Ветровая энергия. Устройство, принцип работы, преимущества и недостатки ветряных электростанций
Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.
Еще в Древнем Египте за три с половиной тысячи лет до нашей эры применялись ветровые двигатели для подъема воды и размола зерна. За пятьдесят с лишним веков ветряные мельницы почти не изменили свой облик. Например, в Англии имеется мельница, построенная в середине XVII в. Несмотря на свой преклонный возраст, она исправно трудится и по сей день. В России до революции насчитывалось приблизительно 250 тыс. ветряных мельниц, общая мощность которых составляла около 1,5 млн. кВт. На них размалывалось до 3 млрд. пудов зерна в год.
Техника XX века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой - получение электроэнергии. В начале века Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания.
Ветряные мельницы оказались прекрасными источниками даровой энергии. Неудивительно, что со временем их стали использовать не только для размола зерна. Ветряки вращали дисковые пилы на больших лесопилках, поднимали грузы на большие высоты, использовались для подъема воды. Наряду с водяными мельницами они оставались, практически, самыми мощными машинами прошлого. В той же Голландии, например, где ветряков было больше всего, они успешно работали до середины нашего века. Часть их действует и в настоящее время.
Что интересно, мельницы в средневековье вызывали у некоторых суеверный страх - настолько непривычными были даже простейшие механические приспособления. Мельникам приписывали общение с нечистой силой.
В наши дни к созданию конструкций ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки - привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.
Типы ветрогенераторов
Разработано большое количество ветрогенераторов. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветрогенераторы могут быть классифицированы:
С горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока;
с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра (подобные водяному колесу);
с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока.
Здесь - сайт ветроэнергетики . НПГ «САЙНМЕТ» является отечественным РАЗРАБОТЧИКОМ И ПРОИЗВОДИТЕЛЕМ ветроэнергетических установок (ветрогенераторов), одним из мировых лидеров в области автономной ветроэнергетики – обладателем Гран-при и трех золотых медалей Всемирной Брюссельской выставки инноваций «Eureka-2005». НПГ «САЙНМЕТ» представляет автономные ветроэнергетические установки: ветрогенератор мощностью 5 и ветрогенератор мощностью 40кВт, а также ветросолнечные и ветродизельные установки на их основе.
Ветродизельные энергетические установки могут быть объединены в локальные сети, а также сопряжены с солнечными батареями. Ветродизельные агрегаты, в зависимости от ветрового потенциала местности, позволяют экономить 50-70% топлива, потребляемого дизель-генераторами сравнимой мощности.
Основные конструктивные решения ветрогенераторов защищены патентами на изобретения.
Энергия ветра
Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиями бороздившие просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь ничтожную долю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле. Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это более чем в 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.
Почему же столь обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.
Ветровой энергетический потенциал Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт * ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Непостоянство ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно удорожает себестоимость электроэнергии. Из-за рассеянности при сооружении равных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних требуется в пять раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для сельскохозяйственных нужд). Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек., называется умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше 30 м/сек. – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.
Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.
Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.
Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.
Основное направление использования энергии ветра – получение электроэнергии для автономных потребителей, а также механической энергии для подъема воды в засушливых районах, на пастбищах, осушения болот и др. В местностях, имеющих подходящие ветровые режимы, ветроустановки в комплекте с аккумуляторами можно применять для питания автоматических метеостанций, сигнальных устройств, аппаратуры радиосвязи, катодной защиты от коррозии магистральных трубопроводов и др.
По оценкам специалистов, энергию ветра можно эффективно использовать там, где без существенного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные перерывы в подаче энергии. Использование же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяет применять их для снабжения энергией практически любых потребителей.
Мощные ветровые установки стоят обычно в районах с постоянно дующими ветрами (на морских побережьях, в мелководных прибрежных зонах и т.д.) Такие установки уже используют в России, США, Канаде, Франции и других странах.
Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.
При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород, Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.
Литература
Наука и жизнь, №1, 1991 г. М.: Правда.
Техника молодёжи, №5, 1990 г.
Феликс Р. Патури Зодчие ХХI века М.: ПРОГРЕСС, 1979. 345 с.
Наука и жизнь, No10, 1986 г. М.: Правда.
Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.
Коровин Н.В. Новые химические источники тока М.: Энергия, 1978. 194 с.
