Специфика и распространение ветряных электростанций на территории республики Крым

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение города

Москвы

«Школа № 218»

Проектная работа

Тема: «Специфика и распространение ветряных электростанций на

территории республики Крым»

Тематика: География; Физика

Авторы работы: Якимов Сергей и Небритова Варвара

Учащиеся 10 «А» и 10 «Б» класса

ГБОУ Школы № 218

Научный руководитель:

Клещенков Кирилл Александрович

Учитель географии ГБОУ Школы № 218

Москва 2023

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение……………………….…3
1. Принцип получения электроэнергии……………………….…6
2. Особенности географии Крыма для ветроэнергетики……......7
3. Специфика распространения ветряных электростанций на территории республики Крым…………………………….............9
4. История развития Крымской ветроэнергетики…….………..11
5. Экономика использования ветряных электростанций...…....13
6. Какой вред наносят ветряки экологии и экосистеме республики Крым……………………………………………………...………14
7. Заключение ……………………………………...………….…16
8. Список литературы……………………………...……….……17

ВВЕДЕНИЕ

Ветер относят к возобновляемым, или альтернативным, источникам энергии. Его преимущества очевидны: ветер дует всегда и везде, его не надо «добывать». Республика Крым, входящая в состав Российской Федерации, находится на полуострове Крым. Одной из самых ощутимых проблем энергосистемы Крыма долгое время были перебои в подаче электроэнергии. В середине 2010-х республику относили к регионам с высокими рисками нарушения энергоснабжения. Четыре ТЭЦ Крыма построили в период 1930–1950-х годов, и они устарели, как и линии электропередач. Проблема была исправлена после постройки энергомоста от Ростовской АЭС и сооружения дополнительных электростанций в различных районах Крыма. Общий объём поставок вырос на 800 МВт. Основная доля выработки электроэнергии в Крыму приходится на ТЭС (более 81%), остальное вырабатывается при помощи неисчерпаемых ресурсов. Основные альтернативные способы получения энергии – это ВЭС и СЭС. Ветряные электростанции играют особую роль в Крымской энергосистеме.  ВЭС – это несколько ветроэлектрических установок, собранных в одном или нескольких местах и объединённых в единую сеть.  Крупные ветровые электростанции могут состоять из 100 и более ветрогенераторов. Иногда ветровые электростанции называют ветряными парками (ветропарками). Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка, ветряк) — устройство для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию. Ветрогенераторы можно разделить на три категории: промышленные, коммерческие и бытовые

Цель проекта: Написать статью (Специфика и распространение ветряных электростанций на территории республики Крым) и опубликовать её на научно-популярном сайте для образования.

Задачи проекта:

– разобраться в принципе получения электроэнергии из ветра

– узнать специфику использования ветряков на территории республики Крым

– выявить плюсы и минусы ветряной энергетики для Крымского полуострова

– исследовать экономическую целесообразность энергообеспечения территории республики Крым с помощью ветряных электростанций

– узнать какой вред наносят ветряные электростанции экологии

– на основе полученных данных написать статью

– опубликовать статью на научно-популярном сайте

Методы:

– анализ статей интернет-сайтов о Крымском полуострове

– исследование специфики ветряной энергетики республики Крым

– опубликование статьи в интернете

Продукты:

– Статья в интернете

Актуальность: Наш проект поможет сотням российских школьников узнать всё про ветряную энергетику республики Крым. Материалы данной статьи можно использовать для подготовки к олимпиадам по  географии и дополнительного образования.

Область: Региональная география (краеведение) республики Крым

Объект: Электроэнергетика Республики Крым

1.Принцип получения электроэнергии

Как и все электростанции, ВЭС основаны на принципе преобразовании механической энергии в электрическую. Ветер вращает лопасти ветрогенератора, передавая крутящий момент на трансмиссию, которая значительно увеличивает обороты штифта, соединяющего лопасти и генератор. Штифт, в свою очередь, раскручивает ось генератора, вследствие чего вырабатывается электрический ток. Ток проходит по проводам к низу башни и, как правило, идёт на трансформаторные станции или сразу на ЛЭП.

 «Ветряки» бывают разной мощности и типа, всё зависит от их назначения. Существует два основных вида «ветряков»: мобильные и стационарные. Мощные, стационарные ВЭС устанавливаются только после проведения ряда исследований, а также подготовительных строительных, и окончательных монтажных работ. Такие электростанции способны полностью обеспечить электроснабжением, например, жилой дом, или небольшое производство. Кроме того, они способны накапливать в аккумуляторных батареях достаточное количество энергии, которая используется в безветренную погоду. Мобильные электростанции более неприхотливы, просты в обслуживании и установке. Они используются в основном в путешествиях, а также для непосредственного питания электроприборов.

