Теоретические основы Возникновение ветряных ферм происходит одним из трех способов: ветропарки, стихийно образовавшиеся в благоприятных для их размещения местах; ветряные электростанции, являющиеся составной частью какого-либо предприятия или района, запланированные и размещенные в соответствии со строительным проектом; площади, выделенные государством под строительство, для концентрации всех близлежащих ветряков в одном месте и разгрузки близлежащего окружающего ландшафта. По месту размещения выделяют наземные, прибрежные, шельфовые и, с недавнего времени, плавающие электростанции. Первый тип является на настоящий момент наиболее распространенным. Наземные ветропарки размещают на холмах или возвышенностях, прибрежные — на небольшом удалении от берега моря или океана (их действие основано на суточной периодичности движения воздушных масс от берега или к берегу, вызванного нагревом и охлаждением воды), шельфовые (или оффшорные) — в море в 10–12 км от берега, плавающие — на плавающих платформах. Крупная ветряная ферма может состоять из нескольких сотен ветряных турбин, расположенных на обширной территории, достигающей нескольких сотен квадратных километров. Земля, на которой стоят турбины (если речь идет о наземных или прибрежных ветряных фермах), может быть использована для сельскохозяйственных или других нужд. Ветряные электростанции размещают в ветреных районах. Экономическая выгода от установки ветрогенераторов требует наличия постоянного, круглогодичного нетурбулентного ветряного потока скоростью не менее 16 км/ч (4,4 м/с).Обычно местоположение ветряной фермы выбирается на основании данных из атласа ветров, содержащего скорости и направления ветров в регионе, и подтверждаются соответствующими контрольными измерениями. Эти данные имеют важное значение для обоснования строительства, определения возможного потенциала будущей электростанции, в т.ч. в части поиска инвестиций. Перед установкой ветрогенераторов составляется подробная карта местных воздушных потоков на основании замеров, проводимых в течении года или более. На интенсивность ветра также влияет рельеф местности, высокие дома и здания. В расчетах также необходимо учитывать вертикальный профиль ветра, т.е. изменение его скорости в зависимости от высоты, которое описывается логарифмическими зависимостями: или показательными функциями: Здесь v(z) — скорость ветра на высоте z; z — высота над поверхностью земли; zr — базовая высота над землей, используемая для построения профиля; z0 — параметр шероховатости; α — показатель степени кривой функции распределения, для нормальных условий обычно α = 1/7.Приведенные уравнения показывает, например, что увеличение высоты турбины в два раза дает прирост в мощности на 34 % за счет возрастания скорости ветра на 10 %.Выработанная электроэнергия подключается к участку сети со средним первым напряжением в 35 кВ. После на электрической подстанции оно преобразуется в высокое напряжение для транспортировки по линиям электропередач. Мощность N [Вт] одного ветрогенератора рассчитывается по формуле: где ρ — плотность воздуха; S — ометаемая ветрогенератором площадь, м2; v — скорость ветра, м/с. Для минимизации взаимного влияния расположенных вблизи друг от друга ветрогенераторов их роторы должны располагаться на определенном удалении друг от друга. Эта величина зависит от размеров установки и преобладающего направления ветра. Согласно эмпирической формуле, расстояние между ветряками должно быть в пять раз больше диаметра лопастей по основному направлению ветра и в три раза — по второстепенному направлению. В крупных ветряных парках турбулентность, вызываемая работой отдельного ветрогенератора, влияет на работу других, поэтому реальная мощность каждого агрегата, как правило, меньше номинальной, а общая мощность всей электростанции меньше суммы мощностей ее отдельных компонентов. В недалеком прошлом т.н. «эффект ветряного парка» (WindparkEffekt) никак не учитывался в большинстве публикаций, включая нормативные документы, что приводило к просчетам в проектах. Сооружение заранее спроектированного ветряного парка имеет для инвестора конкретное преимущество по сравнению со стихийным размещением отдельных турбин, т.