Рассмотрены основные направления научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по использованию энергии ветра, проводимых в США, и представлены имеющиеся в этой области достижения. Рассмотрены существующие типы ветродвигателей и области их применения. Приведены данные о разрабатываемых ветродвигателях, рассмотрены вопросы их использования, аккумулирования энергии, стоимости ветроустановок и эффективности использования ветроустановок большой единой мощности. Для специалистов, занимающихся разработкой проблем нетрадиционных источников энергии.

Предисловие к русскому изданию
Предисловие
Введение

Глава 1. Состояние и перспективы развития ветроэнергетики
1.1. Ветроэнергетические ресурсы
1.2. Топливно-энергетический баланс США
1.3. Федеральная программа
1.4. Экономика
1.5. Общественное мнение
1.6. История развития
1.7. Современное, состояние
1.8. Типы ветроприёмных устройств
1.8.1. Ветроприёмные устройства с горизонтальной осью вращения
1.8.2. Роторы с вертикальной осью вращения
1.9. Потенциальные возможности на перспективу
1.9.1. Поддержка федеральных органов
1.9.2. Программа управления ERDA-NASA
1.9.3. Перспективные системы
1.10. Применение ветросиловых установок
1.10.1. Перекачивание воды и сжатие воздуха
1.10.2. Выработка теплоты
1.10.3. Производство электрической энергии
1.10.4. Комбинированные системы
1.11. Выбор участков для строительства ВЭУ
1.11.1. Распределение скоростей ветра
1.11.2. Характеристики ветра
1.11.3. Выбор участков
1.11.4. Исследование характеристик ветра
1.12. Характеристики ВЭУ
1.12.1. Развиваемая мощность
1.12.2. Характеристики мощности
1.12.3. Внешние нагрузки
1.12.4. Воздуховодные устройства
1.12.5. Генераторы вихрей
1.13. Разработка ВЭУ
1.13.1. Характеристики ВЭУ
1.13.2. Требования к ВЭУ
1.13.3. Критерии оценки
1.13.4. Размеры ВЭУ
1.13.5. Стоимость вырабатываемой энергии
1.13.6. Экономическая эффективность
1.13.7. Выбор системы аккумулирования энергии

Глава 2. Обобщенная оценка ветроэнергетических ресурсов США
2.1. Методика определения ветроэнергетических ресурсов
2.2. Обобщенные данные
2.3. Учет общих факторов
2.4. Обзор оценок
2.4.1. Методика оценки
2.4.2. Сводные карты энергии ветра
2.5. Усовершенствование методов анализа ветроэнергетических ресурсов    
2.5.1. Методика анализа
2.5.2. Зональные характеристики распределения энергии ветра

Глава 3. Проектно-конструкторские работы по созданию ветроколёс
3.1. Экспериментальные ВЭУ большой мощности Управления ERDA-NASA
3.1.1. ВЭУ Mod-О мощностью 100 кВт
3.1.2. ВЭУ Mod-OA мощностью 125—200 кВт
3.1.3. ВЭУ Mod-Ι мощностью 1500 кВт
3.1.4. ВЭУ Mod-2 мощностью 1000—2000 кВт
3.2. Прикладные научные исследования и технологические разработки
3.3. Конструкция металлической лопасти с жестким креплением к втулке для ВЭУ мощностью 100 кВт
3.4. Исследование динамических нагрузок лопасти
3.5. Регулирование возбуждения для обеспечения устойчивости генератора
3.6. Секционированное и саморегулирующееся ветроколесо
3.7. Система регулирования комбинированного аэроупругого ветроколеса
3.7.1. Регулирование ветроколеса
3.7.2. Программа испытаний
3.8. Оптимизация характеристик ветроколеса с парусными лопастями
3.9. Многоступенчатый ветродвигатель с использованием обтекателя центральной части ветроколеса
3.10. Исследование в аэродинамической трубе профилей поперечных сечений парусных лопастей и плоскостей

