Ветряная энергетика. Рассматриваем ветровые электростанции для дома Что такое энергия ветра

Энергетическая проблема является одной из основных проблем человечества. Основными источниками энергии, на данный момент, являются газ, уголь и нефть. По прогнозным данным запасов нефти хватит на 40 лет, угля на 395 лет и газа на 60 лет. Мировая система энергетики подвергается гигантским проблемам.

Относительно электроэнергии, то источники электрической энергии представлены различными электростанциями – тепловыми, гидроэлектростанциями и атомными электростанциями. В результате стремительного истощения природных энергетических носителей на первый план выводится задача по поиску новых методов получения энергии.

Источник электрической энергии (Electric energy source) - электротехническое изделие (устройство), преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию (ГОСТ 18311-80).

Источники основной электрической энергии

Тепловые электростанции

Работают на органическом топливе – мазут, уголь, торф, газ, сланцы. Размещаются ТЭС, главным образом, в том регионе, где присутствуют природные ресурсы и вблизи крупных нефтеперерабатывающих предприятий.

Гидроэлектростанции

Атомные электростанции

Для нагрева воды требуется энергия тепла, которая выделяется в результате ядерной реакции. А в остальном она схожа с тепловой электростанцией.

Нетрадиционные источники энергии

К ним относятся ветер, солнце, тепло земных турбин и океанические приливы. В последнее время их все чаще используют как нетрадиционные дополнительные источники энергии. Ученые утверждают, что к 2050 году станут основными, а обычные потеряют свое значение.

Энергия солнца

Есть несколько способов ее применения. Во время физического метода получения энергии солнца применяются гальванические батареи, способные поглощать и или тепловую. Также используется система зеркал, отражающая солнечные лучи и направляющая их в трубы, заполненные маслом, где концентрируется солнечное тепло.

В некоторых регионах целесообразнее использовать солнечные коллекторы, с помощью которых есть возможность в частичном решении экологической проблемы и использования энергии для бытовых нужд.

Основные достоинства энергии солнца – общедоступность и неисчерпаемость источников, полная безопасность для окружающей среды, основные экологически чистые источники энергии.

Главный недостаток – потребность в больших площадях земли для строительства солнечной электростанции.

Энергия ветра

Ветряные электростанции способны производить электрическую энергию только в том случае, когда дует сильный ветер. «Основные современные источники энергии» ветра – ветряк, представляющий собой достаточно сложную конструкцию. В нем запрограммированы два режима работы – слабый и сильный ветер, а также есть остановка двигателя, если очень сильный ветер.

Основной недостаток - шум, получаемый во время вращения лопастей пропеллеров. Самыми целесообразными являются небольшие ветряки, предназначенные для обеспечения экологически безопасной и недорогой электроэнергией дачных участок или отдельных ферм.

Приливные электростанции

Для производства электрической энергии используется энергия прилива. Для того, чтобы построить простейшую приливную электростанцию потребуется бассейн, перекрытое плотиной устье реки или залив. Плотина оснащена гидротурбинами и водопропускными отверстиями.

Вода во время прилива поступает в бассейн и когда происходит сравнение уровней воды в бассейне и в море, водопропускные отверстия закрываются. С приближением отлива водный уровень уменьшается, напор становится достаточной силы, турбины и электрогенераторы начинают свою работу, постепенно вода из бассейна уходит.

Новые источники энергии в виде приливных электростанций имеют некоторые минусы – нарушение нормального обмена пресной и соленой воды; влияние на климат, так в результате их работы меняется энергетический потенциал вод, скорость и площадь перемещения.

Плюсы – экологичность, невысокая себестоимость производимой энергии, сокращение уровня добычи, сжигания и транспортировки органического топлива.

Нетрадиционные геотермальные источники энергии

Для производства энергии используется тепло земных турбин (глубинные горячие источники). Данное тепло можно применять в любом регионе, но расходы смогут окупиться лишь там, где горячие воды максимально приближены к земной коре – местности активной деятельности гейзеров и вулканов.

Основные источники энергии представлены двумя типами – подземный бассейн естественного теплоносителя (гидротермальный, паротермальный или пароводяной источники) и тепло горных горячих пород.