Д-р Дитрих Берндт Конструкторский уровень и технические границы применения герметичных батарей А/О ВАРТА Беттери Научно-исследовательский центр
Лаврус В.С. Батарейки и аккумуляторы К.: Наука и техника, 1995. 48 с.
Наука и жизнь, №5...7, 1981 г. М.: Правда.
Мурыгин И.В. Электродные процессы в твердых электролитах М.: Наука, 1991. 351 с.
The Power Protection Handbook American Power Conversion
Шульц Ю. Электроизмерительная техника 1000 понятий для практиков М.: Энергоиздат, 1989. 288 с.
Наука и жизнь, №11, 1991 г. М.: Правда.
Ю. С. Крючков, И. Е. Перестюк Крылья Океана Л.: Судостроение, 1983. 256 с.
В. Брюхань. Ветроэнергетический потенциал свободной атмосферы над СССР Метрология и гидрология. №6, 1989 г.
С уменьшением количества полезных ископаемых человек обратился к иным видам источников энергии. Атомные станции, несмотря на свою высокую эффективность, продолжают пугать загрязнением природы. Чернобыль и Фукусима все еще на устах. Неудивительно, что человечество обратило внимание на природные источники энергии - солнце, ветер, тепло. Сегодня ветровая энергетика развивается семимильными шагами.
Все больше людей сталкивается с такими источниками и использует их в повседневной жизни. Хотя сама ветроэнергетика и является новой технологией, однако вокруг нее уже успело накопиться множество мифов. В большинстве своем они принадлежат на старых технологиях, а распространяют их многочисленных противники прогресса. Расскажем ниже об основных заблуждениях, связанных с этим направлением энергетики.
Ветровые турбины очень шумные. Согласно данному мифу человек не может находиться долго рядом с шумными ветровыми двигателями. Однако они работают довольно тихо. На расстоянии в 250-300 метров от ветроэлектростанции шум от ее работы не превышает громкость работы обычного домашнего холодильника. У работающих турбин звук похож на легкий свист, он намного тише относительно других современных установок. Даже в малонаселенных и сельских районах, где посторонние шумы не могут скрыть работу ветровых турбин, звук самого ветра является сильнее. Правда, стоит вспомнить и об исключении. Так, шумными являются старые агрегаты, которым уже более 20 лет. Да и современные турбины, расположенные на возвышенностях "тихими" назвать нельзя. В результате в холмистых местностях, где жилища располагаются на склонах или впадинах по направлению ветра от турбин, звук может распространяться дальше и быть более ощутимым. Однако для решения такого эффекта надо всего лишь при проектировании новой электростанции учесть расположение близлежащих домов, отступив от них на соответствующее расстояние. Те же машины, которые выпускаются сегодня, изначально спроектированы так, чтобы механические компоненты наименьшим образом шумели. Проектировщики стараются, чтобы оставался лишь наименьший шум от ветра, контактирующего с лопастями роторов.
Ближайшие к станции дома будут находиться в зоне "мерцания тени". Понятие "мерцание тени" означает процесс, который возникает при вращении лопастей турбинных лопастей между солнцем и наблюдателем. При этом возникает движущаяся тень. Однако мерцающая тень для домов, расположенных неподалеку от электростанции, проблемой никогда не является. Да и там, где это в принципе возможно, проблемы обычно легко решаются еще на стадии проектирования электростанции. Иногда мерцающая тень может раздражать тех, кто читает неподалеку или смотрит телевизор. Но такой эффект можно легко рассчитать, определив сколько именно часов в году это будет происходить. Это поможет легко определить проблему. Государство же предлагает ряд решений, чтобы сгладить последствия эффекта. Самое простое - планирование размещение станции и удаление ее от домов, другим способом может стать высадка деревьев.
Турбины генерируют помехи для телевизионных сигналов и других видов связи. Турбины могут создавать помехи в редких случаях, да и то их можно избежать. Большие ветровые установки, находящиеся на местности, могут становиться причиной помех телевидению или в радио, только если находятся в пределах прямой видимости. В современной ветровой энергетике используются различные методы для решения такой проблемы. Можно усовершенствовать антенну-приемник или же установить ретранслятор, который будет передавать сигнал в обход зоны расположения ветряков.