Глава 4. Ветродвигатели новых типов
4.1. Ветродвигатель Дарье
4.1.1. Разработка лаборатории ERDA-Sandia ветродвигателя Дарье диаметром 17 м
4.1.2. Результаты исследования конструкции ветродвигателя
4.1.3. Экономичность конструкции лопастей
4.2. Ветродвигатели с диффузорным усилителем
4.2.1. Теория диффузорных усилителей
4.2.2. Разработка диффузоров
4.2.3. Результаты испытаний моделей
4.2.4. Экономический анализ
4.2.5. Направляющий аппарат
4.3. Генератор вихрей
4.3.1. Генератор вихрей с тонким телом
4.3.2. Генератор вихрей с плохо обтекаемым телом
4.3.3. Поле скоростей вихря
4.3.4. Характеристики мощности для различных конфигураций
4.4. Электрогидравлический динамический генератор
4.5. Устройство с вертикальной осью и управлением циркуляцией

Глава 5. Использование энергии ветра в энергосистемах
5.1. Схемы генерирования электрической энергии
5.1.1. Общие положения
5.1.2. Схемы генерирования переменного напряжения постоянной частоты
5.2. Роль ВЭС в энергосистемах
5.2.1. Экономика системной ветроэнергетики
5.2.2. Гарантированная мощность
5.2.3. Результаты предварительных исследований
5.2.4. Гидроаккумулирование энергии
5.3. Проектное исследование фирмы General Electric Company по созданию ВЭУ для энергосистем
5.3.1. Требования к ВЭУ
5.3.2. Предварительные проекты ВЭУ
5.3.3. Проекты систем ВЭУ
5.3.4. Заключение по выполненному исследованию
5.4. Проектное исследование фирмы Катап Aerospace Corporation по созданию ВЭУ для энергосистем
5.4.1. Варианты схем ВЭУ
5.4.2. Оптимизация параметров принятого варианта схемы ВЭУ
5.4.3. Предварительные проекты ВЭУ
5.4.4. Заключения и рекомендации

Список литературы

Предисловие к русскому изданию

С начала 70-х годов в ряде развитых капиталистических стран приступили к разработке и реализации долговременных национальных энергетических программ, направленных на эффективное удовлетворение потребностей в энергии и преодоление энергетического кризиса за счет собственных ресурсов. Поскольку нефтяное топливо становится все более дефицитным, проблема решается путем изыскания способов существенного улучшения использования традиционных видов топлива, повышения КПД энергетических установок, нахождения принципиально новых методов получения и преобразования энергии, расширения масштабов использования нетрадиционных энергоресурсов.

Такая стратегия характерна для многих стран, однако особенности экономики, научно-технический потенциал, географические, климатические и другие условия определяют в разных странах ведущую роль тех или иных составляющих долговременных энергетических программ.

В рамках этих программ большое значение придается возобновляющимся энергоресурсам, в первую очередь энергии Солнца и ветра, теплоте земных недр. Работы по их использованию и повышению эффективности соответствующих установок проводятся в США, Великобритании, Канаде, Франции, ФРГ, Швеции, Дании и в других странах. В последние годы значительное внимание применению ветровых и солнечных установок уделяют многие развивающиеся государства. По неполным данным ЮНЕСКО и Мировой энергетической конференции (МИРЭК) в 1979 г. только на исследования в этой области по программам, разработанным и принятым в 63 странах, израсходовано более 500 млн. долл., из которых 60 % приходится на долю США.

Интенсивно разрабатываются проблемы развития нетрадиционной энергетики в нашей стране. Они решаются в рамках комплексных научно-технических программ, разрабатываемых под руководством Государственного комитета СССР по науке и технике и реализуемых различными министерствами и ведомствами. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года, принятых XXVI съездом КПСС, предусмотрено увеличить масштабы использования в народном хозяйстве возобновляющихся источников энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной) и совершенствовать методы преобразования и передачи энергии. Чтобы на практике ускорить решение этих задач, расширяются фундаментальные и прикладные исследования, разрабатываются проекты более эффективных технических средств, ведется строительство опытных установок.