Первый тип представляет собой готовые к применению подземные котлы, из которых пар или воду добывать можно обычными буровыми скважинами. Второй тип дает возможность получения пара или перегретой воды, которые в дальнейшем можно использовать в энергетических целях.

Основной недостаток обоих типов – слабая концентрация геотермических аномалий, когда горячие породы или источники подходят близко к поверхности. Также требуется обратная закачка в подземный горизонт отработанной воды, поскольку термальная вода имеет множество солей токсичных металлов и химических соединений, которые нельзя сбрасывать в поверхностные водные системы.

Достоинства – данные запасы неисчерпаемы. Геотермальная энергия пользуется большой популярностью благодаря активной деятельности вулканов и гейзеров, территория которых занимает 1/10 площади Земли.

Новые перспективные источники энергии – биомасса

Биомасса бывает первичной и вторичной. Для получения энергии можно использовать высушенные водоросли, отходы сельского хозяйства, древесину и т. д. Биологический вариант использования энергии – получение из навоза биогаза в результате сбраживания без доступа воздуха.

На сегодняшний день в мире накопилось приличное количество мусора, ухудшающего окружающую среду, мусор оказывает губительное влияние на людей, животных и на все живое. Именно поэтому требуется развитие энергетики, где будет использоваться вторичная биомасса для предотвращения загрязнения окружающей среды.

Согласно подсчетам ученых, населенные пункты могут полностью обеспечивать себя электроэнергией только за счет своего мусора. Более того, отходы практически отсутствуют. Следовательно, будет решаться проблема уничтожения мусора одновременно с обеспечением населения электроэнергией при минимальных расходах.

Преимущества – не повышается концентрация углекислого газа, решается проблема использования мусора, следовательно, улучшается экология.

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.

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.

Традиционные источники энергии являются не очень безопасными, негативно влияют на окружающую среду. В природе существуют такие природные ресурсы, которые называются возобновляемыми, и они позволяют получить достаточное количество энергоресурсов. Одним из таких богатств считается ветер. В результате переработке воздушных масс можно получить одну из форм энергии:

• электрическую;
• тепловую;
• механическую.

Эта энергия может использоваться в быту для различных нужд. Обычно для преобразования ветра используются ветрогенераторы, паруса и ветряные мельницы.

Особенности ветроэнергетики

В энергетической сфере сейчас происходят глобальные изменения. Человечество осознало опасность ядерной, атомной и гидроэнергетики, и сейчас ведутся разработки станций, на которых используются возобновляемые источники энергии. По прогнозам экспертов к 2020 году не менее 20% от всего количества энергоресурсов возобновляемых источников будет составлять энергия, полученная с помощью ветра.

Польза ветроэнергетики заключается в следующем:

• энергия ветра позволяет сберечь окружающую среду;
• сокращается использование традиционных энергоресурсов;
• уменьшается количество вредных выбросов в биосферу;
• при работе агрегатов, вырабатывающих энергию, не появляется смог;
• использование ветровой энергии исключает возможность ;
• отсутствие радиоактивных отходов.

Это лишь небольшой перечень достоинств использования энергии ветра. Стоит учесть, что устанавливать ветряные мельницы вблизи населенных пунктов запрещается, поэтому их чаще можно встретить на открытых ландшафтах степей и полей. В результате определенные территории будут абсолютно непригодными для проживания людей. Также эксперты отмечают, что при массовой эксплуатации ветряков возникнут некоторые климатические изменения. Например, из-за изменения воздушных масс, климат может стать сухим.

Перспективы ветровой энергетики

Несмотря на колоссальную пользу энергии ветра, экологичности ветровой энергетики, еще рано говорить о массовом строительстве ветровых парков. Среди стран, которые уже используют данный источник энергии, стоит назвать США, Данию, Германию, Испанию, Индию, Италию, Великобританию, Китай, Нидерланды и Японию. В других странах энергия ветра используется, но в меньших масштабах, ветроэнергетика только развивается, но это перспективное направление экономики, которое принесет не только финансовую выгоду, но и поможет уменьшить негативное влияние на экологию.

