які характеризують режими швидкостей вітру в тій або іншій місцевості. Основними характеристиками вітрового кадастру є: середньорічні, середньомісячні та середньодобові швидкості вітру; максимальна швидкість вітру; залежність швидкості вітру від висоти; повторюваність швидкості вітру та його напрямків протягом року, сезону, місяця; дані про пориви, про періоди і терміни відсутності вітру; питома потужність і питома енергія вітру.

При використанні даних вітроенергетичного кадастру певної місцевості можна оцінювати можливу продуктивність та режими роботи вітроенергетичного обладнання — виявляють райони зі сприятливим вітровим режимом та встановлюють, де застосування вітрової енергії є доцільним і економічно вигідним у порівнянні з іншими енергетичними джерелами.

Вітрова енергія належить до постійно відновлюваних джерел енергії, зобов’язаних своїм походженням діяльності Сонця. Внаслідок нерівномірного нагріву сонячними променями земної поверхні і нижніх шарів земної атмосфери в приземному шарі, а також на висоті від 7 до 12 км виникають переміщення великих мас повітря, тобто утворється вітер, який несе колосальну кількість енергії. Сила вітру залежить від його швидкості і змінюється в дуже широких межах.

Одним із основних факторів, який визначає доцільність впровадження вітроенергетичного обладнання в певній місцевості, є рівень питомої потужності вітрового потоку (це потужність, віднесена до 1 м2 площі, перпендикулярної напряму вітру).

[math]N = 1/2( V^{ 3 }, Вт/м^{ 2 }[/math],

де ( – густина набігаючого повітряного потоку, кг/м³; V – швидкість набігаючого повітряного потоку, м/с.

Середня густина набігаючого вітрового потоку визначається як добуток масової густини повітря – 0,125 кг(с²/м⁴ та прискорення сили тяжіння – 9,8 м/с² і становить 1,225 кг/м³ при температурі 15^оС і атмосферному тиску 0,0981 МПа (760 мм рт. ст.), ця величина дещо змінюється при зміні кліматометеорологічних умов [1, 18].

Питома потужність вітрового потоку, що діє на 1 м² площі вітроколеса, визначається як 0,613V³. Найбільш важливою складовою, яка визначає потужність вітрової енергії, є швидкість вітру, на яку в першу чергу і орієнтуються при виборі та впровадженні вітроенергетичного обладнання.

До переваг вітрової енергії перш за все відноситься доступність, екологічна чистота, повсюдне поширення і практична невичерпність ресурсів. Джерело енергії не потрібно здобувати і транспортувати до місця споживання: вітер сам поступає до встановленого на його шляху вітродвигуна. Ця особливість вітру надзвичайно важлива для важкодоступних (арктичних, степових, пустинних, гірських тощо) районів, віддалених від джерел централізованого енергопостачання, і для відносно дрібних (потужністю до 100 кВт) споживачів енергії.

Основним недоліком при використанні вітру як енергетичного джерела є непостійність його швидкості, отже, і енергії в часі. Вітер характеризується не тільки багаторічною і сезонною мінливістю, але також змінює свою активність протягом доби і за дуже короткі проміжки часу (миттєві пульсації швидкості і пориви вітру). Однак сучасні досягнення в галузі вітроенергетики забезпечують ефективне використання енергії вітру та широкомасштабне впровадження обладнання в різних галузях народного господарства.

Вітроенергетична установка — комплекс технічних пристроїв для перетворення кінетичної енергії вітрового потоку в будь-який інший вид енергії. До складових вітроенергетичної установки входить власне вітроагрегат (вітродвигун у комплекті з однією або кількома робочими машинами), акумулюючий або резервуючий пристрій та системи автоматичного управління й регулювання режимами роботи. У деяких випадках застосовується дублюючий невітровий двигун.

Вітрелектрична установка (ВЕУ) — електростанція, яка за допомогою вітрогенератора перетворює механічну енергію вітру на електричну.

Вітроелектростанція (ВЕС) — це комплекс вітроелектроустановок.

Вітрогенератор — пристрій для перетворення кінетичної енергії вітру на електричну, що складається з вітрової турбіни, електрогенератора та допоміжного обладнання. Виробництво вітрогенераторів належить до складних та наукоємких виробництв.