Внешний вид турбин довольно уродлив. Красота - понятие довольно субъективное. Для многих внешний вид турбин - величественен. У разработчиков планов ветровых станций есть инструменты для компьютерного моделирования, которые могут наглядно показать ее виртуальный вид с разных ракурсов. В итоге тщательное проектирование станции позволяет обычно решить проблемы уродливого внешнего вида.
От ветряных станций нет особой пользы для местных жителей, их собственность только уменьшается в цене. Никаких фактов того, что цена собственности снижается, если неподалеку находится коммерческая ветроэлектростанция, нет. В 2003 году в Америке проводились национальные исследования, которые специально изучали цены на недвижимость, расположенную около ветроэлектростанции. Оказалось, что наличие такого объекта не только никак не влияет на стоимость домов, но в некоторых случаях даже увеличивает ее.
Ветряные электростанции вредят туризму. Таких задокументированных свидетельств также обнаружено не было. Иногда ветровые турбины даже привлекают в эту местность гостей. Тогда местные власти сотрудничают с персоналом станции, чтобы устанавливать информационные доски и специальные указатели. Туристы уже на подъезде или близлежащих дорогах могут понять, где именно располагается такая необычная станция. Исследования показали, что для большинства туристов присутствие в местности ветровых установок не является поводом для отмены поездки. Так, в Палм Спрингз, Калифорния, установлены тысячи турбин. Они не только не отпугнули туристов, но даже и привлекли их. Здесь в гиды предлагают специальные автобусные туры для посещения ветровых установок.
Ветровые турбины опасные, ведь с лопастей может сорваться лед, что опасно для жизни людей. Иногда действительно может происходить падение льда, однако это не несет какой-либо опасности. Того удаления ветровых станций от мест постоянного проживания людей, которое обычно есть чтобы уменьшить звуковые эффекты, достаточно чтобы обеспечить и безопасность из-за падения льда. Да и большое намерзание льда на лопастях попросту невозможно. Ведь оно приводит к снижению скорости вращения лопастей. Турбина в результате будет отключена системой ее контроля.
Иногда с турбин срываются лопасти, а ветровые станции разрушаются. Сегодня ветровые турбины являются очень безопасными. Это позволяет их ставить даже около детских заведений, в сельских, городских и густонаселенных местах. Раньше действительно происходил срыв лопастей, но сегодня устройство турбин уже технически усовершенствованы. Все ветровые двигатели сертифицированы в соответствии с международными стандартами. Так, критерии, разработанные Germanischer Lloyd и Det Norske Veritas, включают в себя стандарты разной степени устойчивости к ураганам. Сегодня по всей Европе и Америке уже установлены тысячи ветровых турбин. Все они соответствуют самым высоким стандартам безопасности, которые гарантируют их надежную работу.
Ветровые турбины опасны для природы, из-за них погибает множество птиц и летучих мышей. Влияние растущей ветроэнергетики и ее распространение на птиц очень преувеличено. Оно значительно меньше другой обычной деятельности человека. Даже любое возможное развитие ветровой энергетики не окажет какого-либо воздействия на птиц. Ведь число смертей от установок такого типа составляет лишь малую часть от всего объема "человеческого фактора". Птицы гибнут от высотных зданий, домашних кошек, самолетов, строительства, экологических аварий. При этом проблема смерти пернатых из-за ветровых станций находится под особым вниманием. Так, на одной из самых старых объектов такого типа в Алтамонт Пасс, Калифорния, смерть хищных птиц является давней проблемой еще с 1980-х. Сотрудники этой станции постоянно работают вместе с официальными органами и экспертами по охране природы, чтобы максимально снизить опасное воздействие на пернатых. С 2003 года стали проводиться исследования по воздействию ветровых установок на летучих мышей. Ведь гибель этих млекопитающих в Западной Вирджинии в том же году привлекла внимание ученых и общественности. В ответ на это Национальная лаборатория по вопросам возобновляемой энергетики вместе с сообществом защиты летучих мышей до сих пор проводят исследования по взаимосвязи работы станций с гибелью этих животных. Такие исследования призваны уменьшить смертность, результаты работы постоянно публикуются. Хотя воздействие ветроэнергетики на популяции птиц и мышей невелико, промышленники серьезно относятся к вопросам потенциального взаимодействия с живыми существами. Помимо общих исследований на местах перед началом строительства объектов проводятся дополнительные изучения по воздействию на птиц. Стало уже общепризнанной практикой исследовать возможное воздействие на природу еще на этапе проектирования станции.