Доктор физико-математических наук Александр Соловьёв, Кирилл Дегтярёв (Научно-исследовательская лаборатория возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова).

Фото Игоря Константинова.

Промышленная ветровая электростанция, построенная в 1931 году в Крыму, спроектирована в ЦАГИ и была на тот момент крупнейшей в мире - её мощность 100 кВт. Во время Великой Отечественной войны она была разрушена.

Темпы роста установленных мощностей ветроэлектростанций.

Рост установленных мощностей ветроэлектростанций по ключевым регионам. Источник: Global Wind Energy Council.

Высота некоторых ветрогенераторов достигает сотен метров. На фото: установка одной из турбин ветропарка Медвежья Гора (Bear Moun-tain) в провинции Британская Колумбия в Канаде. Одна такая ветроустановка обеспечивает электроэнергией 300 домохозяйств.

Оффшорный ветропарк в Дании близ Копенгагена. Размещение ветрогенераторов в море - неплохое решение проблемы нехватки площадей для строительства мощных ветроэлектростанций. Кроме того, благодаря морскому бризу ветряки работают 97% времени.

Уровень шума от различных источников. Источник: Ермоленко Б. В., Ермоленко Г. В., Рыженков М. А. Экологические аспекты ветроэнергетики // Теплоэнергетика, 2011, № 11.

Годовая оценка смертности птиц в Европе. Источник: European Wind Energy Association, 2010.

Ветер относят к возобновляемым, или альтернативным, источникам энергии. Его преимущества очевидны: ветер дует всегда и везде, его не надо «добывать». Общие запасы энергии ветра в мире оценены в 170 трлн кВт·ч, или 170 тыс. тераватт-часов (ТВт·ч), в год, что в восемь раз превышает нынешнее мировое потребление электроэнергии. То есть теоретически всё электроснабжение в мире можно было бы обеспечить исключительно за счёт энергии ветра. А если вспомнить, что её использование не загрязняет атмосферу, гидросферу и почву, то этот источник энергии и вовсе кажется идеальным. Но, увы, всё имеет оборотную сторону, и ветроэнергетика не исключение.

Использование энергии ветра - давняя история: сколько лет ветряным мельницам и парусным судам? Да и ветроэлектростанции начали строить ещё в начале прошлого века. Следует отметить, что одним из лидеров в этой области в 1930-1950-е годы был Советский Союз. В далёком 1931 году в Крыму, около Балаклавы, была введена в эксплуатацию ветроэлектростанция, которая работала до 1941 года. Во время боёв за Севастополь она была полностью разрушена. Опорную конструкцию ветродвигателя (мачту) построили по проекту Владимира Григорьевича Шухова. Ветроагрегат с колесом диаметром 30 м и генератором в 100 кВт был на тот период самым мощным в мире. Ветроагрегаты в Дании и Германии того времени имели диаметр колеса до 24 м, а их мощность не превышала 50-70 кВт.

В 1950-1955 годах в СССР производилось 9000 ветроустановок в год. Во время освоения целины в Казахстане была построена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, работавшая в паре с дизельным двигателем, общей мощностью 400 кВт, ставшая прообразом современных европейских ветропарков и систем «ветро-дизель». Интересный факт приводится в автобиографической трилогии чукотского писателя Юрия Рытхэу «Время таяния снегов». В его родном стойбище Улак электрическое освещение появилось в конце 1930-х годов именно благодаря ветродвигателю, который обеспечивал электроэнергией и соседнюю полярную станцию.

Тем не менее активное развитие ветро-энергетики в мире началось лишь в 70-е годы прошлого столетия. Предпосылками к нему стали обострившиеся экологические проблемы (загрязнение атмосферы из-за работы ТЭС, кислотные дожди и т.д.) в сочетании с ростом цен на нефть и желанием ослабить зависимость западных стран от поставок углеводородов из СССР и стран третьего мира. Нефтяной кризис 1973-1974 годов дал дополнительный стимул ветроэнергетике и вывел вопрос о её развитии на государственно-политический уровень.

