Вітроенергетика

Вітроенерге́тика, вітрова енергетика — галузь науки і техніки, яка вивчає і розробляє теоретичні основи, методи, засоби й технології перетворення вітрової енергії в енергію електричну, теплову і механічну та визначає напрями і масштаби доцільного її використання в народному господарстві.

У широкому сенсі — сукупність знань і технологій перетворення некерованої енергії вітру в керовану енергію на користь людям.

Вітроенергетична установка Дж. Бліса

Вітрова електрична турбіна Ч. Браша, 1888

Проєкт вітроелектричної установки Ю. Кондратюка

Вітроенергетична установка
General Electric GE 5.3-158

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

Історична довідка

Енергію вітру люди використовували здавна — спочатку в судноплавстві, згодом — для заміни своєї мускульної сили. Понад 5000 років тому в Стародавньому Єгипті винайшли вітрило, яке перетворювало кінетичну енергію вітру в кінетичну енергію цілеспрямованого руху вітрильника. В Єгипті збереглися залишки кам’яних вітряків барабанного типу, побудованих у 2–1 ст. до н. е. У 7 ст. н. е. перси будували вітряні млини більш довершеної конструкції — крильчаті. Приблизно у 8–9 ст. вітряки з’явилися у Давній Русі та Європі. Максимальне поширення вітряків почалось у 1700-х в Нідерландах, Німеччині, Італії, Іспанії, Російській імперії.

Україна має багатовікові традиції використання енергії вітру. Вітродвигуни для перекачування води і помелу зерна мали масове поширення на всій її території.

Винаходи парових машин, а потім двигунів внутрішнього згоряння та електричних двигунів витіснили вітряні двигуни й вітряки із багатьох галузей. Вони залишились здебільшого в сільському господарстві.

Формування промисловості у 18 ст. сприяло появі наукового підходу до використання енергії вітру. Наприкінці 19 ст. почалися активні розробки методів генерування електричної енергії з вітрової енергії, у цьому напрямку в різних країнах проводили наукові теоретичні та експериментальні роботи.

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

Першу вітрову електроустановку (ВЕУ) висотою 10 м побудував у 1887 в Шотландії інженер професор Дж. Бліт (1839–1906; Велика Британія).

1887–1888 один із засновників американської електричної індустрії Ч. Ф. Браш (1849–1929; США) побудував першу автоматично керовану вітрову турбіну для виробництва електроенергії (працювала 20 років).

У 1891 П. ла Кур (1846–1908; Данія) розробив електропривід із 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 поширення в Данії. П. ла Кур став автором перших спеціальних курсів і першої наукової школи із вітроенергетики, відтак вважається засновником науки.

У низці країн науково-дослідні роботи у галузі вітроенергетики посилено розвивалися з кінця 1940-х до початку 1960-х. Однак на той час ціни на викопне паливо знизилися і, з погляду вартості електроенергії, ВЕУ не могли конкурувати із тепловими електростанціями (ТЕС). Тоді комерційна вітроенергетика практично не розвивалася, але на початку 1970-х для неї почався новий період, спричинений насамперед енергетичною кризою.

Промислова вітроенергетика почала свій розвиток у середині 1960-х. Внаслідок науково-технічного прогресу у вітроенергетиці, направленого на підвищення номінальної потужності ВЕУ, в кінці 20 ст. собівартість електроенергії вітрових електростанцій (ВЕС) стала істотно нижчою собівартості електроенергії атомних електростанцій (АЕС; з урахуванням витрат на дезактивацію відходів і ліквідацію АЕС) і співмірною собівартості електроенергії ТЕС. На початку 21 ст. вітроенергетика стала найбільш інвестиційно привабливою галуззю електроенергетики з екологічно чистою найдешевшою електроенергією, виробленою без застосування імпортних енергоносіїв. За критеріями повних витрат на виробництво електроенергії вітроенергетика має істотні переваги перед традиційними технологіями генерації електроенергії з органічного палива. Ця тенденція в майбутньому буде посилюватися завдяки зростанню цін на органічне паливо і вартості квот на викиди парникових газів.

Характеристика

Складники вітроенергетики:

в і т р о т е х н і к а — розробляє теоретичні основи і практичні прийоми проєктування технічних засобів (агрегатів і установок);

в і т р о в и к о р и с т а н н я — включає вирішення теоретичних і практичних питань оптимального використання енергії вітру, раціональної експлуатації ВЕУ, їхніх техніко-економічних показників, узагальнення досвіду практичного застосування ВЕУ.

