6. Гибридные ветроэлектростанции — применение ветрогенераторов в сочетании с другими источниками энергии, такими как солнечные панели или гидроэлектростанции, обеспечивает более устойчивое и эффективное производство электроэнергии.
Ветровая энергия в России: почему у нас так мало ветряков
Энергия ветра уже давно служит источником электроэнергии для десятков стран, составляя при этом 4,4% от общего объема производимой электроэнергии в мире. Процесс ее производства отличается низкой стоимостью, она относится к возобновляемым источникам и обладает высоким уровнем экологичности. В этой статье мы проанализируем, почему в России ветрогенераторы — это редкое явление.
Ветряки работают по принципу мельницы, однако применяют более современные технологии. Потоки воздуха приводят в движение лопасти, которые вращаются в вертикальной плоскости, тем самым генерируя механическую энергию. Встроенный генератор превращает эту механическую энергию в электрическую.
Важно отметить, что чем выше установленный ветряк, тем больше электроэнергии он способен производить. Высота опорной конструкции может быть от 20 метров, а самый высокий в мире ветрогенератор находится в Германии, в Гайльдорфе, его высота достигает целых 178 метров.
Страны, уделяющие особое внимание охране окружающей среды, такие как Дания, Германия, Испания и Ирландия, первыми начали активно развивать ветроэнергетику. Это объясняется тем, что ветряные установки не производят вредных выбросов и не наносят ущерба флоре и фауне. Кроме того, ветряки не требуют дополнительного топлива: затраты связаны только со строительством и техническим обслуживанием, что в конечном счете делает их более экономически выгодными по сравнению с другими источниками энергии. Стоимость таких проектов, однако, может значительно варьироваться в зависимости от ряда факторов, включая место установки, высоту конструкции, используемые материалы и необходимое дополнительное оборудование.
Несмотря на явные преимущества, ветряки имеют свои недостатки. К примеру, жертвой установки могут стать птицы и летучие мыши: по статистике, примерно тысяча иллюминатов гибнет ежегодно от воздействия одного ветрогенератора.
Основная проблема ветряков заключается в том, что они зависят от наличия ветра. Поэтому выбор местности для установки генераторов должен быть очень тщательным. Однако для данной проблемы также найдены решения: ветрогенераторы строят не только в открытых полях, но и в прибрежной зоне, где ветер дует практически постоянно.
Хотя концепция выглядит достаточно простой, ветрогенераторы на самом деле представляют собой сложные и высокотехнологичные механизмы. Необходимо учитывать множество факторов, таких как возможность повреждения лопастей от сильного ветра, защитить конструкцию от критических нагрузок, а также предусмотреть механизм остановки лопастей в случае шторма.
Ветрогенераторы оснащаются разнообразным дополнительным оборудованием, таким как системы тормозов. В России на данный момент такое оборудование не производят в нужных объемах, а его закупка за границей требует значительных финансовых вложений. Для того чтобы сделать проекты по возведению ветряных электростанций экономически целесообразными, необходима организация массового производства ветряков, но данный процесс потребует долгосрочных инвестиций и планирования. Несмотря на это, Россия предпринимала определенные шаги в развитии ветровой электроэнергетики, и продолжает делать это.
Прошлое — далекое и не очень
В начале 1920-х годов в Советском Союзе начали разрабатывать первые образцы ветрогенераторов, предназначенные для удаленных регионов. Эти устройства работали по гидравлическому принципу: ветер поднимал воду по специальной конструкции, а затем потоки воды вращали турбину, что позволяло вырабатывать электричество. Интересно, что указанный выше самый высокий ветрогенератор в Гайльдорфе в какой-то степени работает по похожему принципу.
В 30-е годы выдающийся изобретатель Анатолий Уфимцев по личным средствам построил свою собственную мини-ветроэлектростанцию. Она успешно работала на протяжении нескольких лет и обеспечивала электричеством дом Уфимцева до его смерти. Тем не менее, после его кончины в СССР продолжалось производство ветряков, но с ростом популярности топливной промышленности и строительством АЭС, интерес к ветряной энергии все уменьшался.
Ветростанция А. Г. Уфимцева — первая и единственная в мире установка, обеспечивавшая стабильную электроэнергию от беспорядочных порывов ветра.
Крупнейший советский учёный в области аэродинамики
Тем не менее, с начала 2000-х годов в России возобновился интерес к ветрякам. В 2017 году компания Росатом объявила о намерении создать сеть ветряных электростанций по всей стране с целью возрождения этой отрасли. В этой инициативе компанию поддерживала голландская фирма Lagerwey. Однако, специалисты высказывали сомнения относительно целесообразности этих планов, так как догнать стремительно развивающийся мировой рынок технологий было бы крайне сложно.