Вітродвигун — двигун, що використовує кінетичну енергію вітру для виробництва механічної енергії. У якості робочого органу вітродвигуна, що сприймає енергії вітрового потоку і перетворює її в механічну енергію обертання валу, застосовують ротор, вітроколесо, барабан тощо. Залежно від типу робочого органу та положення його відносно вітрового потоку розрізняють карусельні (або роторні) вітродвигуни, барабанного типу і крильчаті.

У якості акумулюючого пристрою часто застосовують наповнену водою ємність або батареї електрохімічних акумуляторів; для короткочасного запасу енергії та вирівнювання споживаної потужності при незначних змінах швидкості вітру можуть бути використані інерційні акумулятори. Дублюючий невітровий двигун (як правило, двигун внутрішнього згоряння) використовують у періоди відсутності потоку вітрової енергії і в тих випадках, коли через зниження швидкості вітру потужність, що розвивається вітродвигуном, стає нижчою від номінальної або недостатня для живлення електроенергією всього приєднаного навантаження.

Системи автоматичного управління та регулювання служать для вмикання й вимикання вітрового двигуна (залежно від режимів вітру та навантаження, ступеня заповнення резервуючої ємності водою, заряду акумулятора і т.д.), для контролю за роботою головних елементів вітрової установки, узгодження режимів спільної або паралельної роботи вітрового та теплового двигунів і т.ін. Розрізняють вітроустановки спеціального призначення – насосні або водопідйомні, електричні зарядні, млинові, опріснювальні тощо) та комплексного використання (вітросилові та вітроелектричні). У силових вітроустановках від механічної трансмісії вітродвигуна приводяться в дію виконуючі машини; в електричних вітроустановках генерована електроенергія передається на електродвигун виконуючих машин. Залежно від типу і характеристик вітродвигунів та робочих машин вітроустановки можуть бути тихохідними, середньої швидкохідності і швидкохідними. Встановлена (розрахункова) потужність вітроустановки залежить головним чином від діаметра вітроколеса і показника швидкості вітру. Вітроустановки працюють зі змінюваною у широких межах частотою обертів вітроколеса і, відповідно, потужністю.

Перетворення кінетичної енергії повітряного потоку при застосуванні вітроенергетичного обладнання здійснюється шляхом його взаємодії з робочими органами вітроустановками, які можуть бути виконані у наступному вигляді:

а) лопатей (плоских, увігнутих або з аеродинамічним профілем);
б) циліндрів А.Флетнера;
в) осцилюючих предметів, наприклад, тросів;
г) системи з електродними сітками електрогідравлічного динамічного генератора.

Найбільш розповсюдженими робочими органами вітроустановок є лопаті з аеродинамічним профілем.

Класифікація

Для використання енергії вітру застосовуються різні типи вітроенергетичного обладнання. Вітроенергетична система спочатку перетворює енергію вітру в механічну енергію, а потім, при необхідності, в електричну. Функціонально вітроустановки можуть бути розподілені таким чином: мережеві вітроелектричні установки; автономні вітроелектричні установки; вітроустановки для виконання механічної роботи.

Режими функціонування вітроелектричного обладнання, що працює в комплексі з промисловою електромережею, суттєво відрізняються від режимів роботи автономних вітроелектричних установок; ці відмінності потребують спеціального технічного і технологічного забезпечення. Тому автономна вітроенергетика часто виділяється як окрема підгалузь вітроенергетики.

Механічні вітроустановки частіше всього використовуються в сільському господарстві, вітроелектричні агрегати мають більш широке коло споживачів – різні приватні та державні господарства, установи, будинки та об’єкти. Для забезпечення потреб теплопостачання вітрову енергію перетворюють у тепло за допомогою механічних або електричних пристроїв.

Для виробництва електроенергії застосовують вітроелектричні агрегати двох основних типів: з вертикальною та з горизонтальною віссю обертання. Найбільш поширеними є вітроагрегати з горизонтальною віссю обертання, на їх частку приходиться біля 95% вітроустановок.

Потенційний попит на вітроенергетичне обладнання, а також на пристрої енергопостачання на їх основі, може бути визначений залежно від напрямків їх використання. При цьому варто мати на увазі, що області використання визначають вимоги до конструкції як власне вітроустановок, так і до складу устаткування системи захисту, автоматики та алгоритму керування. Це в остаточному підсумку визначає вартість системи та платоспроможний попит.

За напрямами використання вітроустановки класифікують:

вітроустановки та вітростанції, що працюють у мережі (енергосистемі) загального користування;
вітроустановки, що працюють у локальній (автономній) системі паралельно з іншими енергоустановками (дизель-генератор, мала ГЕС, сонячна батарея тощо);
вітроустановки індивідуального або групового електропостачання;
вітроустановки для виробництва теплової енергії;
вітроустановки для виробництва механічної енергії.