Тем не менее отношение к ветроэнергетике было (и остаётся) неоднозначным, - наряду с энтузиазмом присутствовали скепсис и недовольство, в том числе, как ни странно, связанные с экологическими аспектами. Вот один из примеров того, что писала по этому поводу зарубежная пресса в 1994 году: «Возникают и неприятные парадоксальные ситуации, когда люди недовольны строительством ветровых станций и часто блокируют их именно из экологических соображений - группы станций создают шумовое и визуальное загрязнение местности».

Подобные претензии к ветроустановкам звучали, например, в Нидерландах, где ветростанции, по мнению общественности, нарушали традиционный облик территории, да и размещать тысячи турбин в стране с высокой плотностью населения, по мнению критиков, негде.

С тех пор общая установленная мощность ветроэлектростанций в мире выросла в 60-75 раз. Появились огромные конструкции, поднятые на высоту в сотни метров. Мощности отдельных ветрогенераторов достигают нескольких мегаватт, гигаваттные ветропарки сопоставимы с крупнейшими объектами «традиционной» энергетики - тепловой, атомной и гидроэнергетики.

В 2012 году установленная мощность ветроэлектростанций в мире достигла 282 ГВт, что превышает суммарную мощность всех электростанций России и сопоставимо с мощностью всех АЭС на планете. Однако дают они только около 2,4% всей мировой электроэнергии, хотя в отдельных европейских странах, например в Дании или Испании, их доля приближается к 20%. То есть ветроэнергетика так и не стала преобладающей в общей системе выработки электроэнергии в мире. Да и на все остальные возобновляемые нетрадиционные источники энергии, включая энергию приливов и отливов, солнца, геотермальную энергию, пришлось всего 3,7%.

После нескольких десятилетий роста, мощной информационной и финансовой поддержки возобновляемой энергетики картина могла бы быть и более впечатляющей. Ведь в Европе и США производители «зелёной» энергии поддерживаются на государственном уровне. В частности, в портфеле энергосбытовых компаний должна быть обязательная доля энергии возобновляемых источников - только в этом случае гарантируется сбыт. К тому же во многих странах для производителей возобновляемой энергии действуют налоговые льготы. Между тем после бурного роста числа ветровых генераторов энергии в последние полтора десятилетия отмечается его некоторое замедление: в 2011-2012 годах темпы ввода в эксплуатацию установленных мощностей ветроэнергостанций были самыми низкими за последние 16 лет.

Особенно это заметно в Европе. Возможно, подобное замедление связано с разразившимся экономическим кризисом, но вероятна и другая причина - территориальные «ресурсы» Старого Света близки к исчерпанию, то есть ветроэнергоустановки в Европе уже просто негде строить. По данным агентства Bloomberg New Energy Finance, в 2012 году инвестиции в возобновляемую энергетику в мире в целом сократились на 11%, при этом они продолжали расти в азиатских странах. Следует добавить, что 15 лет назад более половины всех ветроэнергетических мощностей мира приходилось на США, затем резко вырвалась вперёд Европа, и в последние годы лидерство захватил Китай.

Хорошо, да недёшево

Ветроэлектростанции явно отстают от АЭС и ГЭС по коэффициенту использования установленной мощности. Если для АЭС он составляет 84%, для ГЭС - 42%, то для ветроэлектростанций - лишь 20%, что обусловлено характером самого источника энергии: ветер дует с достаточной силой далеко не всегда. То есть ветроэлектростанции в 2-4 раза менее продуктивны, чем электростанции традиционных типов, и для получения такого же количества электроэнергии их надо построить в 2-4 раза больше. Это дополнительные площади и материалы, а значит, больший экологический ущерб (в чём бы он ни заключался) в пересчёте на киловатт произведённой электроэнергии.

По информации Российской ассоциации ветроиндустрии (РАВИ), металлоёмкость современного ветрогенератора мощностью 3 МВт достигает 350 тонн. Если ТЭС в 1 ГВт требует площади порядка нескольких гектаров, то под ветропарк такой же мощности приходится отводить уже тысячи гектаров. И хотя на территории ветропарка можно вести и другую хозяйственную деятельность и даже жить, в действие вступают отношения собственности - требуется выкуп либо аренда большого участка земли.