Вітрова енергія належить до постійно відновлюваних джерел енергії, зобов’язаних своїм походженням діяльності Сонця в атмосфері. Унаслідок нерівномірного нагріву сонячними променями земної поверхні і нижніх шарів атмосфери у приземному шарі, а також на висоті 07–12 км виникають переміщення великих мас повітря, тобто утворюється вітер, який несе колосальну кількість енергії. Сила вітру залежить від його швидкості та змінюється у широких межах.

Одним із основних факторів, який визначає доцільність упровадження вітроенергетичного обладнання у певній місцевості, є рівень питомої потужності повітряної течії (потужність, віднесена до одного квадратного метра площі, перпендикулярної напряму вітру):

[math]N = \frac { 1 }{ 2 }\rho V^{ 3 }[/math] (Вт/м²),

де [math]\rho[/math] — густина набігаючої повітряної течії (кг/м³);

[math]V[/math] — швидкість набігаючої повітряної течії (м/с).

Найбільш важливим складником, що визначає потужність вітрової енергії, є швидкість вітру, на яку першочергово орієнтуються у процесі вибору і впровадження вітроенергетичного обладнання.

Класифікація

Вітроенергетична система спочатку перетворює енергію вітру в механічну енергію, а потім, за необхідності, в електричну. Для використання енергії вітру застосовують різні типи вітроенергетичного обладнання. Функціонально ВЕУ розподіляють на:

• електромережні (працюють у комплексі з промисловою електричною мережею);
• автономні;
• для виконання механічної роботи.

Режими функціонування електромережних ВЕУ суттєво відрізняються від автономних, що потребують спеціального технічного і технологічного забезпечення. Тому автономну вітроенергетику виокремлюють як підгалузь вітроенергетики.

Для виробництва електроенергії застосовують вітроелектричні агрегати двох основних типів: із вертикальною та горизонтальною віссю обертання. Найбільш поширеними є вітроагрегати із горизонтальною віссю обертання — близько 95 % від усіх ВЕУ.

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

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

Вітроенергетика України

Становлення і розвиток

В Україні розроблені принципово нові технічні рішення, що стали стандартом для сучасних ВЕУ, за якими дотепер зберігається український пріоритет. 1922 Г. Проскура у статті «Теорія пропелерних турбін» вперше у світі виклав основи теорії турбін цього типу і способи їх розрахунку. Під його керівництвом 1922 на базі Харківського технологічного інституту (тепер Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут») відкрили аеродинамічну лабораторію, поклавши початок широкомасштабним науково-дослідним роботам у галузі аеродинаміки й авіації. У 1930-х Ю. Кондратюк розробив один з найцікавіших і перспективніших проєктів ВЕС, проєктна потужність якої складала 12 МВт (майже удвічі вища ніж потужність першої в країні експериментальної АЕС).

Наукові дослідження з використання відновлюваних джерел енергії в Україні і колишньому СРСР розгорнулись у 1980-х в Київському політехнічному інституті (тепер Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», КПІ) під керівництвом Г. Денисенка. Перевірку наукових розробок і відпрацювання робочих режимів проводили на науково-дослідному полігоні КПІ «Десна», розташованому на межі Київської і Чернігівської областей. Уперше в СРСР на ньому було побудовано ВЕС потужністю 160 кВт із восьми ВЕУ потужністю 20 кВт кожна.

Створення вітроенергетичної галузі промисловості України розпочато 1994 на базі ринкових засад та під контролем і за підтримки держави. Україна, яка отримала у спадок від СРСР одну з найбільших часток (близько 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», Кабінет Міністрів України затвердив постанову «Про будівництво вітрових електростанцій» від 15.06.1994. Фінансування цієї програми відбувалось за рахунок збільшення на 0,75 % тарифів на весь обсяг електроенергії. У рамках її виконання будували державні ВЕС, обладнання для яких виготовляли державні підприємства України. У результаті виконання «Комплексної програми будівництва вітрових електростанцій» було створено вітроенергетичну галузь вітчизняного машинобудування (31 машинобудівне підприємство виготовляло компоненти для ліцензійних ВЕУ). На основі головного підприємства України з вітроенергетичної техніки — Державного підприємства «Виробниче об’єднання “Південний машинобудівний завод імені О. М. Макарова”» — було створено систему взаємодії машинобудівних підприємств, залучених до кооперації виробництва вітротурбін першого і другого поколінь, що дозволяло координувати розвиток вітроенергетики України.