Ветровые электростанции разбивают на части зоны обитания диких животных. Обычно такие станции строятся около линий электропередач. Здесь ареалы обитания животных уже фрагментированы и изменены, тому причиной - развитое скотоводство и земледелие. Для самой станции требуется немного земли, чтобы разместить саму турбину, дорогу к ней и линии электропередачи. Земля же вокруг таких объектов может пользоваться и дальше в привычном режиме. Часто участки с пригодными ветровыми характеристиками находят на неосвоенных землях. Тогда фрагментация ареалов действительно может стать источником для беспокойства. Ведь луга и леса стоят все еще нетронутыми. Промышленность всячески поддерживает исследование этих мест, чтобы лучше понять возможное на них влияние. Надо сравнить возможное воздействие с тем, которое может наступить при отсутствии источников возобновляемой электроэнергии. Ведь это чревато глобальным потепление, выбросом загрязняющих веществ.
Ветровые турбины ненадежные и дорогостоящие, они не могут служить единственным источником энергии. Устройства сети таково, что для нее не требуется на каждый мегаватт, произведенный ветровой станцией, генерировать такое же количество энергии из других источников. Ни одна станция не может быть надежной на 100%, это сделало сеть такой, чтобы она имела больше источников, чем одновременно требуется. Такая сложная система была разработана специально, чтобы лучше реагировать на возможные прекращения работы одного из источников или же включения промышленных потребителей с высоким потреблением. В электросети таким образом существует довольно много переменных, которые учитываются оператором. Непостоянство ветроэнергетических установок является всего лишь одним из факторов работы всей сети. Есть ли вообще высоконадежные источники электроэнергии? Так, даже ядерные реакторы и угольные ТЭЦ отключаются с предупреждением незадолго до этого, чтобы провести техническое обслуживание или аварийный ремонт. Но ведь никто не стремится дублировать ядерные или тепловые станции такими же мощными объектами. Реалии таковы, что ветровая энергетика является надежной от природы. Ведь станции возводятся в ветреных местностях, модели сезонных движений воздуха где, могут быть спрогнозированы. В отличие от стандартных станций ветровые не надо полностью отключать при поломке или обслуживании. Если турбина неисправна, ее можно чинить, не отключая остальные установки от сети.
Ветровые турбины работают лишь малую часть времени. Оказывается, такие установки производят электричество большую часть суток, 65-80%. Естественно, время от времени меняется выдаваемая мощность. Но 100% своей мощности постоянно не может давать ни одна электростанция. Все они иногда закрываются на ремонт и техобслуживания или вырабатывают меньшую мощность ввиду отсутствия в данный момент спроса на электричество. Ветроэлектростанции возводятся на тех местах, где большую часть года дует ветер. Но колебания его ветра приводят к тому, что на производство максимальной мощности будет осуществляться лишь 10% времени. В итоге среднегодовое производство электричество будет составлять около 30% от номинальной мощности. Для станций на невозобновляемых источниках этот параметр колеблется от 0,4 до 0,8. Всего же для России в 2005 году общий коэффициент использования мощностей всех станций составил 0,5.
Ветровые турбины малоэффективны. Как раз наоборот, достоинством ветровых турбин является их эффективность. Наиболее простым способом определения общей эффективности технологии является общая эффективность. Оценивается количество потребляемой для производства энергии. Оказалось, что время возмещения для ветроэлектростанций практически не уступает показателям обычных объектов, местами даже превосходя их. Не так давно университет Висконсина провел исследование и обнаружил, что среднее возмещение энергии ветроэлектростанций Midwestern в 17-39 раз (зависит от текущей скорости ветра) больше потребленной энергии. А ведь для атомных станций этот параметр равняется 16, для угольных - 11. И в более широком смысле следует сказать об эффективности ветровых турбин. Ведь они производят электричество из природных источников, которые неисчерпаемы. При этом не наблюдаются социальные или экологические воздействия. Топлива не надо добывать, перевозить, отсутствует загрязнение окружающей среды. Нет проблем отходов, которые также надо куда-то везти и где-то хранить. Ветряные станции не усугубляют парниковый эффект, что свойственно ТЭЦ.