На данный момент по всей стране разбросаны небольшие ветряные парки. К примеру, один из них расположен в посёлке Куликово в Калининградской области и существует с 1998 года. Ветряки были подарены местным жителям датской компанией, и функционируют до сих пор, хотя и с некоторыми проблемами. Однако, объем сгенерированной энергии в этом случае небольшой, а дачники, строящие дома слишком близко к турбинам, часто не осознают потенциальную опасность этого.
В 2018 году в Ульяновской области был открыт самый крупный отечественный ветряной парк. Его строительство осуществила финская компания Fortum в сотрудничестве с РОСНАНО. Этот промышленные парк отличается большими размерами и уже готов выйти на оптовые поставки электроэнергии. Более того, при Ульяновском техническом университете была открыта кафедра для подготовки специалистов в области электроэнергетики.
История изобретения ветрогенератора
История развития ветроэнергетики (ВЭУ) имеет свои корни в давние времена. Первые известные ветряные мельницы были использованы в Персии и Египте еще в первом тысячелетии до нашей эры.
Эти устройства представляли собой горизонтальные ветряки с вертикальным валом и неподвижным крылом. В Европе ветряки начали активно использоваться с 12 века, что связано с их применением для размола зерна.
В 1890 году была запущена первая в мире коммерческая ветроэлектростанция, которая обеспечивала электричеством 200 домов в штате Массачусетс, США.
В 1930-х годах ветроэнергетика получила новый импульс благодаря разработкам датского инженера Поля Ла Курба, который создал первую современную ветроустановку с многолопастным ротором.
С начала 1980-х годов ветроэнергетика стала развиваться семимильными шагами благодаря появлению новейших технологий, росту интереса к экологически чистым источникам энергии и увеличению цен на ископаемые виды топлива.
В этот период начали разработку новых типов ветроустановок, таких как горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветряки, а также внедрены автоматизированные системы управления.
Сегодня ветроэнергетика является одним из быстрорастущих секторов мировой энергетики. Ветроустановки эксплуатируются как для автономного электроснабжения, так и для интеграции в существующие электрические сети.
В ряде стран, включая Германию, Испанию, США, Китай и Данию, ветроэнергетика занимает значительную долю в общем объеме производимой электроэнергии.
Современные ветроэнергетические установки отличаются высокой производительностью и эффективностью. К примеру, в 2017 году была запущена крупнейшая в мире ветроэлектростанция Ганьсу в Китае с установленной мощностью 7,8 ГВт. Она состоит из более чем 800 ветряков и может обеспечить электроэнергией более 10 миллионов домов.
С основными перспективами развития ветроэнергетики связано увеличение масштабов использования ветряков, повышение их эффективности, разработка новых типов установок, а также интеграция ветроустановок в электрические сети и создание систем хранения энергии.
Важно отметить, что вся работа по улучшению технологий и методов управления ветроэнергетическими системами позволит более эффективно использовать ветровой потенциал и снизить эксплуатационные расходы.
Виды ветрогенераторов
Ветрогенераторы можно классифицировать на несколько типов в зависимости от их конструкции и принципа работы. Рассмотрим основные виды ветрогенераторов:
Горизонтальная ось
Эти ветрогенераторы имеют горизонтальную ось вращения и включают в себя лопасти, генератор и башню. Они являются наиболее эффективными и способны производить значительное количество энергии, однако также являются наиболее дорогими и сложными в установке.
Существует несколько подвидов горизонтальных ветрогенераторов:
- С фиксированным шагом: этот наиболее распространённый тип, где лопасти имеют фиксированный угол наклона к ветру, что обеспечивает оптимальную эффективность на различных скоростях.
- С регулируемым шагом: в этих устройствах угол наклона лопастей изменяется в зависимости от скорости ветра, что позволяет увеличить общую эффективность.
- Саблевидные: лопасти таких ветрогенераторов имеют специальную форму, обеспечивающую высокую эффективность работы на высоких скоростях ветра, а также хорошую производительность при низкой скорости.
Вертикальная ось
В данном типе ветрогенераторов ось вращения расположена вертикально, что позволяет им функционировать при любых направлениях ветра. Хотя они менее эффективны, чем горизонтальные аналоги, они проще в установке и стоят дешевле.
К таким ветрогенераторам относятся несколько конфигураций, среди которых три наиболее распространенные:
- С ротором Савониуса: он включает два или более изогнутых лопастей, имеющих форму синусоидальной кривой. Эти лопасти создают подъемную силу, приводящую к вращению ветрогенератора.
- Ветрогенератор Дарье: состоит из одной или нескольких лопастей, расположенных вдоль вертикальной оси, и обладает формой, создающей подъемную силу при движении воздуха, что генерирует крутящий момент.