Так же у ВЭС есть ряд характеристик, по которым их классифицируют. Это:

1. Номинальная мощность (Вт), или выходной ток (А). Данная характеристика зависит от типа ВЭС, и определяется мощностью, которую может вырабатывать генератор при определенной скорости ветра. Как правило, это показатель нормируется, при средней скорости ветра в 12 м/сек.

2. Номинальное напряжение (В) – напряжение тока, вырабатываемого генератором (12, 24, 220 В) и т.д.

3. Электрическая мощность генератора, которая напрямую зависит от мощности турбины. Чем больше диаметр турбины, тем она мощнее. Этот показатель прямо влияет на конструкцию мачты, используемой при установке ветрогенератора. Также необходимо учитывать некоторые характеристики самой ветровой установки:

– количество лопастей;

– частота вращения «ветряка» об/мин;

– пусковая скорость ветра – это та минимальная скорость ветра (м/сек), при которой турбина начнет вращаться;

– максимальная скорость ветра – скорость, при которой турбина работает без повреждений;

– производительность – количество вырабатываемой электроэнергии в год (кВт/ч), при среднегодовой скорости ветра, и другие.

Современные ВЭС дополнительно оборудованы множеством механизмов, помогающими в любой ситуации извлечь наибольшее количество энергии из движения воздушных масс, а также предотвратить все возможные негативные последствия внештатных ситуаций. Гондола с лопастями, генератором и трансмиссией способна вращаться вокруг своей оси, подстраиваясь под направление и скорость ветра. Ветряк оборудован тормозными системами для лопастей на случай увеличения скорости ветра до значений, на которые установка не рассчитана. Все ЛЭП на ВЭС оборудованы предохранителями и средствами автоматического экстренного пожаротушения.

2. Особенности географии Крыма для ветроэнергетики

Согласно данным о скорости ветра на высотах 10 м и 100 м из атмосферного анализа ERA5 за период 1980–2019 гг, величины скорости ветра в среднем в центральной части Крыма составляют 2–6 м/с, что заметно ниже, чем на западном побережье (4–8 м/с) и на территории Керченского полуострова (5–9 м/с). Очевидно, что наиболее эффективным районом для ветрогенерации является территория Керченского полуострова. Повторяемость скорости ветра для номинальной выработки ветроэнергетических установок на ней составляет 15–17% на высоте 10 м и 37-38% на высоте 100 м. Известно, что мощность ВЭУ напрямую зависит от скорости ветра, и рассчитывается по формуле  ,где ρ – плотность воздуха (в среднем 1,23 кг/м3), S – ометаемая воздухом площадь, для вертикальных ВЭУ зависящая от диаметра лопастей установки (S = πD2/4) и V – скорость ветра. Таким образом, очевидно, что мощность ВЭУ нелинейно возрастает при увеличении скорости ветра. Рассмотрим среднемноголетние поля распределения величин скорости ветра на территории Крыма за период 1980-2019 гг. для месяцев с максимальной и минимальной скоростью ветра и в среднем за год. Далее будет показано (рис. 5а), что максимальные скорости ветра наблюдаются в декабре, а минимальные – в июне, поэтому анализ проводился для этих месяцев. Для центральной части Крыма свойственны ветра со скоростью 3–4 м/с на высоте 10 м над поверхностью и 4-6 м/с на 100 м. Горный массив и Южный берег Крыма (ЮБК) характеризуются наиболее низкими скоростями ветра 2-3 м/с на высоте 10 м и 3-5 м/с на 100 м (рис. 1в). При этом по данным на вершинах гор и крымских яйлах (вершинные плато) среднегодовые скорости ветра могут достигать более 10 м/с (рис. 1г). Для западного побережья Крыма и Тарханкутского полуострова свойственны более высокие скорости ветра, равные 4-6 м/с на 10 м и 5-8 м/с на 100 м. При этом в декабре (рис. 1а) скорости заметно выше, чем в июне (рис. 1б). Высокие значения скорости ветра наблюдаются на территории Керченского полуострова. Тут скорость ветра в среднем в декабре (рис. 1а) на высоте 10 м равна 5-7 м/с, а на высоте 100 м – 7-9 м/с. В июне же для Керченского полуострова характерны скорости ветра 4-5 м/с на 10 м и 5-7 на 100 м (рис. 1б). Далее рассмотрим среднемноголетние величины куба ветра на Крымском полуострове (рис. 2а). Практически для всего Крыма величины на высоте 10 м равны 40-120 (м/с)3, за исключением его западного побережья и Керченского полуострова. На территории Керченского полуострова величины куба ветра находятся в пределах 160-340 (м/с)3 . На высоте 100 м величины куба ветра в центральной части Крыма равны 200-400 (м/с)3 , в горах – 100-150 (м/с)3 и на территории Керченского полуострова – 550-800 (м/с)3 .