к. вся инфраструктура сконцентрирована в одном месте. Строительная техника и подъездные пути могут быть использованы сразу для сооружения всего комплекса. Высокие строительные краны не требуется разбирать и собирать возле каждого ветряка, они могут приехать на объект строительства своим ходом. Во время непредвиденных задержек при сооружении одного из объектов работа может быть продолжена на другом объекте до устранения проблем, чтобы не терять время. Аналогично удобно и обслуживание ветряного парка: сервисный инженер может за короткое время получить доступ сразу ко всем установкам. В крупных ветряных парках имеется собственная сервисная служба, которая в кратчайшие сроки устраняет поломки. Стихийно выросшие ветряные парки обычно состоят из ветряков различных типов, моделей, высоты и т.д., им требуются различные условия по скорости ветра и другим характеристикам. Увеличение количества установок в рамках такого парка может перераспределить направление воздушных потоков таким образом, что некоторые ветряки просто перестанут вращаться. Особенно это касается тех установок, которые изначально располагались на переднем крае фермы, а впоследствии оказались загороженными другими ветряками. Причины этого в феномене «слип-стрима», когда при вращении каждый вентилятор создает за собой завихренную зону пониженного давления. Если такая ситуация возникла, то после проведения соответствующих расчетов целесообразно выключить несколько установок, которые вызывают помехи, чтобы другие работали в соответствии с расчетной мощностью. Нормативная база (на примере Германии)Федеральный административный суд Германии в июне 2004 г. постановил, что ветряной электростанцией может считаться как минимум так расположенных вблизи друг от друга ветрогенератора, что их области влияния должны пересекаться или, по меньшей мере, соприкасаться. Установки должны соответствовать немецкому Федеральному закону об охране окружающей среды от воздействия экологически вредных выбросов (Bundes-Immissionsschutzgesetz, сокращенно BImSchG). Требования закона BImSchG распространяются также на отдельно стоящие ветряки в количестве одного или двух объектов, если их высота превышает 50 м. В 2005 г. в федеральной земле Северный Рейн-Вестфалия было также принято постановление, согласно которому строительство новых ветрогенераторов должно производиться на расстоянии 1500 м от близлежащего здания. По сути, данный законопроект практически запрещал установку оборудования этого типа, поскольку найти место под строительство стало крайне непросто. В июле 2011 г. указанное постановление было частично отменено, допустимое минимальное расстояние до близлежащего здания сократили до 500 м, как это было и раньше. Согласование строительства ветряной электростанции в Германии осуществляется сразу целиком на весь ветропарк, получать разрешение на каждую отдельную турбину не требуется. Финансирование строительства ветряных электростанций производится за счет средств крупных инвесторов или проектного финансирования (разновидность инвестиционного кредита), а также путем создания закрытых инвестиционных фондов. С 2005 г. стали доступны также и другие формы получения средств, такие как лизинг или сертификат на получение части прибыли. Кроме того, в Германии и других странах существует такая форма строительства ветропарка как «народная ветряная электростанция» (Buergerwindpark), главным признаком которой является участие жителей близлежащих муниципальных образований в проектировании, финансировании и организации строительства объекта инвестирования. Объем инвестиций (более 1 млрд евро) для строительства шельфовых электростанций в настоящее время настолько велик, что возможен лишь при участии крупных международных концернов или даже их консорциумов. Все установки в ветряных парках должны иметь хорошо различимую сигнальную маркировку. Сюда относятся окрашивание концов лопастей роторов в яркие цвета и их освещение в условиях плохой видимости. В новых и частично старых ветряных парках Германии мигание сигнальных ламп синхронизировано по сигналу DCF77 — позывному длинноволнового передатчика точного времени и частоты, расположенного в городе Майнфлингин и работающего на частоте 77,5 кГц с мощностью 50 кВт. Вся вырабатываемая отдельными ветрогенераторами электрическая энергия собирается и централизованно продается в электросеть. Это проще и дешевле, чем получение энергии от каждого объекта индивидуально. Список преимуществ довольно велик — сюда относится и экономия строительных материалов (кабели, счетчики), и упрощение подсчета произведенной и переданной электроэнергии, и удобство обслуживания. Несмотря на то, каждая установка снабжена собственным регулировочным блоком, управление всей ветряной фермой осуществляется обычно с единого пульта. Одной из основных проблем, связанных с передачей электроэнергии в национальную электросеть Германии (да и других стран тоже) являются особенности местоположения ветряных парков. Как правило, в пределах одного региона все ветропарки сконцентрированы в одном-двух благоприятных местах. Это может приводить к местным переизбыткам электроэнергии, когда локальная сеть не может принять ее в полном объеме. Современная ветроэнергетики Первая в мире ветряная ферма состояла из двадцати ветрогенераторов мощностью 30 кВт каждый. Она была установлена в г. Нью-Гэмпшир (New Hampshire) на северовостоке США в декабре 1980 г.