Успехи, которые имеются в решении перечисленных проблем, прогнозы развития использования нетрадиционных источников энергии указывают на перспективность этого направления и на то, что к концу века за счет этих энергоресурсов можно будет обеспечивать значительную часть энергетических потребностей человечества. По оценкам специалистов разных стран доля энергии, получаемой за счёт использования энергии Солнца и ветра, в общем мировом энергобалансе за 20 лет может возрасти до 5—7 %, а в некоторых странах, расположенных в особо благоприятных регионах, ещё выше.

В энергетических программах разных стран предусмотрен значительный объём исследований и разработок в области ветроэнергетики. Они направлены на выбор наиболее перспективных зон и районов, характеризующихся высоким потенциалом энергии ветра, разработку методов эффективного применения ветроэнергетических установок (ВЭУ), создание новых технических средств и снижение их стоимости с целью существенного улучшения экономических показателей и повышения надежности энергоснабжения потребителей, обеспечение высокой конкурентоспособности ВЭУ при сравнении с тепловыми и гидравлическими электростанциями и агрегатами.

В этих разработках акцент делается на создание установок большой мощности (примерно от 100 кВт до 2—3 МВт), предназначенных для выработки электрической энергии, при этом рассматриваются наиболее перспективные схемы их использования — параллельная работа в энергетических системах. Разработка таких установок представляет собой достаточно сложную научно- техническую задачу, решение которой требует выполнения большого комплекса теоретических и экспериментальных исследований, опытно-конструкторских работ и технологических разработок, а также обоснования методов организации промышленного производства ряда сложных подсистем ВЭУ, в первую очередь ветроколёс большого диаметра, электрического оборудования, механизмов привода и управления, устройств контроля и автоматизации режимов работы.

Сложность решения многих задач обусловила привлечение к ним в ряде зарубежных стран, в частности в США, крупных фирм, проектно-конструкторских организаций и университетов, ученых и квалифицированных специалистов в области энергетики, аэродинамики, надежности, электротехники, систем управления и др. Некоторые разработки осуществляются по комплексным планам международного сотрудничества, в ходе которых происходит также широкий обмен научно-технической информацией.

Это нашло, в частности, отражение в том, что за последние 7—8 лет значительно возросло количество публикаций по различным вопросам ветроэнергетики, в первую очередь относящимся к крупномасштабному использованию энергии ветра для производства электрической энергии. Из книг, опубликованных в 1979— 1980 гг., наибольший интерес представляют: «Windenergie. Eine systemanalytische Bewertung des technischen und wirtschaftlichen Potentials für die Stromerzeugung der Bundesrepublik Deutschland» L. Jarass, L. Hoffmann, A. Larass, G. Obermair. Heidelberg, 1980, S. 272, и настоящая книга, посвященная новейшим разработкам, проведенным главным образом в США в области использования энергии ветра, русский сокращенный перевод которой предлагается вниманию советского читателя.

Книга представляет собой подробный научно-технический обзор наиболее важных проектно-конструкторских разработок, выполненных в США во второй половине 70-х годов по ВЭУ большой мощности, и поэтому ее можно рассматривать как коллективный труд в области крупномасштабного использования ветроэнергетических ресурсов для выработки электрической энергии.