Стоимость строительства ветроэлектростанции порядка 1500-2000 долларов на 1 кВт установленной мощности, что сопоставимо с затратами на строительство АЭС и в несколько раз выше инвестиционных затрат на строительство ТЭС. Агрегаты высокой мощности - с большой высотой мачты и большим диаметром лопастей, работающие в условиях сильных ветров и морозов, нуждаются в повышенной надёжности, а значит, требуют дополнительных затрат на строительство и обслуживание.

Себестоимость 1 кВт электроэнергии, производимой на ветроэлектростанции, тоже в реальности не равна нулю. Европейский опыт показывает, что суммарные эксплуатационные издержки 0,6-1 евроцент на 1 кВт·ч, а для машин со сроком эксплуатации выше 10 лет издержки возрастают до 1,5-2 евроцента на 1 кВт·ч. Соответственно это 24-40 и 60-80 копеек на 1 кВт·ч. Для сравнения, затраты на выработку 1 кВт·ч на ГЭС и АЭС - порядка нескольких копеек, на ТЭС - при нынешнем уровне цен на углеводороды - около 1 руб./кВт·ч.

Так что о «возобновляемости» тех или иных источников энергии приходится говорить с большой долей условности. Ведь на создание энергетических объектов, использующих эти источники, приходится тратить невозобновляемые материалы (в частности, металлы), добыча и обработка которых далеко не всегда экологически безупречны.

Что касается развития крупномасштабной ветроэнергетики, то оно тормозится прежде всего из-за упомянутых выше высокой металлоёмкости, сложности конструкций ветроэнергоустановок, потребности в больших площадях, низкой продуктивности и недостаточной стабильности работы. Кроме того, под угрозой могут оказаться такие стимулы развития ветроэнергетики, как исчерпание запасов углеводородного сырья и антропогенное потепление климата. Есть много данных, что запасы углеводородов велики, а роль человека в глобальном изменении климата, да и само изменение климата - вопросы дискуссионные.

Тем не менее ветер, как и другие альтернативные источники возобновляемой энергии, остаётся относительно перспективным. Правда, по прогнозам специалистов, в ближайшие десятилетия «первую скрипку» в мировой альтернативной энергетике начнёт играть солнечная, а не ветряная энергия. Преимущества солнечной энергетики понятны - это в перспективе более компактные и менее материалоёмкие системы, а солнце - относительно стабильный и предсказуемый источник энергии.

Ветряками - по экологии?

Экологи предъявляют немало претензий к ветроэнергетике. Это создаваемые при работе лопастей шум, инфразвуковые колебания и вибрации, отрицательно действующие на людей, технику и животных. Ветряки не просто нарушают привычные, милые глазу пейзажи, огромные вращающиеся лопасти воздействуют на психику человека. В районе ветропарков перестают селиться животные и птицы. Есть риски, связанные с отрывом лопастей и другими авариями на крупных ветроэлектростанциях. Кроме того, при работе множества ветрогенераторов на больших площадях возможно локальное снижение силы и изменение конфигурации ветров. Дополнительную проблему создаёт необходимость утилизации лопастей, исчерпавших свой ресурс.

Какие из этих недостатков и рисков мнимые и какие реальные, подсказывает двадцатилетний опыт использования энергии ветра в густонаселённой Европе. Так, не подтверждаются опасения, связанные с инфразвуком и работой лопастей, - об этом говорят проведённые оценки уровня шума и смертности птиц, из которых видно, что шум на расстоянии 350 м от ветростанции лишь чуть превышает фоновый. А количество птиц, погибших от столкновения с ветряками, в три с половиной тысячи раз меньше, чем, например, от встречи с кошками.

Конечно, в подобных оценках есть нюанс: многое зависит от числа ветроэлектростанций. При существующем количестве ущерб действительно минимален, но что произойдёт, если ветроагрегатов станет значительно больше?

Кроме того, при сравнительной оценке количества гибнущих птиц надо учитывать, о каких видах идёт речь. Кошки охотятся на воробьиных, а при столкновениях с ветроэлектростанциями на достаточно больших высотах могут гибнуть более редкие и ценные виды пернатых. Не следует сбрасывать со счетов и нарушение миграционных маршрутов птиц.