Ветровая энергия дорогая. Сегодня ветровая энергетика дает электричество такой же стоимости, как и новые станции, работающие на обычном топливе. Капитальные расходы на ветровые установки действительно более высокие, чем на традиционные источники энергии, к примеру, использующие газ. Но при этом отсутствуют и расходы на топливо, да и другие нормированные затраты (стоимость работы, технического обслуживания) такого направления энергетики оказываются в итоге конкурентными по отношению к другим источникам. Аналитики пришли к выводу, что ветроэнергетика снижает общую рыночную стоимость электричества. Ведь за последние 30 лет в Европе мощность турбин такого типа выросла почти в 300 раз, за это время стоимость производства уменьшилось на 80%. Каждые новые 5% рынка, отданные ветровой энергии, позволяют уменьшить стоимость электричества на 1%. За 5 последних лет ветроэнергетика в ЕС ежедневно давала 33 рабочих места. Этот рынок постоянно растет, только в России в 2013 году он будет составлять 3,1 млрд. евро, а в 2015 - 7 млрд. евро.
Для ветровой энергетики требуются дотации, в отличие от обычной. Аналитики Международного Энергетического Агентства оценили субсидирование на энергетику в Европе. Оказалось, что в 15 странах ЕЭС всего выделилось 29 миллиардов евро, из них на ветроэнергетику пришлось всего 19%. Этот показатель говорит о том, что такое направление попросту уравняли в правах с традиционными технологиями производства энергии.
Ветроустановки непригодны для общей сети, работая только в небольших автономных системах. Чтобы вся энергосистема начала зависеть от нестабильной выдачи мощности ветровыми станциями, надо, чтобы их доля была около 20-25% от всей мощности. К примеру, в России с существующими показателями и темпами такое соотношение может быть достигнуто не ранее, чем через 50 лет.
В мировом энергобалансе доля ветровой энергетики незначительна. В 2010 году количество произведенной энергии станциями этого типа составило 2,5% от всего объема. Энергия ветра высоко ценится, к примеру, в Дании уже 20% электричества вырабатывается таким способом, а в Германии - 8%. Планы развития этого направления огласили Китай, Индия, Япония, Франция. Темпы развития ветровой энергетики позволяют предположить, что к 2020 году доля этой отрасли составит 10% от общего объема.
Ветровая энергетика само по себе нестабильна и не так предсказуема, как другие виды. Энергия поступает нестабильно, что требует постоянное ее резервирование и аккумулирование. Для решения проблем такой нестабильности есть свои варианты. Сегодня с точностью 95% составляются прогнозы почасовой выдачи энергии в течении дня. Этот высокий показатель планирования позволяет улучшить качество работы и надежность станций. Чтобы оценить стабильность работы системы станций такого типа, группа ученых университетов Делавэр и Стони-Брук создала виртуальную систему объектов. Они располагались по всему восточному побережью США на отдалении от берега. Оказалось, что такая система может служить надежным источником энергии. Хотя ветровые установки и имеют высокий потенциал, меняющаяся погода все же может снижать их потенциал. Ученые предлагают объединять в единую сеть удаленные друг от друга группы ветрогенераторов, чтобы сглаживать колебания ветра на участках. Однако точные расчеты пока еще не сделаны. В ходе исследования были рассмотрены данные, полученные от 11 автоматических станций наблюдения за погодой за 5 лет. Они располагались на протяжении 2500 километров между Флоридой и Мэном. Оказалось, что за это время, при условии объединения станций в единую сеть, поступление электричества полностью никогда бы не прекращалось. Мощность всей системы колебалась бы не так сильно, как у отдельной установки. Если та могла за час измениться на 50%, то для всей сети скачок в принципе не мог превысить 10% в час. Участники исследования пришли к выводу, что этот "нестабильный" источник энергии на самом деле является довольно надежным при правильной работе с ним.
Добавить сайт в закладки
Энергия ветра: использование
Энергию ветра, человек начал использовать в далеком прошлом. Это были ветряные мельницы, построенные в Персии в 200-х годах до н. э. и предназначенные для размола зерна.
Первая ветро-электростанция была построена еще в 1931 году в Ялте и развивала мощность до 100 кВт.
Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в 19-м веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908 году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м и четырёхлопастные роторы диаметром 23 м.
Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 м. К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт.
В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.
В настоящее время ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,66 ГВт.
Ресурсов ветра достаточно, чтобы многократно удовлетворять потребности человечества в энергии.