Крупнейшей наземной ветряной электростанцией является ветропарк в городе Роско (Roscoe, штат Техас, США), полная ее мощность составляет 781,5 МВт. Она состоит из 627 ветрогенераторов и занимает площадь более 400 км2. Эта ветряная ферма снабжает электроэнергией около 250 тыс. техасских зданий. Земли под ее постройку предоставили в т.ч. около 400 фермеров, которые теперь участвуют в получении прибыли. Электростанция построена немецкой энергетической компанией E.ON AG в четыре этапа. Первой стадией была установка в 2008 г. 209 одномегаваттных турбин Mitsubishi, второй — добавление в том же году к этому количеству 55ти 2,3мегаваттных турбин Siemens. В середине 2009 г. было установлено 166 полуторамегаваттных турбин GE, и к концу года — еще 197 одномегаваттных турбин Mitsubishi. Стоимость проекта составила $ 1 млрд. Лидерами по производству электроэнергии на ветряных электростанциях, расположенных на шельфе, являются Великобритания и Дания. Первая шельфовая ветряная ферма была сооружена в Дании в 1991 г. Самый большой в мире шельфовый ветряной парк мощностью 300 МВт под названием Thanet расположен в Северном море в 11 км от английского побережья (графство Кент), он состоит из ста ветряных трехлопастных турбин Vestas V903MW с диаметром ротора 90 м. Ориентировочная стоимость проекта — $ 1,2–1,4 млрд, а открытие ветропарка состоялось в сентябре 2010 г. В настоящее время в водах территории Европы располагается 39 шельфовых электростанций, принадлежащих Бельгии, Дании, Финляндии, Германии, Ирландии, Голландии, Норвегии, Швеции и Великобритании. Их суммарная мощность равна 2396 МВт. Европейская ассоциация ветроэнергетики (European Wind Energy Association, EWEA) сообщает, что к 2020 г. суммарная мощность оффшорных ветропарков должна вырасти до 40 ГВт, а к 2030 г. — до 150 ГВт. В настоящее время на рассмотрении экспертной комиссии уже находятся проекты суммарной мощностью 100 ГВт. Первый ветряной парк в Германии был построен в августе 1987 г. на побережье Северного моря в федеральной земле Шлезвиг-Гольштейн, в городе Кайзер-Вильгельм-Ког (Kaiser-Wilhelm-Koog). Сейчас в Германии введено в эксплуатацию два ветропарка и три отдельных оффшорных ветряных установки: ❏ Alpha Ventus (стоимость 250 млн евро) в Северном море, состоящий из 12ти ветряков (шесть турбин Areva Multibrid M5000 и шесть — RE-power Systems 5M) суммарной мощностью 60 МВт, высота установок над уровнем моря — 85 и 92 м, диаметр лопастей — 116 и 126 м; ❏ Baltic 1 (120 млн евро) в 16 км от побережья федеральной земли Мекленбург-Передняя Померания, состоящий из 21го ветряка Siemens SWT 2.393 суммарной мощностью 48,3 МВт; высота установок — 125 до 163 м, глубина воды — 16–19 м, скорость ветра — 9 м/с; ❏ Hooksiel (вблизи города Вильгельмсхафен, Нижняя Саксония), турбина BARD 5.0 мощностью 5 МВт; ❏ Emden (устье реки Эмс), турбина Enercon E112 мощностью 4,5 МВт; ❏ Breitling (7 км к северу от Ростока), турбина Nordex N90 Offshore мощностью 2,5 МВт. Согласно плану территориального развития, принятого Федеральным правительством Германии в конце лета 2009 г., до 2030 г. в стране может быть сооружено еще 40 оффшорных ветряных парков в Северном (30) и Балтийском (10) морях суммарной мощностью 25 ГВт. На сегодняшний день Немецким федеральным ведомством по гидрографии и мореплаванию (Bundesamt fuer Seeschifffahrt und Hydrographie, BSH) одобрено 26 проектов шельфовых ветряных ферм, состоящих из в общей сложности из 1850ти ветряков, из них 23 на Северном море и три — на Балтийском, причем два проекта было отклонено, а суммарный энергетический потенциал одобренных проектов составляет примерно 9 ГВт. 1. Интернет-энциклопедия wikipedia.org. 2. ГОСТ Р «Установки электрические ветровые. Требования к конструкции. ISO 614001 Wind turbines — Part 1: Design requirements (MOD)». Проект, 1я ред. 3. Wind energy — the facts: a guide to the technology, economics and future of wind power // EWEA 2009. Accessed: 13 March 2011. 4. IEC614001 Wind turbines, Part 1: Design requirements. 5. Wind Power in the United States: Technology, Economic, and Policy Issues // Congressional Research Service, June 20, 2008.