Тем не менее суммарный экологический ущерб от ветроэнергетики существенно ниже по сравнению с «традиционными» способами генерации энергии. В Европе внешний негативный социально-экологический эффект на 1 кВт·ч произведённой электроэнергии оценён в 0,15 цента для ветроэнергетики, 1,1 цента - для газовых ТЭС и 2,5 цента - для угольных.

Исключение составляет проблема утилизации лопастей ветрогенераторов, выполненных из композитных материалов. Дело в том, что срок службы лопастей 20-25 лет и первые из построенных уже близки к выработке ресурса. Особо остро с этой проблемой придётся столкнуться уже в 2020 году, когда общая масса отработанных лопастей в мире составит 50 000 тонн, а к 2035 году вырастет до 200 000 тонн.

На данный момент используются два основных способа утилизации лопастей, сделанных из стеклопластика: механический и термический. Первый метод предполагает механическое измельчение волокон и гранул, составляющих композитный материал лопастей, которые затем используют в качестве сырья для производства низкосортной продукции. Однако в большинстве случаев выработавшие ресурс турбины подвергают термической обработке, то есть сжигают. Это явно «антиэкологичный» способ утилизации, который тем более абсурдно выглядит на фоне заявлений об «экологически чистой» ветроэнергетике. При этом зольность сжигаемой массы (доля негорючего неорганического остатка в общей массе материала) около 60% и образующаяся зола требует захоронения.

Специалисты РХТУ им. Д. И. Менделеева считают, что для переработки лопастей более перспективен пиролиз (нагревание без доступа кислорода при 500°С). Полученные вещества (пиролизат) можно использовать для производства пеностекла и стеклоблоков, а образующийся при пиролизе газ сжигать для получения электроэнергии.

Российские перспективы

В настоящее время суммарные установленные мощности ветроэнергоустановок в России не превышают нескольких десятков мегаватт, а доля ветроэнергетики в общем объёме производства электроэнергии ничтожна. В то же время реализуются несколько крупных проектов, прежде всего в степных районах юга страны и прибрежных зонах. Вероятно, в ближайшие годы ситуация с ветроэнергетикой может заметно измениться.

Большие пространства, сравнительно низкая плотность населения и хозяйственных объектов существенно снижают экологические риски работы ВЭС в России по сравнению с европейскими странами. Одновременно большие расстояния и слабо развитая транспортная инфраструктура затрудняют развитие ветроэнергетики и создают дополнительные трудности в обслуживании ветроагрегатов и ветростанций.

Другая, достаточно очевидная причина слабого развития ветроэнергетики в России - наличие больших запасов углеводородов, более дешёвого энергетического сырья. Как упоминалось выше, открытие и разработка крупных месторождений нефти и газа лишили СССР, который был когда-то одним из мировых лидеров в ветроэнергетике, стимулов развития в этой области. Тем не менее расхожее мнение, что нам не нужна альтернативная энергетика (и ветроэнергетика, в частности), не имеет под собой оснований. Нефтегазовое изобилие нашей страны не стоит преувеличивать, а нынешний уровень энерговооружённости недостаточен для полноценного социально-экономического развития, что требует поиска новых источников энергии. Российские потребители сталкиваются с дороговизной подключения к энергосетям, и для них выгоднее использовать местные возобновляемые ресурсы, в том числе энергию ветра. Кроме того, более 70% территории нашей страны, на которой проживает около 20 млн человек, находится вне системы централизованного энергоснабжения.

Нельзя сбрасывать со счетов, что наша страна обладает самым большим в мире ветроэнергетическим потенциалом - порядка 40 млрд кВт·ч электроэнергии в год. А это значит, что эксплуатация крупных и особенно малых ветроэнергоустановок на огромных российских пространствах могла бы быть эффективней. Районы Российского Севера, и в частности Обская губа, Кольский полуостров, бо́льшая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по мировой классификации относятся к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на высотах 50-100 м, для которых производятся современные ветроагрегаты, составляет 11-12 м/с, что вдвое превышает так называемый экономический порог ветроэнергетики, связанный с окупаемостью ВЭС.