- Ветрогенератор Фена: применяет цилиндрическую турбину с несколькими лопастями для генерации электричества. Лопасти вращаются вокруг вертикальной оси, генерируя крутящий момент при взаимодействии с воздухом.
Роторные
Эти ветрогенераторы используют специальные роторы, которые улавливают ветер и преобразуют его в энергию. Они более эффективны, но и сложнее в установке, требуя специфических условий.
В состав роторных ветрогенераторов входят ротор, генератор, башня, контроллер и мачта. Принцип их работы включает воздействие ветра на лопасти ротора, передачу энергии на генератор, который производит электричество, регулирование параметров посредством контроллера и последующую передачу энергии на распределительное устройство.
Преимущества роторных ветрогенераторов заключаются в высокой эффективности преобразования ветровой энергии, способности работать в различных условиях и низкой стоимости производства и установки. Однако есть и недостатки: это шум, риск повреждения лопастей и ограниченная высота башни. В общем, роторные ветрогенераторы предлагают эффективный и надежный способ получения экологически чистой энергии.
Разновидности ВЭС
Современные ветряки отличаются разнообразием по конструкциям, размерам и типам. Их можно разделить на следующие группы:
- Тип ветротурбин, который определяется осью вращения: вертикальной или горизонтальной. Наиболее распространены устройства с горизонтальной осью, так как они более производительные. Вертикальные аналоги имеют меньшую выработку электроэнергии, но лучше показывают эффективность при сложных погодных условиях.
- Количество лопастей. К примеру, лопастной винт может содержать от двух до трех и более лопастей.
- Технические параметры винта (управление лопастями). Главное здесь – шаг винта, который зависит от угла установки лопастей относительно плоскости вращения. Шаг лопастей может быть фиксированным или изменяемым. Первый вариант предпочтительнее: такие устройства легче управлять и они менее подвержены поломкам.
- Материал изготовления лопастей. Жесткие лопасти часто изготавливают из полимерных композитов, а парусные — из нетканых слоистых материалов, а также из парусины или брезента. Парусные конструкции способны менять площадь своей рабочей поверхности; хотя они стоят дешевле, прочность у них ниже, чем у полимерных аналогов.
Что касается размеров, ветряные станции можно условно разделить на три категории:
- Высота промышленных установок, создающих наземные, прибрежные или шельфовые электростанции, может достигать до 200 метров (размах лопастей около 120 метров). Эти ветряные фермы, известные благодаря впечатляющим фотографиям, способны вырабатывать сотни мегаватт электроэнергии, достаточной для снабжения многих домов.
- Средние ветряки предназначены для обеспечения небольших объектов, таких как фермы или частные дома. Их мощность не превышает 100 кВт, и они могут использоваться как дополнительные резервные источники энергии.
- Миниатюрные устройства имеют мощность от 20 до 300 Вт. Эти компактные ветряные электростанции идеально подходят для подзарядки аккумуляторов и применяются в местах, где электричество требуется периодически и в небольших объемах.
ВЭС для частного дома: о чем надо подумать перед покупкой
Идея использовать чистую энергию, генерируемую из воздуха, привлекает владельцев частных домов и дач. Тем не менее, наличие небольших ветряных электростанций отнюдь не гарантирует эффективность, поэтому важно понять, окупятся ли затраты на их приобретение. Компактная ВЭС будет экономически целесообразна лишь в регионах с определенными характеристиками ветровой нагрузки. Также следует учитывать и другие условия.
Ветреные перспективы: выбор места
Мечты о создании небольшой установки, способной обеспечить электричеством дом или усадьбу, могут так и остаться мечтой, если в данной местности не наблюдается частых ветров. Приемлемая экономическая эффективность достигается при следующих условиях:
- Наличие постоянного ветра. Если вы не уверены в стабильности погодных условий в вашей местности, стоит обратиться к ветровым картам, которые показывают, где ветры дут чаще, а где – реже. Кроме того, можно воспользоваться историческими данными местной метеостанции.
- Качество ветра. В целом, чтобы ветровая установка принесла экономическую выгоду, минимальная среднегодовая скорость ветра должна составлять не менее 4-4,5 м/с (14,4-16,2 км/ч).
- Стабильность ветра. Даже в условиях стабильной ветреной погоды, объем производимой электроэнергии может быть недостаточным. Продуктивность в значительной мере зависит от колебаний скорости ветра. Например, при порывистом ветре и изменении силы на 10% выработка электроэнергии может колебаться до 25%.
Выбор места для установки ветрогенератора имеет огромное значение; важными являются следующие факторы:
- Открытое пространство. Ветер достигает максимальной скорости на открытых возвышенностях, в степной местности и у береговой линии.
