Ветряные электростанции: типы, принципы работы, преимущества и недостатки

Что такое ветроэнергетика

Энергия ветра – это способ получения различных видов энергии, основанный на использовании энергии, возникающей при движении воздушных масс, то есть, проще говоря, на использовании энергии ветра.

Энергия ветра используется человечеством уже давно. Именно энергия ветра веками приводила в движение парусные корабли, чтобы они могли пересекать моря, энергия ветра также использовалась на мельницах, также она использовалась для орошения полей и осушения земель.

А затем, когда человечество открыло для себя преимущества электричества, внимание снова было обращено на энергию ветра: в XIX веке активно строились ветряные электростанции для промышленного производства электроэнергии.

В России волна интереса к ветряным электростанциям пришлась на 20-е годы ХХ века. Установка «коммунизм — это советская власть плюс электрификация всей страны» требовала не только модификации силовых структур, но и обеспечения государством огромных территорий «лампочками Ильича».

Строительство ГЭС дело дорогое и не слишком быстрое, а с передачей вырабатываемой энергии на дальние расстояния еще была проблема. В этих условиях использование энергии ветра было наиболее предпочтительным.

Для сельского хозяйства были разработаны ветряные электростанции, которые можно было сделать на месте, а материалы для их производства были широко доступны. Эти установки использовались как для освещения, так и для хозяйственных нужд (например, для мельниц). Обыкновенный «фермерский ветряк» мог обеспечить освещением большую деревню — до двухсот метров. При этом проблем с передачей электроэнергии не было.

Упадок ветроэнергетики в середине 20 века был вызван появлением дешевых передающих и распределительных сетей электростанций, использующих традиционные ископаемые виды топлива, а также гидроэлектростанций. Но ограниченные запасы топлива в конце 20 века привели к возрождению интереса к ветроэнергетике, который практически бесконечен.

Плюсы и минусы ветроэнергетики

Очевидным преимуществом энергии ветра является виртуальная бесконечность ресурсов: пока на планете есть атмосфера и светит солнце, будет движение воздушных масс, которые можно использовать для получения энергии.

Еще один явный плюс: экологичность. Ветрогенераторы не выделяют вредных веществ и не загрязняют окружающую среду. К сожалению, их все же нельзя назвать полностью экологически чистыми, так как ветродвигатель довольно шумный, а потому в Европе существует установленный законом предел шума днем ​​и ночью, который ветряки не должны превышать.

Кроме того, работа ветропарков должна быть остановлена ​​во время сезонной миграции птиц (в этом случае это также законодательное ограничение в Европе). В России таких ограничений нет, но ветропарки не располагают вблизи жилых домов — исходя из удобства населения.

Наряду с таким плюсом, как неисчерпаемость источника энергии, есть и минус: эффективность ветропарка зависит от времени года, времени суток, погодных условий и географического положения. К сожалению, скорость ветра меняется в зависимости от всех этих параметров, а так как энергия ветра кинетическая, то она напрямую связана со скоростью (E = m × v2/2) — чем выше скорость, тем больше энергии производит ветряк, соответственно.

Поэтому, как правило, ветрогенераторы необходимо использовать совместно с другими источниками энергии, а также аккумуляторами, которые будут получать лишнюю энергию в ветреные дни и отдавать ее в штиле.

К преимуществам ветропарков можно отнести скорость возведения ветроустановки: даже для промышленной установки это занимает не более двух недель, учитывая затраты времени на подготовку площадки, а вот бытовой ветрогенератор подойдет для снабжения энергией частного дома или коттедж устанавливается в течение нескольких часов.

Иногда к недостаткам ветропарков относят довольно большую площадь, занимаемую ветряками (электростанция может содержать сто и более ветряков).

Однако наряду с наземными ветропарками в настоящее время используются прибрежные (их существенным преимуществом является стабильность работы — за счет морского бриза), постаментные (находящиеся в море на значительном удалении от берега (10-60) км) устанавливаются, не занимают суши, очень эффективны, так как морской бриз регулярный и имеет значительную скорость).