У вітроенергетичних установках енергія вітру перетворюється в механічну енергію їх робочих органів. Первинним і основним робочим органом вітроустановки, що безпосередньо приймає на себе енергію вітру і, як правило, перетворює її в кінетичну енергію свого обертання, є вітроколесо. Обертання вітроколеса під дією вітру обумовлюється тим, що в принципі на будь-яке тіло, що обтікає потік газу, діє сила Е, яку можна розкласти на дві складові:

сила лобового опору, що діє уздовж швидкості набігаючого потоку;
підйомна сила, що діє у напрямку, перпендикулярному швидкості набігаючого потоку.

За конструктивними і технологічними особливостями ВЕУ умовно розділяють на дві групи:

ВЕУ малої потужності (до 100 кВт);
ВЕУ середньої і великої потужності (100 кВт і більше).

Особливості першої групи обумовлені специфікою ринку даної категорії ВЕУ, розрахованої на індивідуальних споживачів приватного сектора і малий бізнес. Характерними властивостями новітніх ВЕУ до 100 кВт є:

використання трилопатевої вітротурбіни з фіксованим кутом установки лопатей, перетин профілю лопаті постійний;
виготовлення лопатей із армованого скляним або вуглецевим волокном пластику;
орієнтація ВЕУ за допомогою найпростішого механізму – флюгерної лопаті, яка завдяки спеціальній конструкції та шарніру одночасно регулює швидкість обертання вітротурбіни шляхом повороту всієї площини обертання вітротурбіни відносно вітрового потоку;
використання тихохідних трифазних синхронних генераторів на базі рідкоземельних магнітів з високою коерцитивною силою;
виконання генераторної системи за схемою «синхронний генератор – випрямляч – інвертор», що дозволяє працювати при змінній частоті обертання ротора;
можливість як роботи в мережі, так і автономної роботи;
забезпечення повністю автономної роботи, контрольованої комп’ютером, а також роботи в різних комбінаціях системи (наприклад, координація роботи разом із дизельною електростанцією або акумулятором).

Розвиток вітроенергетики на основі вітроустановок потужністю до 100 кВт повинен бути орієнтованим на відносно низьку одиничну вартість агрегатів та їх механічну простоту, повну автономність і універсальність у роботі, застосування генераторів, що працюють зі змінною швидкістю обертання, для підвищення загального коефіцієнта використання вітроелектричної установки.

Вітроустановки другої групи (середньої та великої потужності) характеризуються спільними технологічними рішеннями, які обумовлюються вимогами до роботи в електромережі та великими габаритами ВЕУ. При цьому висока одинична вартість агрегатів такого класу компенсується зниженням питомої вартості 1 кВт установленої потужності.

Характерними рисами новітніх ВЕУ середньої та великої потужності є:

використання трилопатевої вітротурбіни, виготовленої зі склопластику, армованого скляним або вуглецевим волокном, із регулюванням кута установки периферійної частини лопаті;
застосування асинхронних двошвидкісних генераторів, що приводяться в рух через трансмісію;
застосування активної системи орієнтації на вітер;
використання трубчастої сталевої вежі без розтяжок; у самих останніх розробках плануються більш дешеві та більш високі башти на розтяжках;
повністю автоматизована система керування;
можливість роботи тільки в мережі.

Конструктивно вітроустановки класифікуються за двома основними ознаками:

геометрією вітроколеса;
положенням вітроколеса відповідно до напрямку вітру.

Якщо вісь обертання вітроколеса паралельна повітряному потоку, то установка називається горизонтально-осьовою. Установки, що використовують силу лобового тиску, як правило, обертаються з лінійною швидкістю, меншою від швидкості вітру, а установки, що використовують підйомну силу, мають лінійну швидкість кінців лопатей, істотно більшу від швидкості вітру.

Сучасна вітроенергетика базується в основному на застосуванні вітродвигунів: горизонтально-осьових пропелерних із горизонтальною віссю обертання й вертикально-осьових (або ортогональних) із вертикальною віссю обертання. Ротори останніх виконуються у вигляді вертикально розташованих лопатей або у спеціальному виконанні – ротори типу Дар’є.