Атмосферные турбины, вращающиеся под воздействием постоянных и быстрых потоков ветра, дующих на больших высотах, могут вырабатывать больше энергии, чем наземные и шельфовые турбины. В новом исследовании Кена Калдейры (Ken Caldeira) из Университета Карнеги приводится оценка максимального количества энергии, которое может быть выработано ветрогенераторами, а также рассматривается воздействие высотного сбора энергии на климат Земли.
Команда ученых из Ливерморской национальной лаборатории во главе с Кейт Марвел (Kate Marvel), начинавшей эти исследования в Университете Карнеги, использовала моделирование для количественного определения электроэнергии, вырабатываемой как с помощью приповерхностных, так и атмосферных ветров, дующих на больших высотах. К приповерхностным ветрам ученые отнесли те потоки воздуха, которые доступны для турбин, находящихся на земле или на морском шельфе. Высотными считаются такие ветры, доступ к которым может быть получен с помощью технологии объединения турбин и воздушных змеев. В исследовании рассматривались лишь геофизические ограничения таких технологий, технические или экономические факторы в расчет не принимались.
Турбины препятствуют перемещению воздуха, создавая сопротивление, снижающее движущую силу ветра, что приводит к его замедлению. При увеличении количества ветрогенераторов количество вырабатываемой электроэнергии также увеличивается. Но в какой-то момент ветры станут замедлены на столько, что добавление новых генераторов не приведет к росту выработки энергии. Исследование было сосредоточено на поиске точки, в которой количество вырабатываемой энергии максимально.
Используя модели, исследователи смогли определить, что с помощью наземных турбин можно получить более 400 ТВт энергии, а за счет высотных потоков воздуха – более 1800 ТВт.
Сегодня человечество потребляет около 18 ТВт энергии. Ветры, дующие у поверхности Земли, могут двадцатикратно удовлетворить наши потребности в энергии, а атмосферные потоки – стократно.
При максимальных уровнях извлечения энергии ветра последствия для климата могли бы быть весьма пагубными. Однако, как показали исследования, при сегодняшнем уровне потребности в энергии влияние ветрогенераторов будет незначительным, тем более, при равномерном распределении турбин по поверхности Земли, а не сосредоточении их в нескольких отдельных регионах. При этом температура может измениться всего на 0,1°С, а влияние на осадки будет в пределах 1%. В целом воздействие на окружающую среду не будет существенным.
Но, по мнению Калдейры, рост ветроэнергетики во всем мире будут, скорее всего, определять не геофизические ограничения, а технологические и политические факторы.
Разработанные NASA воздушные ветроэнергетические системы эффективнее традиционных турбин.
Ветряные турбогенераторы, устанавливаемые на земле, на сегодня представляют собой «золотой стандарт» ветроэнергетики. Но инженеры NASA работают над уникальной альтернативой – воздушными ветроэнергетическими системами. NASA делает упор на 2 основных элемента новой технологии – набор вырабатывающих электричество турбин, установленных на воздушном змее, и наземный генератор, соединенный с воздушным змеем и получающий энергию за счет его вращательных движений, когда тот ловит ветер.
Как сообщается, КПД такой воздушной системы достигает 90% благодаря вращательной фазе змея, которая использует на 10% меньше энергии. Другой ключевой особенностью новой системы является то, что лопасти турбины вращаются быстрее и удалены на большее расстояние от своего центра, что позволяет вырабатывать электроэнергию в большем количестве. В составе системы также имеется программное обеспечение распознавания движений наподобие Kinect компании Microsoft, которое может определять положение воздушного змея в пространстве, а также направление его движения и скорость.
Кроме того, имеется система управления полетом, позволяющая воздушному змею описывать «восьмерку». Прототип змея, над усовершенствованием которого работает NASA, имеет размах крыльев 10 футов (примерно 3 м). Также в NASA запросили разрешение на испытание системы на высоте 2000 футов (примерно 610 м), которая, как предполагается, является идеальной для работы воздушных ветроэнергетических систем. В NASA планируют использовать такую систему в будущем, и не только на Земле, но и на Марсе и других планетах.