Глобальное распределение ветра

Чтобы правильно рассчитать место установки ветропарка, необходимо учитывать множество факторов. Районами с высоким потенциалом считаются места, где средняя скорость ветра составляет ок. 9 м/с. К таким местам относятся Латинская Америка, Гренландия, западная и северная части Европы, Средняя Азия, Центральная часть Северной Америки.

Расчет ветровых ресурсов представляет собой сложный процесс. Наиболее важные факторы, которые следует учитывать:

• какие ветры преобладают;
• рельеф и высота местности;
• наличие водоемов, растительности, различных построек.

Большая часть страны не подходит для размещения таких станций. Начальная скорость для выработки электроэнергии составляет 4 м/с. Оптимальная скорость ок. 10 м/с.

Как море или океан влияют на количество добываемого тока из ветрогенератора

Для эффективной работы ветряка важна не только сила ветра, но и его постоянный поток. Все мы знаем, что ветер – это движение воздуха у поверхности земли. Эти течения образуются за счет движения воздуха из области более низкого давления в более высокое. Т

ак как земля нагревается быстрее, чем водная поверхность, расположение ветряков вблизи морей и океанов создает подходящую ветрогенерацию — здесь всегда образуются ветровые течения. Помимо обычных, бывают и штормовые ветры, достигающие скорости 20 м/с.

Проведенные исследования подтверждают, что за счет строительства ветропарков в морях и океанах энергия, вырабатываемая ветряками, может покрыть все потребности человечества. Кроме того, скорость ветра в море примерно на 70% больше, чем на суше. Несмотря на то, что идея интересная, реализация сложная и требует больших вложений.

Виды ветрогенераторов

Ветрогенераторы — это устройства, преобразующие кинетическую энергию, создаваемую ветровым потоком, в механическую, а затем в электрическую энергию.

Все ветрогенераторы можно разделить на вертикальные и горизонтальные. Они получили свое название от расположения оси вращения:

Вертикальные или “карусельные” ветряки

Этот тип ветряка имеет механизм с вертикальной осью вращения. Представляя:

• несущий винт, воспринимающий воздушный поток;
• снижение;
• генератор;
• аккумуляторная батарея;
• инвертор.

Такие ветряки бесшумны и могут быть установлены рядом с жилым домом, их работа не зависит от направления ветра – они способны ловить воздушный поток под любым углом, работа начинается при минимальной силе ветрового потока.

Горизонтальные

Ось ротора вращается параллельно земле. Ветрогенераторы этого типа имеют из одной лопасти. Они делятся на однолистные, двухлистные, трехлистные и многолистные. Для работы горизонтальных ветроустановок необходимо правильное направление ветра, поэтому хорошо продумана автоматическая регулировка.

Преимуществом таких установок является высокий КПД. По сравнению с вертикалками они легче и меньше по размеру.

Как устроена ветровая электростанция

Современные ветряные электростанции имеют 3 лопасти, длина которых может достигать 55 метров.

Чтобы понять, как работает привод, нужно знать, как он работает:

• Ветрогенератор. Основная задача – преобразование энергии в электричество. Состоит из винта и динамо.
• Чек об оплате. Преобразует переменный ток в постоянный и регулирует скорость ветрогенератора.
• Батареи накапливают энергию, пока работает ветряк.
• Инвертор преобразует постоянный ток в бытовую электроэнергию, которая поступает в дом для использования.

Особенности бытовых ветрогенераторов

Поскольку энергия ветра является неисчерпаемым ресурсом, многие задумываются об установке ветряка у себя дома. В прошлом ветряные генераторы больше использовались в промышленном секторе. Но с развитием этой технологии появились и бытовые модели.

Чаще всего их используют в местах, где нет централизованной электросети. Современные установки на 3-5 генераторов смогут полностью обеспечить дом энергией. Но прежде чем покупать ветряки, стоит изучить, насколько эффективно они будут работать в той или иной местности.

Примечание! На рынке можно найти ветро-дизельную электростанцию ​​(ВДС), представляющую собой комбинацию ветряной электростанции и дизель-генератора. Помимо электричества, VDES также может производить тепло, что позволяет бесперебойно снабжать дом энергией.