Історична довідка

Енергію вітру людина використовувала з давніх часів – спочатку в судноплавстві, а потім для заміни своєї мускульної сили. Перші кроки в цьому плані людство зробило з винаходом стародавніми єгиптянами більше 5000 років тому вітрила, яке перетворювало кінетичну енергію вітру в кінетичну ж енергію цілеспрямованого руху вітрильного судна. Перші прості вітродвигуни застосовували за глибокої давнини в Єгипті і Китаї. У Єгипті збереглися залишки кам’яних вітряних млинів барабанного типу, побудованих ще в 2-1 ст. до н.е. В 7 ст. н. е. перси будували вітряні млини вже більш довершеної конструкції – крильчаті. Дещо пізніше, приблизно в 8-9 ст., вітряні млини з’явилися на Русі і в Європі. Починаючи з 13 ст., вітродвигуни отримали широке розповсюдження в Західній Європі, особливо в Голландії, Данії і Англії, для підйому води, помолу зерна і приведення в рух різних верстатів.

Максимальне поширення вітряних млинів спостерігалось у 1700-ті роки на рівнинах Нідерландів, Німеччини, Італії, Іспанії, України, Росії. У 1730-х у Нідерландах працювало 1200 вітроустановок, які захищали 2/3 території країни від заболочування грунтів. До кінця 19 ст. у Нідерландах нараховувалось більше 10 тисяч вітроустановок, у Данії — 30 тисяч для побутових потреб і 3 тисячі вітродвигунів, що використовувались у промисловості.

Україна має багатовікові традиції використання енергії вітру. Вітродвигуни для перекачування води та помолу зерна мали масове поширення на всій її території — до 1917 їх загальна потужність становила близько 1400 МВт.

З винаходом парових машин, а потім двигунів внутрішнього згоряння і електричних двигунів старі примітивні вітряні двигуни і млини були витіснені з багатьох галузей, залишившись в основному в сільському господарстві.

Будівництво вітряків у давні часи було засноване на багаторічному досвіді. Формування промисловості у 18 ст. стало значним імпульсом для розвитку науки і сприяло появі наукового підходу до вирішення проблеми використання енергії вітру. Наприкінці 19 ст. почалися активні розробки щодо використання енергії вітру для генерування електричної енергії; в цьому напрямку в різних країнах проводились наукові теоретичні та експериментальні роботи.

На початку 19 ст. фізик М. Фарадей з колегами-фізиками та інженерами розробили пристрої для генерації електричного струму, які перетворюють механічну енергію обертання в електроенергію.

ВЕУ Дж. Бліса

Першу вітрову електроустановку (ВЕУ) висотою 10 м побудував в 1887 у Шотландії професор Дж.Бліс із Глазго (рис. 1).

Вітрова електрична турбіна Ч. Браша. 1888 р.

У 1887–1888 один із засновників американської електричної індустрії Ч. Ф. Браш побудував першу автоматично керовану вітрову турбіну для виробництва електроенергії, яка пропрацювала 20 років (рис. 2).

У 1891 П. ля Кур (Данія) розробив електропривід з генератором, що дозволяв підключатися до найбільш ефективних на той час за своєю конструкцією вітряних млинів і виробляти електроенергію. До кінця Першої світової війни подібні установки, потужністю до 25 кВт, набули широкого поширення в Данії.

П. ля Кура по праву вважають засновником вітроенергетичної науки, він є автором перших спеціальних курсів з вітроенергетики, засновником першої у світі наукової школи з вітроенергетики. Найбільш вагомі результати його наукових досліджень:

аеродинамічна труба для продування моделей вітряних млинів, щоб домогтися оптимальної форми лопатей вітряної турбіни;
перші результати з вирішення проблеми нерівномірності виробництва енергії від вітряної електростанції і її споживання;
перше використано електроенергію від вітряка для виробництва водню електролізом. Згідно ідей ля Кура водень використовується для освітлення, зварювання, виробництва добрив, а також для акумулювання електроенергії.

На початкових етапах розвитку вітроелектроенергетика носила в основному експериментальний характер. Вчені та інженери теоретично обгрунтували принципово нові схеми і створили вітроенергетичні установки і вітроелектричні станції різних типів потужністю до 100 кВт для механізації і електрифікації процесів сільськогосподарського виробництва та для інших цілей. Промисловий випуск вітродвигунів для механічного приводу машин був налагоджений на початку 20 ст., а електричних вітроагрегатів з генераторами невеликої потужності — приблизно в 1920-х, а у 1940-1950-х почалося будівництво ВЕС.