Рис. № 1

Рис. № 2

Согласно климатической оценке ветровых ресурсов Крымского полуострова за 40-летний период видно, что величины скоростей ветра в среднем в центральной части Крыма равны 2–6 м/с, что заметно ниже, чем на западном побережье (4–8 м/с) и на территории Керченского полуострова (5–9 м/с). При этом ветровые условия Керченского полуострова – наиболее эффективны для ветрогенерации. Повторяемость скоростей ветра, характерных для номинальной выработки ветроэнергетических установок, тут составляет 15–17% на высоте 10 м и 37–38% на высоте 100 м. Таким образом, самое выгодное местоположение ВЭС в Республике Крым – на территории Керченского полуострова, на высоте 100 метров над уровнем моря.

3. Специфика распространения ветряных электростанций на территории республики Крым

Крым – один из самых подходящих для альтернативной энергетики регионов России. На территории республики дуют как морские, так и внутренние континентальные ветра. Согласно данным географических исследований, среднегодовая скорость ветра в Крыму составляет от пяти до восьми метров в секунду. Таких показателей вполне достаточно для стабильной работы ВЭС. Обилие степных незаселённых районов легко решает вопрос с размещением ветропарков. Согласно оценочным данным энергетический ветровой потенциал полуострова составляет более чем 3700 мВт, что позволит обеспечить электроэнергией не только республику Крым, но и ряд ближайших регионов.

Ветряков в Крыму немало-ведь это небольшой полуостров, окруженный открытыми воздушными пространствами морей и ровные степи везде, кроме южного берега, которые способствуют получению природной энергии. Да и в горах на самых высоких мысах и холмах можно увидеть маленькие крутящиеся вентиляторы. Особенно много ветряков здесь, на Тарханкутской ветростанции.

Мощность Тарханкутской ВЭС составляет 70 МВт, что соизмеримо с табуном в сто тысяч лошадиных сил. Огромные крылья и мощный ветрогенератор, где энергия ветра преобразуется в электричество, впечатляют размерами.

Главные ВЭС на территории полуострова – это:

1. Останинская ВЭС .
2. Тарханкутская ВЭС.
3. Сакская ВЭС.
4. Донузлавская ВЭС.
5. Пресноводненская ВЭС.
6. Судакская ВЭС.
7. Восточно-Крымская ВЭС.

Проблема заключается в том, что зеленая энергетика проигрывает традиционной по своей эффективности, что не дает развиваться ей полностью. Но именно в прибрежных зонах республики Крым ветрогенерация могла бы доказать свою эффективность ввиду особенностей рельефа местности, туристической направленности регионов, значительным перенаселениям в летние периоды, когда возрастает потребность в электроэнергии и наличием рекреационных зон, для которых важную роль играет экологическая ситуация. Именно это обуславливает высокий потенциал развития ветроэнергетики юга России.

4. История развития Крымской ветроэнергетики

В 1932-ом году нарком тяжёлой промышленности и энергетики Григорий Константинович Орджоникидзе приехал в Ялту и был неприятно удивлён состоянием энергетического комплекса полуострова Крым. По вечерам вся Ялта лишалась электроснабжения. Пытаясь найти выход, нарком объявил всесоюзный конкурс на проект ВЭС, которая бы обеспечила весь юг Крыма. Победителем стал план изобретателя-самоучки Юрия Васильевича Кондратюка. Чудо советской инженерии обещало быть грандиозным. Эта ветроэлектростанция (ВЭС) должна была стать третьей в Союзе. Первая была сооружена в 1930-м под Курском по проекту инженеров Уфимцева и Ветчинкина. Вторая была построена в 1931-м в Балаклаве. Суть проекта, предложенного Кондратюком, заключалась в возведении железобетонной мачты на плато Бедене-Кир, в четырех километрах к северу от вершины Ай-Петри. Это место находится на высоте 1324 м над уровнем моря, и среднегодовая скорость ветра там достигает 89 м/сек. Высота башни должна была равняться 165 м, на ней предполагалось разместить два трехлопастных пропеллера-ветродвигателя диаметром 100 м. Свой проект Кондратюк и его немногочисленные коллеги отправили на конкурс под кодовым именем (или, как тогда говорили, девизом) «Икар». В то время как в США самая передовая ВЭС вырабатывала 1250 кВт, Крымская ВЭС Кондратюка был рассчитан на 24 мВт. Однако, в 1937 году Орджоникидзе умер, а его последователи не справились с постройкой огромной станции. Все, что осталось от «Икара», — железобетонный «стакан» на Ай-Петри, который должен был стать фундаментом для 165-метровой конструкции, и бесценный опыт проектирования огромной железобетонной башни, удерживаемой изнутри натянутыми стальными тросами. Основываясь на этом опыте, коллега Кондратюка Никитин спустя три десятка лет создал Останкинскую телевизионную башню, самую высокую в мире. Учитывая этот горький опыт, все ВЭС в Крыму начали строить маломощными, всего до 100 кВт. Постепенно мощность наращивали, медленно, но, верно, развивая отрасль, однако после распада Советского Союза попытки были прекращены.