Перспективы ветроэнергетики

Учитывая общую направленность энергетического сектора на использование возобновляемых и, желательно, неисчерпаемых источников энергии, развитие ветроэнергетики во всем мире будет продолжать ускоряться. Разрабатываются новые модели ветроустановок, в которых преимущества увеличены, а недостатки сведены к минимуму.

Например, плавучие и плавающие ветряки уже проходят испытания. Плавучие ветроустановки имеют то же преимущество, что и офшорные, — они устанавливаются довольно далеко от берега, не занимают суши, а их работа максимально эффективна за счет постоянного морского ветра.

Парящие ветрогенераторы тоже эффективны: чем выше, тем больше скорость ветра, а такие ветряки могут использовать максимальную мощность ветра.

Все больше стран мира устанавливают ветряные электростанции с использованием новейших разработок. Из всей производимой в мире энергии доля энергии, производимой ветряными электростанциями, постоянно увеличивается.

Ветроэнергетика в России сейчас развивается так же, как и во всем мире. Эксплуатируются ранее построенные ветряные электростанции, проектируются и строятся новые. Доля электроэнергии, производимой с использованием энергии ветра, увеличивается.

В перспективе, возможно, около 30% всего производства электроэнергии в России будет производиться ветряными электростанциями (по оценкам экспертов, это экономический потенциал ветроэнергетики в России).

Устройство и виды ветровых электростанций

Ветряные электростанции (ВЭС) используют энергию ветра для выработки электроэнергии. Крупные станции состоят из множества ветрогенераторов, собранных в единую сеть и питающих большие массивы — поселки, города, районы. Меньше способны обеспечить небольшие жилые массивы или отдельные дома. Станции классифицируются по различным критериям, например по функциональным возможностям:

• мобильный,
• стационарный.

По местоположению:

• прибрежный
• оффшорный
• земля
• жидкость.

По типу конструкции:

• вращающийся,
• крылатый.

Крыльчатые станции являются наиболее широко используемыми в мире. Они обладают высокой эффективностью и способны производить достаточно больших объемов электроэнергии для снабжения потребителей всей энергетической отрасли. В то же время распространение таких станций имеет специфическую конфигурацию и встречается не везде.

Читайте также: Электрическое напряжение

Принцип работы

Как уже было сказано, ветроэлектростанции имеют роторную или крыльчатую конструкцию. Поворотные станции обычно имеют агрегаты с вертикальной осью вращения. Они во многом практичнее крыльев, так как не издают много шума при работе и не требовательны к установке по направлению ветра. В то же время роторные конструкции менее эффективны и могут использоваться на небольших частных станциях.

Крылатые юниты способны производить максимальную мощность. Они гораздо эффективнее используют получаемую энергию, чем роторные конструкции, но должны быть правильно ориентированы по отношению к току, а это означает наличие дополнительных приспособлений или оборудования.

Все виды работают по одному принципу – ветровой поток раскручивает подвижную часть, которая передает вращение генератору, в результате чего в системе образуется электрический ток. Он заряжает аккумуляторы, которые питают инверторы, преобразующие полученный ток в стандартное напряжение и частоту, подходящие для потребительских устройств.

Для обеспечения большого количества потребителей отдельные ветроустановки объединяются в систему, образуя станции — ветропарки.

Преимущества и недостатки ветряных электростанций

К преимуществам ВЭС относятся:

• независимость от ископаемых ресурсов;
• используется абсолютно бесплатный источник энергии;
• экологическая чистота техники – отсутствие вреда для окружающей среды.

В то же время есть и недостатки:

• оконная гладкость создает определенные трудности в выработке энергии и вынуждает использовать большое количество; перезаряжаемые батарейки;
• ветрогенераторы шумят во время работы;
• КПД ветропарков низкий, повысить его очень сложно;
• стоимость оборудования и, соответственно, электроэнергии намного выше цены сетевого электричества;
• окупаемость оборудования при увеличении мощности значительно снижается. Самые производительные станции не окупаются в полной мере.

Использование малых станций позволяет обеспечить энергией ограниченное число потребителей, поэтому крупные населенные пункты или регионы требуют больших установок.