Значним є внесок українських вчених у розвиток вітроенергетики — в Україні було розроблено принципово нові технічні рішення, що стали стандартом для сучасних ВЕУ і за якими дотепер зберігається український пріоритет. Одним із видатних українських вчених у галузі аерогідродинаміки й теорії авіації був Г. Проскура, який у 1922 у статті «Теорія пропелерних турбін» вперше у світі дав основи теорії турбін цього типу й способи їхнього розрахунку. Під його керівництвом у 1922 на базі Харківського технологічного інституту була відкрита аеродинамічна лабораторія, що поклала початок широкомасштабним науково-дослідним роботам у галузі аеродинаміки й авіації.

Проєкт вітроелектричної установки Ю. Кондратюка

У Харкові існували дві групи вчених, що займалися створенням ВЕУ. Перша група ентузіастів вітроенергетики працювала під керівництвом Г. Проскури, що в 1923 зацікавився проблемою використання енергії вітру. Був створений проєкт дослідної вітросилової станції Харківського технологі-чного інституту (діаметр колеса 10 м, висота осі від рівня землі 45 м). Вона була змонтована в інженерно-механічному корпусі в 1926. В 1933 під керівництвом Г. Проскури інженер Д. Алексапольський спроєктував вітро-силову станцію потужністю 4500 кВт (діаметр колеса 80 м, висота вежі 150 м). Конфігурація цієї ВЕУ відповідала європейській (данській та голландській) концепції того періоду.

Ю.В. Кондратюк (О. Шаргей) у 1930-х розробив один з найцікавіших і перспективніших проєктів ВЕС, проєктна потужність якої складала 12 МВт (рис. 3), що майже удвічі вище за потужність першої в країні експериментальної атомної електростанції.

Розробки Жуковського, Проскури, Сабініна, Кондратюка та інших вчених стали фундаментом сучасної теорії та методів розрахунку вітротурбін, а деякі ідеї Кондратюка були реалізовані в сучасних ВЕУ.

У ряді країн науково-дослідні роботи в галузі вітроенергетики посилено розвивалися з кінця 1940-х до початку 1960-х. Однак на той час ціни на викопне паливо помітно знизилися, і, з погляду вартості електроенергії, вітроелектричні установки вже не могли конкурувати з тепловими електростанціями. У цей період комерційна вітроенергетика практично не розвивалася.

На початку 1970-х років почався новий період розвитку вітроенергетики, обумовлений насамперед енергетичною кризою. У цей період уряди багатьох країн розгорнули широкомасштабні програми зі створення вітроенергетичного обладнання, згідно яких розробка технологій, конструкторські роботи й експериментальні дослідження повинні були проводитися у постійній взаємодії. Дослідження були розділені на два напрямки — ВЕУ з горизонтальною віссю та ВЕУ з вертикальною віссю обертання.

Промислова вітроенергетика

Почала свій розвиток у середині 1960-х. У західних країнах було розроблено і реалізовано механізми державної підтримки вітроенергетики як найбільш могутньої підгалузі відновлюваної енергетики ( спеціальні тарифи, преференції при під’єднанні до електромережі та при закупівлі екологічно чистої електроенергії і тому подібне. Керівними органами ЄС прийнято ряд вагомих документів для істотного стимулювання виробництва електроенергії в галузі вітроенергетики. Все це стимулювало фінансування і активізацію роботи компаній, що конструюють і впроваджують вітрові електроустановки.

Сучасна ВЕУ General Electric GE 5.3-158

Характерна сучасна ВЕУ (рис. 4) є грандіозною спорудою з трьома лопатями на горизонтальній осі, розташованій на висоті не менше 100 м, і вітроколесом з діаметром 150 м. Потужність такої ВЕУ становить 5 МВт (5000 кВт).

Вже на початку 21 ст. вітроенергетика стала найбільш інвестиційно привабливої галуззю електроенергетики з екологічно чистою найдешевшою електроенергією, виробленою без застосування імпортних енергоносіїв.

Прогрес світової вітроенергетики є феноменальним — кожні три роки сумарна встановлена потужність вітрових електростанцій подвоюється. Внаслідок науково-технічного прогресу у вітроенергетиці, направленого на підвищення номінальної потужності ВЕУ, вже в кінці 20 століття собівартість електроенергії ВЕС стала істотно нижчою від собівартості електроенергії АЕС, визначеної з урахуванням витрат на дезактивацію відходів і ліквідацію АЕС, і співмірною із собівартістю електроенергії ТЕС.