Отличительной особенностью описываемых исследований является то, что в качестве приоритетного критерия оценки экономической эффективности использования энергии ветра принимается стоимость электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ. Большое внимание уделяется ресурсам ветра, его кадастровым и энергетическим характеристикам, новым схемным и техническим решениям, методам использования ВЭУ, аэродинамике ветроколес и башен, системам управления. Нужно согласиться с основной концепцией о том, что масштабы использования энергии ветра в перспективе зависят в первую очередь от того, насколько удастся снизить стоимость ВЭУ и производимой ими энергии при обеспечении всех требований к качеству и надежности энергоснабжения, предъявляемых потребителями и энергетическими системами. Это должно быть достигнуто в сложных условиях эксплуатации ВЭУ и, в частности, без постоянного присутствия персонала, а лишь при периодическом обслуживании. Минимизация затрат и издержек рассматривается в качестве главной задачи проектно-конструкторских разработок.

Достоинством является также наличие в каждой главе книги, как правило, убедительных выводов и рекомендаций, ссылок на обширный перечень литературы. По наиболее важным вопросам кратко излагаются методология подходов и выполненных исследований, методы, использованные при анализе и оценке схем, конструкций, процессов и явлений. Это дает возможность читателю критически рассматривать результаты разработок и сделанные выводы. Отсутствие в книге теоретических выкладок расширяет круг читателей, для которых она предназначена.

Для советского читателя наибольший интерес могут представить предшествующий тематическому рассмотрению вводный обзор с изложением принципиальных положений и основной идеологии, относящихся к перспективам использования энергии ветра, которые оцениваются в целом достаточно объективно и обнадеживающе, главы, посвященные выбору участков и зон для размещения ВЭУ, и оценке экономической эффективности их применения, а также материалы о разработках ветроколес большого диаметра и мощных ВЭУ, выполненных параллельно двумя крупными фирмами США General Electric Company и Kaman Aerospace Corporation.

Применительно к условиям, сложившимся в нашей стране, действующим тарифам и ценам соотношение стоимостей различных систем ВЭУ может несколько отличаться от данных, приведенных в книге. Это относится и к установлению зон, перспективных для использования ВЭУ, и оценке их ветрового режима.

В качестве положительной стороны книги следует также отметить поэтапное изложение ряда разделов, выражающееся в следующем. В начале книги в сводном обзоре кратко изложены основные концепции и результаты исследований и разработок по всем основным вопросам, рассматриваемым в книге. Сделано это с учетом общего состояния и перспектив развития энергетики США. В последующих главах формулируются требования к ВЭУ и ее системам. Эти требования являются результатом разработки концептуальных проектов и оптимизации параметров, отобранных для анализа каждой концепции. Затем подробно описываются предварительные проекты ВЭУ. На данном этапе эти ветроустановки должны рассматриваться в качестве не коммерческих, а экспериментальных объектов, которые построены или будут сооружены для целей исследования, уточнения ряда данных, возбуждения большего интереса к ВЭУ и их применению со стороны администрации энергосистем. Только после получения характеристик и эксплуатационных показателей опытных установок и внесения необходимых усовершенствований в конструкцию будут решаться проблемы их тиражирования.

Следует подчеркнуть, что ряд вопросов, относящихся к ветровому кадастру, работе ветроэлектрических станций в энергосистемах, выбору энергетического оборудования, аэродинамике ветродвигателей, изложен в отечественной литературе полнее и на более высоком научно-методическом уровне. Они базируются на результатах фундаментальных исследований, выполненных в нашей стране в 1955—1975 гг. в ЦАГИ, ВНИИ электрификации сельского хозяйства, ВНИИ электромеханики, в институтах Академий наук Узбекской и Туркменской ССР.

Принятое в книге изложение материала объясняется тем, что главное внимание акцентируется на результатах проектно-конструкторских работ по созданию ветроэлектрических станций (ВЭС) с традиционными ветроколесами крыльчатого типа, вращающимися относительно горизонтальной оси.

В то же время в книге приведены сведения о ветродвигателях Дарье, ветроколесах с диффузорным усилителем, центральным обтекателем и вихревым концентратором, об установках с так называемым «многоступенчатым» двигателем и с электродинамическим гидравлическим генератором. Подобные материалы в отечественной литературе практически ранее не излагались и для многих советских читателей являются новыми.