В то же время для мощных ветроустановок необходимы подходящие ветровые потоки и равномерное движение, что не характерно для условий нашей страны. Это основная причина низкой распространенности ветряных турбин по сравнению с европейскими странами.

Экономическое обоснование строительства ВЭС

С экономической точки зрения строительство ветропарков имеет смысл только при отсутствии других способов энергоснабжения. Оборудование очень дорогое, обслуживание и ремонт требуют постоянных затрат, а срок службы ограничен 20 годами, и это в европейских условиях.

Для России этот срок может быть сокращен как минимум на треть. Поэтому использование ветропарков экономически неэффективно.

С другой стороны, при отсутствии альтернативных вариантов или при наличии оптимальных условий, обеспечивающих качественную и равномерную работу ВЭУ, использование ВЭС становится вполне приемлемым способом энергообеспечения.

Важно! Речь идет о крупных станциях, питающих целые регионы. Ситуация с отечественными или частными станциями выглядит привлекательнее.

Мощности промышленных станций

Промышленные ветропарки обладают очень высокой мощностью, способной снабжать большими населенными пунктами или регионами. Например, ветряная электростанция Ганьсу в Китае имеет мощность 7965 МВт, Enercon E-126 производит 7,58 МВт, и это не предел.

Сразу стоит отметить, что речь идет о лидерах ветроэнергетики, другие модели вырабатывают гораздо меньше энергии. Однако, объединенные в крупные станции, ветряки способны вырабатывать вполне достаточное количество электроэнергии. Комбинированные комплексы вырабатывают суммарную мощность 400-500 МВт, что вполне можно сравнить с производительностью ГЭС.

Малые станции имеют более скромные показатели и могут считаться лишь точечными источниками, питающими ограниченное число потребителей.

Ведущие мировые производители

К наиболее известным производителям ветроустановок и оборудования для ветроэнергетики относятся компании:

• Веста,
• Нордекс,
• Супер ветер,
• Панасоник,
• экоинженерия,
• Защищено.

Российские производители пока не готовы конкурировать с этими компаниями, так как вопрос изготовления качественных и производительных ветроустановок в России еще не решен достаточно пристально.

География применения

Энергия ветра получила наибольшее распространение на западном побережье Атлантики, особенно в Германии. Это лучшие условия – устойчивый и сильный ветер, оптимальные климатические показатели.

Но главной причиной большого распространения ветряных электростанций в этом регионе было отсутствие возможностей для строительства гидроэлектростанций, что вынуждало правительства стран этого региона использовать недорогие методы получения электроэнергии. В то же время есть установки в Прибалтике, в Дании, Голландии.

Россия в этом вопросе пока отстает, за последнее десятилетие введено в эксплуатацию чуть больше десятка ветропарков. Причина такого отставания кроется в большом развитии гидроэнергетики и отсутствии хороших условий для эксплуатации промышленных ветровых электростанций. Однако наблюдается рост производства малых установок, способных снабжать энергией отдельные объекты.

Факты и заблуждения

Небольшое распространение ветряных турбин и отсутствие опыта обращения с ними породили множество неверных представлений о свойствах ветряных электростанций и их влиянии на организм человека. Поэтому широко распространено мнение о необычно высоком уровне шума работающего ветряка. На самом деле есть некоторый шум, но его уровень намного ниже, чем можно было бы подумать.

Так что шум промышленных моделей на расстоянии 200-300 м воспринимается ухом так же, как звук работающего бытового холодильника.

Еще одна проблема, необоснованно раздуваемая несведущими людьми, – это создание непреодолимых помех радио- и телесигналам. Эта проблема была решена до того, как о ней узнали пользователи — каждый мощный промышленный ветрогенератор оснащен качественным фильтром радиопомех, способным полностью исключить влияние устройства на эфир.

Люди, живущие рядом с турбинами, будут постоянно находиться в зоне мерцания тени. Так называют неприятное ощущение мерцающих световых проявлений. Вращающиеся лопасти создают такой эффект, но его важность сильно преувеличена. Даже самые чувствительные всегда могут просто отвернуться от турбины, если окажутся рядом с ней.