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, що дозволило організувати ефективну експлуатацію ВЕС. За спільним рішенням уряду і Національної академії наук України, в її структурі було створено наукову базу української вітроенергетики, для якої основні наукові дослідження і практичні розробки виконували Інститут відновлюваної енергетики НАН України і Міжгалузевий науково-технічний центр вітроенергетики (тепер ДП «Міжгалузевий науково-технічний центр вітроенергетики Інституту відновлюваної енергетики НАН України»).

У процесі науково-технічного супроводу «Комплексної програми будівництва вітрових електростанцій» визначено перспективні території і розроблено техніко-економічні оцінки будівництва ВЕС, виконано моделювання для оптимальних розстановок вітроагрегатів на майданчиках вітростанцій, аналіз і оптимізація їхньої роботи із використанням новітніх технічних та інформаційних технологій.

Було здійснено важливі напрями досліджень ВЕС: встановлення енергетичної сумісності у складі електросистеми, вирішення питання компенсації реактивної енергії, зниження рівня перенапруг устаткування у процесі експлуатації.

ВЕС України за 2021: на кінець року загальна встановлена потужність дорівнювала 1 673 МВт; було вироблено 3 866 млн кВт∙год зеленої електроенергії (достатньо для річного споживання близько 650 000 домогосподарств за умови споживання 500 кВт∙год в місяць); завдяки ВЕС було заощаджено 1,8 млн т вугілля і 1 171,4 тис. м³ природного газу, скорочено приблизно 3,1 млн т викидів СО².

Автономна (мала) вітроенергетика

В Україні є місцевості, де енергопостачання від централізованої електромережі економічно недоцільне — потужність споживання низька, натомість прокладання ЛЕП потребує значних капіталовкладень, а використання бензинових або дизельних електростанцій обмежене (вимогами екології, доставки і зберігання палива та високими експлуатаційними витратами). У такому випадку ефективним є розвиток автономної (малої) вітроенергетики.

Задача малої вітроенергетики полягає у забезпеченні надійного функціонування автономних і локальних енергосистем, що перетворюють енергію вітру в механічну або електричну енергію. Залежно від виду енергії, що генерується, вони можуть бути вітромеханічними або вітроелектричними. Ефективне використання ВЕУ малої потужності потребує забезпечення робочих параметрів, а також запасу електроенергії на різні за терміном випадки відсутності вітру. Відповідно визначають дві основні групи ВЕУ малої потужності: установки, що працюють на електромережу, та автономні.

ВЕУ малої потужності, що працюють на електромережу, комплектують інверторами (з метою забезпечення необхідних параметрів для роботи з мережею).

Автономні ВЕУ функціонують самостійно. Також їх можливо поєднувати з іншими енергетичними установками як компонент комбінованої системи енергопостачання. Такі системи використовують для водозабезпечення, електро- і теплопостачання будинків, отримання й накопичення водню; їх можна агрегатувати із дизель-генераторами, тепловими насосами, електролізерами тощо. На практиці автономні ВЕУ часто застосовують акумуляторні батареї (АБ).

Виходячи із показників вітроустановок вітчизняного виробництва, їх пропонують використовувати для:

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

Доступність енергії вітру, його повсюдність викликає значну зацікавленість у малій вітроенергетиці. Однак вирішення доцільності застосування тієї чи іншої вітроенергетичної системи неможливе без енергетичної оцінки вітроенергетичного потенціалу (що не суперечить загальній методології оцінки, але має свої припущення для об’єктів малої вітроенергетики).

Додатково

• Див. також: https://vue.gov.ua/FREEARTICLES:Вітроенергетика

Джерело

1. ДСТУ 8292:2015. Вітроенергетика. Вітрові електричні станції. Приєднання до електроенергетичної системи. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2018. 9 с.

Література

1. Кудря С. О. Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії. Київ : Національний технічний університет України, 2012. 495с.
2. Барило А. А., Бенменні М., Будько М. О. та ін. Відновлювані джерела енергії / За ред. С. О. Кудрі. Київ : Інститут відновлюваної енергетики НАНУ, 2020. 392 с.
3. Кудря С. О., Мхітарян Н. М., Рєзцов В. Ф. та ін. Атлас енергетичного потенціалу відновлюваних джерел енергії України / За ред. С. О. Кудрі. Київ : Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 2020. 82 с.
4. Дяченко О. С., Іванченко І. В., Кармазін О. А. та ін. Вітроенергетика. Київ : Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 2024. 134 с.

Автор ВУЕ

С. О. Кудря

Покликання на цю статтю: Кудря С. О. Вітроенергетика // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Вітроенергетика (дата звернення: 11.10.2026).

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено: 26.07.2024