Развитие ветроэнергетики в Крыму началось в 1991 году, вскоре после распада Советского Союза. За это время регион столкнулся со значительными проблемами из-за потери жизненно важных энергоресурсов из России. В результате правительство Крыма начало изучать альтернативные источники энергии, в том числе энергию ветра. Первая ветроэлектростанция в Крыму была построена в 1993 году украинской компанией Wind Power. Ферма состояла из шести 50-киловаттных турбин и располагалась недалеко от города Феодосия. Однако из-за отсутствия финансирования и поддержки со стороны правительства проект не увенчался успехом и в конечном итоге был заброшен.

Лишь в начале 2000-х возобновилось развитие ветроэнергетики в Крыму. В 2002 году рядом с городом Керчь построен новый ветропарк. Ферма состояла из пяти турбин общей мощностью 2,5 мегаватта.

С тех пор в Крыму было построено еще несколько ветропарков общей установленной мощностью более 200 мегаватт. Однако политическая ситуация в Крыму оказала существенное влияние на развитие ветроэнергетики в регионе. После аннексии Крыма Россией в 2014 году многие международные компании ушли с рынка, и в отрасли в основном доминировали российские компании.

Несмотря на эти проблемы, энергия ветра остается важной частью энергетического баланса Крыма, обеспечивая регион чистой и устойчивой энергией.

5. Экономика использования ветряных электростанций

От противников альтернативной энергетики до сих пор можно услышать, что ветряная энергетика нерентабельна по финансовым показателям и энергетической окупаемости. То есть цена киловатта энергии, выработанного на ветряной энергоустановке, дороже других источников энергии, а за свой жизненный цикл ветряк производит меньше энергии, чем тратится на его производство. На самом деле оба утверждения давно неточны. За последние 10 лет существенно повысились надежность и эффективность производимых установок, а их цена упала почти в два раза.

Цена энергии, вырабатываемой ветряками, уже сейчас непринужденно конкурирует с ценой энергии АЭС. Конечно, энергия ветряков – пока это не самый дешевый вид электростанций, традиционные электростанции, сжигающие газ, и ГЭС пока финансово выгоднее (а вот угольные уже нет). Но в ближайшие 10 лет стоимость солнечных и ветряных электростанций будет падать, а АЭС и газа – расти, поэтому баланс поменяется и на передний план – даже без учета плюсов экологичности – выйдут ветряные электростанции. В 2020 году цена электроэнергии новых ветряных электростанций для России в среднем составляла 6,3 руб/кВт-ч.

В мире ситуация движется еще быстрее. В соответствии с докладом Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), представленным в середине 2020 года, возобновляемые источники энергии становятся все дешевле по сравнению с любым новым энергопроизводством, работающим на ископаемых видах топлива. Более половины энергетических производств, работающих на возобновляемых источниках энергии и введенных в эксплуатацию в 2019 году, имеют себестоимость энергии ниже, чем самые новые и экономичные угольные электростанции. За последние 10 лет затраты на производство электроэнергии из возобновляемых источников резко упали благодаря совершенствованию технологий, удешевлению энергоустановок из-за увеличения масштаба их производства, постоянно растущей конкурентоспособности цепочек поставки и приобретению нового опыта разработчиками.

Таким образом ветряная электроэнергетика привлекает не только неисчерпаемым ресурсом и экологичностью, но и экономической выгодой. Однако, в Российской Федерации это не перспективное направление несмотря на все преимущества. Запчасти для ветряков и в целом из производство локализовано и запатентовано западными и европейскими компаниями, сотрудничество с которыми на государственном уровне невозможно в наше время, к тому-же уголь, используемый на ТЭС довольно дёшев в нашей стране, в силу больших природных запасов. В итоге, несмотря на все свои преимущества технология получения электроэнергии не популярна в Российской Федерации и почти не развивается.