Вартість ВЕУ має дві складові — постійну (незалежну від потужності ВЕУ) і змінну (залежну від потужності ВЕУ). До першої складової, наприклад, можна віднести вартість системи управління ВЕУ, до другої — вартість башти, лопатей, генератора тощо. Зі збільшенням потужності ВЕУ постійна складова залишається незмінною, а змінна складова збільшується набагато повільніше за збільшення потужності ВЕУ. Аналогічна тенденція простежується і щодо витрат на експлуатацію ВЕУ. Це пояснює причини істотного зниження собівартості електроенергії ВЕУ. З огляду на те, що прогнозується збереження тенденції збільшення номінальної потужності ВЕУ, відповідно і надалі повинна знижуватися собівартість електроенергії ВЕС, що впливатиме на подальше зростання встановленої потужності ВЕС.

За критеріями повних витрат на виробництво електроенергії вітроенергетика має істотні переваги перед традиційними технологіями генерації електроенергії з органічного палива. Ця тенденція в майбутньому посилюватиметься завдяки постійним тенденціям зростання цін на органічне паливо і зростання вартості квот на викиди парникових газів.

Вітроенергетика України

Вітростанція потужністю 160 кВт на науково-дослідному полігоні КПІ «Десна»

Наукові дослідження з використання відновлюваних джерел енергії в Україні і колишньому СРСР почалися в 1980-ті . в Київському національному технічному університеті України (Київський політехнічний інститут) під керівництвом член-кореспондента АН України Г. Денисенка. Перевірка наукових розробок і відпрацювання робочих режимів проводилася на науково-дослідному полігоні КПІ «Десна», розташованому на межі Київської і Чернігівської областей. Вперше в СРСР на ньому була побудована вітроелектрична станція потужністю 160 кВт з восьми вітроелектричних установок потужністю 20 кВт кожна (рис. 5). У процесі експлуатаційних досліджень проводилась перевірка ефективності вітроустановок при застосуванні різних конструкцій лопатей, видів редукторів, генераторів, систем акумулювання і допоміжного устаткування. Проводились дослідження роботи вітроустановок в автономному і системному режимах.

Промислова вітроенергетика

Створення вітроенергетичної галузі промисловості України було розпочато у 1994 на базі ринкових засад та під контролем і за підтримки держави, що полягала у створенні сприятливих умов для інвесторів, яким надали ліцензії на право виготовлення в Україні вітротурбін. Для сприяння інвесторам було прийнято необхідні нормативно-правові акти, які закріпляли права інвесторів на отримання виплат роялті за передачу технологій державним машинобудівним підприємствам, більшість з яких використовувала ці технології для конверсії військового виробництва.

Україна, яка отримала у спадок від Радянського Союзу одну з найбільших часток (біля 30 %) військово-промислового комплексу (ВПК), почала одночасно вирішувати проблеми створення нових екологічно-чистих енергетичних потужностей і конверсії підприємств ВПК, які простоювали через відсутність оборонних замовлень. На виконання цього завдання була спрямована «Комплексна програма будівництва вітрових електростанцій», затверджена постановою Кабінету Міністрів України «Про будівництво вітрових електростанцій» від 15.06.1994 №415. Фінансування цієї програми відбувалось за рахунок збільшення на 0,75 % тарифів на весь обсяг електроенергії. У рамках її виконання будувалися державні ВЕС, обладнання для яких виготовлялось державними підприємствами України. У результаті виконання «Комплексної програми» було створено вітроенергетичну галузь вітчизняного машинобудування, основою якої стало 31 машинобудівне підприємство, що виготовляли компоненти для ліцензійних ВЕУ. На основі головного підприємства України з вітроенергетичної техніки – ДП «Виробниче об’єднання Південний машинобудівний завод ім. О.М. Макарова» — була створена система взаємодії усіх машинобудівних підприємств, залучених до кооперації виробництва вітротурбін першого та другого поколінь, що дозволяло координувати розвиток вітроенергетики України.

У період 1994–2010 на вітчизняних підприємствах були виготовлені 774 вітротурбіни першого покоління USW56-100 потужністю 107.5 кВт та 24 вітротурбіни другого покоління Т600-48 потужністю 600 кВт, які стали основою подальшого розвитку української вітроенергетики.

Збудовані на основі ліцензійних вітротурбін шість державних промислових ВЕС загальною потужністю 92,6 МВт стали першими об’єктами такого типу у пострадянських країнах.