Ветроэнергетика в России
В середине 1920-х годов ЦАГИ разрабатывал ветро-электрические станции и ветряки для сельского хозяйства. Конструкция «крестьянского ветряка» могла быть изготовлена на месте из доступных материалов. Его мощность варьировалась от 3 л.с., 8 л.с. до 45 л.с. Такая установка могла освещать 150-200 дворов или приводить в действие мельницу. Для постоянства работы был предусмотрен гидравлический аккумулятор.
Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд кВт·ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт·ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.
Энергетические ветровые зоны в России расположены в основном на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.
Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период - период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30% экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % - в Северном экономическом районе, около 16% - в Западной и Восточной Сибири.
Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17-18 МВт.
Освоение энергии ветра по всему миру, в последние годы, происходит весьма стремительно. Лидерами на данный момент являются Китай и США, однако и остальной мир постепенно развивает это перспективное направление «чистой» энергетики, базирующейся на неисчерпаемом природном ресурсе – энергии ветра. С каждым годом в мире устанавливается все больше и больше , и налицо тенденция к дальнейшему распространению технологии.
Давайте рассмотрим преимущества и недостатки использования ветроэлектрических установок.
Преимущества:
1. Используется полностью возобновляемый источник энергии. В результате действия солнца, в атмосфере постоянно движутся воздушные потоки, для создания которых не требуется добывать, транспортировать, и сжигать никакое топливо. Источник принципиально неисчерпаем.
2. В процессе работы ветряной электростанции полностью отсутствуют вредные выбросы. Это значит, что отсутствуют как любые парниковые газы, так и какие бы то ни было отходы производства вообще. То есть технология экологически безопасна.
3. Ветряная станция не использует воду для своей работы.
4. Ветряная турбина и основные рабочие части таких генераторов расположены на значительной высоте над землей. Мачта, на которой установлена ветряная турбина, занимает небольшую площадь на земле, поэтому окружающее пространство может быть с успехом использовано для хозяйственных нужд, там могут быть размещены различные здания и сооружения, например, для сельского хозяйства.
5. Применение ветрогенераторов особенно оправдано для изолированных территорий, куда обычными способами электроэнергию не доставить, и автономное обеспечение для таких территорий является, пожалуй, единственным выходом.
6. После введения в эксплуатацию ветряной электростанции, стоимость киловатт-часа генерируемой таким образом электроэнергии значительно снижается. Например, в США специально исследуют работу вновь установленных станций, оптимизируют эти системы, и таким образом удается снижать стоимость электроэнергии для потребителей до 20 раз от первоначальной стоимости.
7. Техническое обслуживание в процессе эксплуатации минимально.
Недостатки:
1. Зависимость от внешних условий в конкретный момент. Ветер может быть сильным, или его может не быть вообще. Для обеспечения непрерывной подачи электроэнергии потребителю в таких непостоянных условиях, необходима система хранения электроэнергии значительной емкости. Кроме этого, требуется инфраструктура для передачи этой энергии.
2. Сооружение ветровой установки требует материальных затрат. В некоторых случаях привлекаются инвестиции в масштабах регионов, что не всегда легко обеспечить. Именно стартовый этап, само возведение проекта является весьма дорогостоящим мероприятием. Упомянутая выше инфраструктура - немаловажная часть проекта, которая также стоит денег.
В среднем, стоимость 1 кВт установленной мощности составляет $1000.
3. Некоторые эксперты считают, что ветряки искажают природный ландшафт, что их вид нарушает естественную природную эстетику. Поэтому крупным фирмам приходится прибегать к помощи профессионалов по дизайну и ландшафтной архитектуре.
4. Ветряные установки производят аэродинамический шум, который может причинить дискомфорт людям. По этой причине в некоторых странах Европы принят закон, по которому расстояние от ветряка до жилых домов не должно быть меньше 300 метров, а уровень шума не должен превышать 45 дБ днем и 35 дБ ночью.
5. Есть небольшая вероятность столкновения птицы с лопастью ветряка, однако она настолько мала, что вряд ли нуждается в серьезном рассмотрении. А вот летучие мыши более уязвимы, поскольку строение их легких, в отличие от строения легких птиц, способствует получению смертельной баротравмы, при попадании млекопитающего в область пониженного давления около края лопасти.
Несмотря на недостатки, преимущества ветряных генераторов по части пользы для окружающей среды очевидны. Для наглядности стоит отметить, что работа ветрогенератора мощностью 1 МВт позволяет сэкономить за 20 лет около 29000 тонн угля или 92000 баррелей нефти.