6. Какой вред наносят ветряки экологии и экосистеме республики Крым

В целом, возобновляемые источники энергии не приносят большого вреда окружающей среде, и ветряные электростанции не являются исключением. Они считаются едва ли не самым экологически безопасным способом производства энергии: не требуют органического топлива и не производят вредных выбросов.

Как правило, ветрогенераторы расположены на значительных по площади территориях, где сами занимают около 1% всей территории, а остальные 99% используются в сельскохозяйственных целях и заселены представителями местной фауны. К примеру, на территории ветропарка на горе Метаном в Крыму обосновался табун диких лошадей.

Следует отметить, что ветроэнергетика имеет большое локальное влияние на окружающую среду, никакие аварийные ситуации на ветростанции не могут привести к гибели значительного количества людей и не могут иметь катастрофических последствий для среды обитания человека в отличии от атомных электростанций и гидростанций с высокими плотинами, однако, флора и фауна местности, на которой расположен ветропарк могут пострадать. Существует множество факторов влияния ветряных электростанций на окружающую среду: эрозия почвы, то есть явление, которое может возникнуть при разрушении верхнего почвенного слоя при сооружении фундамента ВЭУ, гибель птиц и летучих мышей при столкновении с ветроустановками, вторжение в ландшафт, а так же загрязнение почвы мельчайшими частицами алюминия и других металлов, из которых сделаны корпуса ветряков. Одним из главных негативных факторов ВЭС является шум. Основной̆ составляющей̆ шума современных ВЭУ является аэродинамический̆ низкочастотный шум, производимый̆ лопастями ветроустановок, однако этот недостаток был преодолен 25-30 лет назад. Аэродинамический̆ шум может быть снижен соответствующим профилированием лопастей̆, подбором скорости вращения ветроколеса и механизма ориентации на ветер. Однако, есть и плюсы. В отличие от ТЭС, АЭС и ГЭС, такая система выработки электроэнергии не загрязняет воздух и не влияет на экосистему всего региона. Она не подвержена риску ужасных аварий, как например взрыв на Чернобыльской АЭС. Ветряные электростанции могут незначительно повлиять лишь на малые области. Другой проблемой ВЭС является утилизация устаревших или повреждённых частей. Лопасти ветряков, как правило, делаются из композитных материалов и единственная технология их переработки – это пиролиз. Но, к сожалению, этот способ слишком затратен, поэтому ежегодно тонны пластика просто зарываются в землю, заражая почву и делая километры земли непригодными для жизни животных и растений, и, как следствие, человека. По оценкам учёных, к 2050 году объём зарываемого в землю пластика от ветряных электростанций превысит 43 миллиона тонн. Таким образом, несмотря на видимую абсолютную безопасность ветряных электростанций для  экологии и экосистемы, нюансы всё же есть.

Заключение

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом.

Республика Крым имеет высокий потенциал в области возобновляемых источников энергии. На ее территории самая высокий уровень солнечной радиации, значительные ресурсы геотермальной (Тарханкутский и Керченский полуострова) и ветровой энергии. Таким образом, Республика Крым может стать передовым полигоном освоения нетрадиционных возобновляемых источников электроэнергии. В связи со сложной геополитической обстановкой данного региона, особенно осложнённой СВО, собственная система электроснабжения не зависящая от поставок ресурсов извне крайне важна для данного региона.

Альтернативная энергетика крайне важна для Крыма, так как это экологически чистая технология, если не учитывать процесс утилизации запчастей, которая позволяет обеспечивать территорию полуострова электроэнергией независимой от поставок топлива, которые легко могут быть нарушены в связи со сложной геополитической обстановкой этого региона.

Несмотря на то, что технология ветряных электростанций имеет мало перспектив на территории РФ в данный момент, её развитие в ближайшие десятилетия гарантировано в силу экономической целесообразности и экологичности технологии.

Список литературы

1. Материалы Википедии
2. Лабейш В.Г. – Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии 2003 г.
3. Безруких П. П., Безруких П.П. (мл) Ветроэнергетика. Вымыслы и Факты. Ответы на 100 вопросов.
4. Информация с официального интернет-портала республики Крым: https://crimea.tass.ru/energy
5. Статья, опубликованная на сайте газеты «Известия» – https://iz.ru/1430322/mariia-shaipova/v-poiskakh-sveta-chto-nuzhno-znat-pro-energetiku-kryma
6. Презентация к заседанию совета по приоритетному направлению стратегии научно-технологического развития Российской Федерации: «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработке углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии» https://www.eriras.ru/files/parshukov_vie_v_krymu.pdf
7. Прочие интернет материалы