Була створена система підготовки кадрів для експлуатації ВЕС, яка дозволила організувати ефективну експлуатацію цих об’єктів. Для прикладу, показники експлуатації Тарханкутської ВЕС потужністю 20,7 МВт на момент її націоналізації окупаційною владою Криму склали: рентабельність ВЕС – 186 %, коефіцієнті готовності вітротурбін – 96 %.

За спільним рішенням уряду і Національної академії наук України, в її структурі була створена наукова база для української вітроенергетики, для якої основні наукові дослідження та практичні розробки виконувались Інститутом відновлюваної енергетики та Міжгалузевим науково-технічним центром вітроенергетики (МНТЦВ), який після створення Інституту відновлюваної енергетики НАН України у 2004 р. був перейменований у ДП «Міжгалузевий науково-технічний центр вітроенергетики Інституту відновлюваної енергетики НАН України».

До основних напрямів діяльності МНТЦВ було віднесено: формування перспективних науково-технічних напрямків розвитку вітроенергетики в Україні; організацію та проведення експертизи наукових, технічних, соціально-економічних програм і проєктів у цій галузі; техніко-економічне обґрунтування проєктів з вітроенергетики з урахуванням основних показників типу вітрових характеристик, виробітку електроенергії і її собівартості, розміру капіталовкладень, тощо.

У процесі науково-технічного супроводу Комплексної програми будівництва ВЕС було визначено перспективні території для будівництва, розроблено техніко-економічні оцінки будівництва вітростанцій, виконано моделювання для оптимальних розстановок вітроагрегатів на майданчиках вітростанцій, а також подальший аналіз і оптимізація їх роботи з використанням новітніх технічних та інформаційних технологій.

Важливим напрямом досліджень було встановлення енергетичної сумісності вітростанцій у складі електросистеми, були вирішені питання компенсації реактивної енергії вітростанцій, знижені рівні перенапруг устаткування вітростанцій в процесі експлуатації.

В Україні, як і в інших європейських країнах, діє загальна законодавча система стимулювання розвитку відновлюваної енергетики, включаючи вітроенергетику. Ця система включає «зелені» тарифи, диференційовані за типом та потужністю об’єктів, а також за строками введення в експлуатацію об’єктів енергетики. Держава зобов’язується купувати у станцій на основі ВДЕ електроенергію за «зеленим» тарифом до 2030 року. Перелік законодавчих актів, що регулюють ринок відновлюваних джерел енергії в Україні, включає Закони України, Постанови Кабінету Міністрів України, Постанови НКРЕ, Державні Програми тощо.

Станом на кінець 2021 загальна встановлена потужність ВЕС в Україні становила 1673 МВт. у 2021 українські ВЕС виробили 3866 млн кВт∙год зеленої електроенергії, якої достатньо для задоволення річного споживання електроенергії близько 650 000 домогосподарств при щомісячному споживанні близько 500 кВт∙год. Завдяки генерації електричної енергії за рахунок енергії вітру у 2021 році було заощаджено 1,8 млн тонн вугілля та 1171,4 тис. м³ природного газу, скорочено приблизно 3,1 млн тонн викидів СО₂.

Географічні умови території суходолу України дозволяють побудувати 438 ГВт економічно ефективних ВЕС на базі сучасних моделей ВЕУ трьохмегаватного класу. Разом з потенціалом офшорних ВЕС це становитиме 438 + 250 = 688 ГВт з середньозваженою нижньою границею коефіцієнта використання встановленої потужності (КВВП-нетто) – 0,36. Відповідний річний виробіток електроенергії становитиме майже 2200 млрд кВт·год, що більше, ніж вдесятеро, перевищує річне поточне споживання електроенергії в Україні.

Мала вітроенергетика

В Україні наявні місцевості, де енергопостачання від централізованої мережі може виявитись економічно недоцільним. Це особливо відчутно у тих випадках, коли споживачі мають відносно невелику потужність, а прокладання ЛЕП потребує великих капіталовкладень. Використання в якості альтернативи бензинових або дизельних електростанцій обмежене вимогами екології, доставки та зберігання палива і високими експлуатаційними витратами. У даному випадку ефективним є розвиток автономної або «малої» вітроенергетики. Останнім часом значно підвищився попит і все частіше встановлюються в приватних володіннях автономні вітрогенератори для фермерських угідь та приватних будинків.