Есть и другие надуманные и вполне реальные факты о работе ветровых электростанций, их влиянии на организм человека и окружающую среду. Некоторые из них являются обычными слухами, другая часть настолько преувеличена, что даже не заслуживает обсуждения. Ветроэнергетика – это полноценная отрасль, способная решить проблемы энергоснабжения как в масштабах, так и в небольшом провинциальном городке.

Частные ветряные электростанции

Для России наиболее актуальной проблемой является распространение именно небольших станций, предоставляющих один дом или недвижимость. Строительство крупных ветропарков в климатических условиях нашей страны нецелесообразно и нерентабельно.

Самая большая ценность ветряных турбин заключается в том, что они дают возможность обеспечивать энергией отсталые или отдаленные деревни, где нет подключения к сети.

Для таких районов наилучшим способом решения проблемы является использование небольших частных станций, так как для работы ветряка не требуется топлива, устройство простое и легкое в ремонте. Обеспечить такие регионы дополнительным оборудованием намного проще и дешевле, чем выделять большие средства на строительство ЛЭП, особенно если речь идет о горных районах.

Небольшие ветряные турбины способны генерировать достаточно энергии без необходимости технического обслуживания или затрат на топливо, что делает их очень перспективными и привлекательными вариантами решения проблемы.

Обзор цен на популярные модели

Цена на ветрогенераторы высока. Этот момент является самым грозным для распространения технологий ветроэнергетики. Многие домовладельцы хотели бы установить на своей территории ветряные мельницы, но не имеют средств на их покупку. Установка, способная обеспечить точечное освещение, стоит около 100 тысяч рублей.

Более мощная конструкция, позволяющая обеспечить дачу электроэнергией, обойдется в 250 тысяч рублей.

Ветропарк, способный обеспечить небольшую ферму, стоит около 500 тысяч рублей. И это не предел. При таких ценах не приходится ожидать быстрого распространения ветрогенераторов, поэтому вся надежда на появление отечественных моделей, способных решить проблему высокой стоимости оборудования. Как вариант, можно купить относительно недорогую китайскую модель.

Такие устройства не подлежат ремонту, они фактически одноразовые, но их цена намного ниже стоимости западных моделей аналогичной мощности.

Основные характеристики

Основные преимущества ветрогенераторов заключаются в следующем:

• экологическая безопасность – эксплуатация установок не наносит вреда окружающей среде и живым организмам;
• отсутствие сложности в конструкции;
• простота использования и администрирования;
• независимость от электрических сетей.

Среди недостатков этих устройств специалисты выделяют следующие:

• высокая цена;
• погашение только через 5 лет;
• низкий КПД, малая мощность;
• потребность в дорогостоящем оборудовании.

Как сделать ветряную электростанцию?

Дороговизна промышленных моделей вынуждает людей, умеющих обращаться с инструментами и обладающих некоторыми знаниями, делать самодельные ветряки. Стоимость такого устройства несоизмерима с затратами на заводские модели, а эффект, получаемый от самоделок, часто превосходит эффект от известных зарубежных продуктов.

Для создания диска нужно:

• комплект оборудования – контроллер заряда, инвертор, аккумулятор;
• генератор, который может работать на низких оборотах. Чаще всего используются автомобильные или тракторные генераторы, прошедшие некоторую модернизацию;
• ветряк — вращающийся ротор, закрепленный на мачте или основании нужного размера.

Оборудование для станции можно собрать самостоятельно или приобрести готовое. Изготовление генератора из готового агрегата занимает сутки (если иметь представление, что нужно сделать). Ветряк делается из подручных материалов — металлических бочек, металлических листов и т.д.

Собираются все элементы конструкции, запускается система, оцениваются ее свойства и при необходимости вносятся необходимые изменения. Ветряк своими руками ремонтируется без особых проблем, так как вся конструкция известна мастеру, как говорится, до последнего винтика.

Эксплуатация ВЭС не требует особых затрат, все вложения осуществляются сразу. Срок службы системы рассчитан на 20 лет, но при ручном изготовлении практически не ограничен, так как в любой момент возможна модернизация или ремонт конструкции.