По нашему мнению, следует обратить внимание на один из подходов и согласиться с важной концепцией, проводимой в книге, заключающейся в том, что экономический эффект от использования ВЭУ проявляется не только в экономии дефицитного нефтяного топлива, но и в уменьшении капитальных вложений вследствие того, что при включении ВЭУ в энергосистему изменяются состав и номенклатура ее оборудования и ряд дорогостоящих энергоустановок, использующих жидкое или твердое топливо, может быть исключен или заменен более дешевыми.

Следует заметить, что по некоторым вопросам (как правило, не очень принципиальным или относящимся к методологии) взгляды советских ветроэнергетиков и подходы, изложенные в обзоре, не являются идентичными. Это вызвано рядом причин, в том числе различием в социальных, географических и других условиях в СССР и США. Такое положение с оценкой ряда концепций не должно смущать читателя, а напротив, позволяет на основе сопоставления мнений лучше уяснить сущность явлений, подходов и результаты разработок.

В качестве одного из примеров можно привести тот факт, что в обзоре рассматривается главным образом гидроаккумулирование энергий ветра, а применению весьма перспективного водородного аккумулирования, т. е. производству водорода за счет использования энергии от ветроустановок и последующему его сжиганию в тепловых электроэнергетических установках, уделено относительно мало внимания.

Можно предположить, что, по-видимому, в связи с обзорным характером книги и многочисленностью участников разработок, рассматриваемых в ней, оригинал книги содержит значительное число повторов и некоторые противоречивые утверждения. В русском издании значительная их часть исключена, а в тех случаях, когда это по каким-либо причинам нельзя было сделать, даны соответствующие краткие примечания или разъяснения.

В процессе редактирования книги было признано целесообразным сделать некоторые сокращения информации, не представляющей существенного интереса для большинства советских читателей. Исключена глава, относящаяся к применению установок небольшой мощности на фермах и в сельской местности. Это продиктовано тем, что аналогичные описания имеются в ряде книг советских авторов, изданных ранее.

В русский перевод не включена также последняя глава, в которой рассматриваются некоторые специальные вопросы (юридические аспекты, проблемы, связанные с общественным мнением относительно установки крупных ветродвигателей и оценкой их с точки зрения эстетического влияния на окружающую среду). Это вызвано различием подходов и методов решения этих проблем в США и СССР.

При переводе и редактировании книги ряд терминов, применяемых за рубежом, но непривычных для советского читателя, заменен терминами и обозначениями, применяемыми в отечественной специальной литературе. Так, вместо термина «роторная система» в СССР применяют название «ветроколесо», вместо «коэффициента мощности» — «коэффициент использования энергии ветра» и т. д. В оригинале обзора используется несколько терминов, относящихся к ветроустановкам: «большая ветроэнергетическая система», «система преобразования энергии ветра» (WECS—Wind Energy Conversion System), «ветроустановка». В русском переводе чаще применяется термин «ветроэлектрическая установка» (ВЭУ) или название «ветроэлектрическая станция» в тех случаях, когда рассмотрение включает также все электрическое оборудование, необходимое для использования ветроустановки в энергетических системах. Во всех случаях, когда впервые делается замена тех или иных терминов, даны соответствующие разъяснения.

В книге приведен перечень наиболее важных источников, которые использованы при её составлении и на которые сделаны ссылки.

Издание этой книги на русском языке дает возможность советскому читателю ознакомиться с теми концепциями, которых придерживаются специалисты США в области использования ВЭУ большой единичной мощности, и с проектами наиболее мощных опытных ВЭУ, разработанными в США в последние годы.

Количественные и качественные оценки использования энергии ветра, результаты анализа принципиальных схем и конструктивных решений, данные метеорологических наблюдений и ряда экспериментальных исследований будут полезными для научных работников, специалистов, работающих в области энергетики и использования нетрадиционных энергоресурсов, инженерно-технических работников, занятых проектированием и применением ветроэнергетических установок, плановиков и экономистов, имеющих отношение к проблемам оптимизации топливно-энергетического комплекса.