Задача малої вітроенергетики полягає у забезпеченні надійного функціонування автономних та локальних енергосистем, що перетворюють енергію вітру в механічну або електричну енергію. У залежності від виду енергії, що генерується, вони можуть бути вітромеханічними та вітроелектричними.

Для ефективного використання вітроустановки малої потужності необхідно забезпечити отримання робочих параметрів, а також наявність запасу електроенергії на різні за терміном випадки відсутності вітру. Відповідно до цього можна визначити дві основні групи ВЕУ малої потужності – це установки які працюють на мережу та автономні.

ВЕУ малої потужності які працюють на мережу комплектуються інверторами, які забезпечують параметри електроенергії необхідні для роботи установки з мережею.

В автономному режимі вітроустановка функціонує самостійно і може застосовуватися у поєднанні з іншими енергетичними установками як компонент комбінованої системи енергопостачання. Такі системи використовуються для водо- забезпечення, електро- та теплопостачання будинків, отримання та накопичення водню. При цьому вони можуть агрегатуватись з дизель-генераторами, тепловими насосами, електролізерами тощо.

У світовій практиці і в Україні знайшли широке застосування автономні вітрові установки з батареями акумуляторів (АБ).

Враховуючи вимоги техніки безпеки, у відповідності до діючих в електроенергетиці нормативних документів щодо підключення об’єктів вітроенергетики до національної електромережі, верхня межа потужності параметричного ряду вітротехніки для автономної вітроенергетики має бути на рівні 20 кВт. За нижню межу потужності вітротехніки для малої вітроенергетики приймається така, яка задовольнить потреби резервного освітлення та роботи переносної радіоапаратури. Виходячи із показників потенціальних вітроустановок вітчизняного виробництва, пропонується їх використання у наступних сферах життєдіяльності України:

електрозабезпечення невеликих селищ, хуторів, фермерських господарств (ВЕУ потужністю до 20 кВт);
електрозабезпечення невеликих та середніх фермерських господарств (ВЕУ потужністю близько 7,5 кВт);
електрозабезпечення приватних сімейних сільськогосподарських підприємств (ВЕУ потужністю близько 3–4 кВт);
електрозабезпечення приватних осель, помешкань для відпочиваючих (ВЕУ потужністю близько 1 кВт);
для водопостачання, аерація водойм, мікрозрошення сільськогосподарських культур, застосування вітронасосних установок (ВНУ).

Доступність енергії вітру, його повсюдність викликає значну зацікавленість у малій вітроенергетиці. В той же час, прийняття рішення щодо можливості застосування тієї чи іншої вітроенергетичної системи неможливе без енергетичної оцінки вітроенергетичного потенціалу, що хоча і не суперечить загальній методології оцінки вітроенергетичного потенціалу, але має свої припущення для об’єктів малої вітроенергетики.

Література

Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії / Кудря С. О. Київ : Національний технічний університет України, 2012. 495с.
Відновлювані джерела енергії / За ред. С.О. Кудрі. Київ : Інститут відновлюваної енергетики НАНУ, 2020. 392 с.
Атлас енергетичного потенціалу відновлюваних джерел енергії України / за ред. С. О. Кудрі. Київ : Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 2020. 82 с.
Шихайлов М. О. Проблеми та розвиток малої вітроенергетики в Україні // Промелектро. 2004. №5. С. 51-56
Інститут відновлюваної енергетики НАН України. Історія становлення, сучасність та перспективи / За ред. С.О. Кудрі. Київ : Інститут відновлюваної енергетики НАНУ, 2018. 94 с.

Автор ВУЕ

С. О. Кудря

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 20.10.2023

Важливо!

Ворог не зупиняється у гібридній війні і постійно атакує наш інформаційний простір фейками.

Ми закликаємо послуговуватися інформацією лише з офіційних сторінок органів влади.

Збережіть собі офіційні сторінки Національної поліції України та обласних управлінь поліції, аби оперативно отримувати правдиву інформацію.

Отримуйте інформацію тільки з офіційних сайтів

FREEARTICLES

Вітроенергетика

Зміст

Характеристика

Класифікація

Історична довідка

Промислова вітроенергетика

Вітроенергетика України

Промислова вітроенергетика

Мала вітроенергетика

Література

Автор ВУЕ

Важливо!

Офіс Президента України

Верховна Рада України

Кабінет Міністрів України

Служба безпеки України

Міністерство оборони України

Міністерство внутрішніх справ України

Генеральний штаб Збройних сил України

Державна прикордонна служба України

Кіберполіція

Національна поліція України