- Отсутствие препятствий. Эффективность ВЭС снижается, если установить их вблизи высоких зданий или деревьев. Стоит замечать, что молодые деревья с течением времени вырастут вارتفاع и могут затруднить движение ветра, что негативно скажется на работе установки в будущем.
Остальные условия, которые должны быть соблюдены перед установкой ветряной электрической установки для частного дома, включают:
- Наличие достаточного пространства для установки ветряка.
- Наличие разрешений от местной администрации для установки бытовых ВЭС.
- Если у вас нет конфликтов с соседями.
Помимо всего прочего, ветряк следует устанавливать подальше от соседей, и их стоит заранее уведомить о ваших планах, чтобы избежать недопонимания и возможных споров в будущем. В этом случае важно учитывать не только аспекты безопасности, но и уровень шума, который издает работающая установка.
Стандартные (большие) установки при полной мощности могут генерировать шум в диапазоне от 34 до 45 дБ, что сопоставимо с шумом быстро движущегося автомобиля на шоссе. Компактные варианты производят не более шумов, чем кондиционер. Рекомендуется устанавливать крупные устройства на расстоянии 30-40 метров от жилых домов, чтобы шум не причинял дискомфорта.
Будущее ветроэнергетики
Доля ветровой энергии в глобальном производстве электроэнергии будет продолжать расти, в первую очередь из-за роста интереса в Китае, Индии, Бразилии и других странах Азии, Латинской Америки и Африки, где имеется большое количество территорий для создания ветропарков и благоприятные климатические условия. Важно следовать за природой: существуют области мощных постоянных пассатных ветров, дующих в обоих полушариях с 30-х широт к экватору. Возможно, именно здесь в будущем будет создан мировой центр ветроэнергетики или даже пояс ветровых установок.
В России за последние 3-5 лет было построено несколько крупных ветростанций; их совокупная мощность к началу 2022 года превысила два гигаватта. На данный момент это составляет 1% от всех наших электроэнергетических мощностей, обеспечивая лишь около 0,5% от общего объема необходимой электроэнергии. В большинстве регионов России ветер значительно слабее, чем, к примеру, на западноевропейской территории, ориентированной на Атлантику. Тем не менее, в России есть территории с хорошими условиями для ветроэнергетики, такие как морские побережья и степные районы.
Основное преимущество нашей страны заключается в наличии мощной отечественной научно-производственной базы в области ветроэнергетики. В академическом сообществе создаются новые идеи и разработки. В стране функционируют предприятия по производству оборудования для ветроэнергетики, многие из которых были построены в последние годы. Однако все вышеперечисленное позволяет с осторожным оптимизмом говорить о будущем ветроэнергетики в России.
Преимущества ветрогенераторов
- Основное преимущество ветроэнергетических установок заключается в том, что ветер является неисчерпаемым источником энергии.
- В отличие от других типов электростанций, ветряные электростанции экологически чистые и не производят выбросов в атмосферу, что особенно важно в контексте борьбы за чистоту окружающей среды.
- Стоимость электроэнергии, вырабатываемой крупными ветровыми фермами, очень низка: в Европе этот показатель держится на уровне 4-6 центов за киловатт. Исключение составляют только атомные электростанции, которые могут предложить еще более дешевую энергию, но они связаны с серьезными опасностями.
- Интересный момент заключается в том, что выработка энергии на теплоэлектростанциях может быть частично заменена энергией ветра, что способствует снижению выбросов парниковых газов.
- Использование энергии ветра может уменьшить зависимость от АЭС и нефтяных компаний, что в глобальном масштабе благоприятно скажется на экологии.
- Ветряки могут быть установлены в тех местах, где доставка электроэнергии затруднена.
Недостатки ветрогенераторов
Несмотря на множество достоинств ветряных электростанций, у них есть и недостатки:
- Быстрая рентабельность возможна лишь в больших масштабах.
- Для создания ветровых ферм требуется много земельных участков.
- Производство возможно только в регионах, где наблюдается достаточная ветреная погода.
- Требуется внедрение интеллектуальных систем для управления изменчивостью ветровых потоков.
- Высокая стоимость оборудования и необходимость в его обслуживании.
- Негативное воздействие на силу, скорость и маршруты ветровых потоков (это пока недостаточно изучено, но уже отмечены негативные аспекты).
- Отрицательное влияние на птиц и летучих животных, особенно на летучих мышей.
- Уровень шума от работы ветряков сопоставим с шумом проезжающего автомобиля.
- Сильные радиопомехи, создаваемые в процессе работы.
Однако перспективы использования энергии ветра очень широки и до конца не изучены. Очевидно, что недостатки компенсируются достоинствами, хотя высокая стоимость и требования к тщательному обслуживанию все еще не позволяют в полной мере использовать возможности ветряных электростанций на всей планете.