Перевод гл. 1, 2, § 3.6—3.10 и гл. 4 выполнен канд. техн. наук М.О. Франкфуртом, § 3.1—3.5 и гл. 5 — канд. техн. наук В.В. Зубаревым.

Я.И. Шефтер

Предисловие

В этой книге в сжатой форме представлен обзор большой части важнейших разработок в области ветротехники, выполненных в США в последние годы. По сравнению с нашей предшествующей книгой по этому вопросу, вышедшей в 1975 г., она содержит в основном новый материал.

Кроме того, здесь кратко излагаются новые, важные данные по энергии ветра, которые ранее были разрознены и не систематизированы, описана и поясняется на фактических данных история разработки новых, успешно зарекомендовавших себя схем и конструкций. Эта концентрированная информация призвана создать прочную основу для уменьшения дефицита энергии путем расширения использования энергий ветра. В настоящее время эта энергия уже может быть использована даже в энергосистемах.

Так как информация, приводимая в книге, получена из многочисленных источников, то, возможно, что некоторые ее части могут быть не согласованы между собой. Это относится, в частности, к оценкам стоимости и мнениям о потенциальных возможностях на перспективу. Было решено, однако, привести эти различные точки зрения с тем, чтобы сделать книгу более ценной для читателей.

В том случае, когда числовые значения на рисунках взяты из работ, на них всегда даются ссылки.

Усовершенствованная компоновка и метод производства, разработанные фирмой Noyes Data Corporation, использованы для того, чтобы довести до читателя эту книгу в минимальное время. Специальные технические приемы были использованы для сокращения разрыва во времени от завершения рукописи до выпуска книги в свет.

Расширенное оглавление построено таким образом, чтобы оно служило в качестве указателя и обеспечивало легкий доступ к содержащейся в книге информации, которая основывается на разнообразных исследованиях, проведенных различными правительственными организациями по субсидиям и контрактам.

Интересные и полезные данные содержит приложение, включающее список изготовителей и исследователей, участвующих в настоящее время в разработке и внедрении ветроэнергетических установок. Совершенно очевидно, что этот список будет постоянно пополняться.

Введение

Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Распространившаяся в 1973 г. угроза нехватки невозобновляемых источников энергии и рост зависимости от импортируемого топлива привели к возрождению исследований, направленных на расширение возможности преобразования ветра в пригодный для использования вид энергии.

Однако до того как энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы—технические и связанные с охраной окружающей среды. Следует также признать, что наибольшие препятствия для использования ветроэнергетических установок создает их высокая стоимость. Эти препятствия будут меньшими, если по критерию стоимости вырабатываемой энергии ветроэнергетические установки смогут конкурировать с установками, использующими другие источники энергии. Хотя многое здесь достигнуто, наиболее сложной задачей, имеющей первостепенное значение, остается разработка экономичных ветроэнергетических установок, способных надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойную эксплуатацию при периодическом обслуживании.

В книге представлены некоторые из наиболее важных проектно-конструкторских разработок, выполненных в США после 1975 г., когда фирма Noyes Data Corporation опубликовала свою первую книгу по энергии ветра. В первой главе дан обзор состояния использования энергии ветра к 1975 г.В последующих главах приводится более современная информация по оценке географического распределения энергии ветра в США, технического развития ветроэнергетических установок, широкого использования энергии ветра в электроэнергетических системах и применения установок небольшой мощности на фермах и в сельской местности. В последней главе рассматриваются некоторые специальные вопросы: юридические, общественные и связанные с окружающей средой.

В приложении приводятся фамилии и адреса многих авторов, принимавших участие в разработке, исследованиях и внедрении ветроэнергетических установок.