Ветроэнергетика в России в Мире, история и принципы

История использования энергии ветра

История использования человеком энергии ветра уходит далеко в прошлое, когда люди и понятия не имели о законах физики. В Древнем Египте энергия ветра использовалась для измельчения муки на мельнице; в Китае воду с рисовых полей откачивали с помощью устройств с лопастями.

Моряки начали использовать паруса, когда поняли, что с помощью ветра они могут эффективнее управлять кораблем и быстрее добраться до нужного места.

Когда начали использовать ветровую энергию?

Еще во 2 веке до н.э. Персидское государство, управляемое парфянами, использовало ветряные мельницы для измельчения зерна. Однако неизвестно, представитель какой национальности изобрел конструкции. В то время эллинистическая культура господствовала на землях Ирана в течение 200 лет. После исламского завоевания изобретение переняли арабы.

Результатом последних крестовых походов стало то, что ветряные мельницы (а также бани, древние знания и восточные бытовые традиции) стали распространяться в Европе.

Жители немецкоязычных штатов и городов достигли особого мастерства в строительстве портальных энергетических сооружений с помощью лезвий. Благодаря немцам и голландцам они тоже оказались в России.

С 16 века в Старом Свете уже эксплуатировались водяные насосы с использованием ветряка. Практичнее всего было утилизировать воду в Нидерландах — заодно избавляясь от излишков во время прилива (королевство находится ниже уровня моря).

Для получения электричества в Дании стали осваивать ветер — силу, состоящую из пятен, окруженных со всех сторон «вымытым» Северным морем. Так впервые это произошло в 1890 году. В середине 1920-х годов разработка велась и в России.

Но и по сей день именно датское государство является самым передовым производителем ветряков (несмотря на то, что именно Южной Корее в последнее время удалось выжать из воздушных потоков наибольшую мощность). С 40-х по 70-е годы в отрасли наблюдался спад из-за наибольшего роста видов энергии, ставших классическими.

Востребованность ветроэнергетики

Энергию ветра в Европе и США вспомнили в конце прошлого века – дал о себе знать нефтяной кризис. А в конце 80-х чернобыльская трагедия вызвала скептическое отношение к атомной энергетике. Развитию исследователей в обсуждаемой области был дан зеленый свет. Первые ветряные турбины современного типа родились в Дании.

Они были приняты на вооружение США, первоначально установлены в продуваемом всеми ветрами Тихом океане и пустыне Калифорнии. А потом все кончено. В результате в странах Северной Европы и США существует большой спрос на энергию ветра. Они к этому привыкли. Даже небольшие фермы и обычные домохозяйства заказывают ветряки.

В этих странах 67% от общего количества таких установок. В Азии 31% (в основном в странах-лидерах Тихоокеанского региона). Остальные 2 процента продукции разбросаны по всему миру, который не спешит отказываться от традиционных медиа.

Если говорить более подробно о Западе, то Германия (Senvion SE и Siemens), Норвегия (Statoil ASA) и Нидерланды (H Technologies BV) активно участвуют в производстве ветряных электростанций. Филиалы этих организаций совместно с датской Vesta намерены создать плавучие острова, на которых будут размещены мощные ветряные турбины. Движений воздуха в океане несколько — они там постоянны.

Назначенные компании имеют много клиентов среди своих соотечественников и по всему миру. Сегодня доля ветроэнергетики в ассортименте электроэнергии составляет уже 15%.

Сферы использования

Энергия ветра используется не только для производства электроэнергии (хотя в Южной Корее и Китае из одной установки уже можно выжимать до 7,9 ГВт/год, питая таким образом небольшие заводы, а в Северной Европе и США множество ферм на ветер).

Кое-где сила воздушных масс до сих пор заставляет крутиться жернова. Метеорологи также используют ветер в исследовательских целях — он показывает направление глобальных воздушных течений.

И снова об электричестве. В 3-м тысячелетии ураганы учатся использовать как альтернативный (обычный ветер) источник энергии. Поток силой 30 м/с (самый медленный ураган) несет полтора тераватта кинетической энергии. Уже ведутся исследования, которые позволят вам «обуздать» эту мимолетную, но необузданную силу…

Плюсы ветряной энергетики

Описываемый энергетический кластер имеет ряд заметных преимуществ, они перечислены ниже:

• ветряк экологически чистый (на чистоту окружающей среды эти устройства никак не влияют);
• экономичный (не требует затрат других ресурсов: нефти, газа, дров и так далее);
• обеспечивает минимальные потери при передаче тока на сам генератор;
• поскольку он безопасен, его можно установить непосредственно на объекте-потребителе (нет необходимости в линиях электропередач).

Минусы энергии ветра

В то же время энергия ветра имеет ряд недостатков. Пока столько же, сколько и плюсов.

1. Сильный шум (воздействует на животный мир и даже на людей).
2. Птицы попадают в лопасти генераторов.
3. Мало где используют эту мощность для ведения бизнеса (в центральных сетях это дополнительная ветвь цепи, используется автономно только для хозяйственных нужд или в сельском хозяйстве).
4. Авиация доказала, что обледенелые лопасти снижают эффективность вращения.

Принцип работы ветровой электростанции

Ветроэлектростанции представляют собой несколько ветряков, соединенных между собой в единую сеть. Крупные станции могут включать более 100 ветряков. Такие места называют «ветряками». Ветряные турбины — это экологичный способ производства энергии в течение неограниченного времени.

Эффективным местом для установки ветропарков являются районы с постоянным ветровым течением – холмистая местность, горы, прибрежные зоны морей и океанов. По расположению различают следующие виды:

• земля;
• берег;
• жидкость;
• офшор.

По типу конструкции можно выделить:

• вращающийся;
• крылатый.

Ветряные электростанции с крыльями являются наиболее эффективными и широко используемыми. Они способны производить достаточно энергии. На высокой мачте чаще всего устанавливают трехлопастной механизм, с горизонтальной осью вращения.

Сила вращения зависит от размера лопастей. Максимальная скорость вращения достигается, когда поток ветра перпендикулярен лопастям. Поскольку ветровые потоки периодически меняют направление, это устройство автоматического управления

Роторные силовые установки имеют вертикальную ось вращения. Преимущество этого типа в том, что они не шумят, эффективность работы не зависит от направления ветрового потока, поэтому станция не нуждается в дополнительных устройствах управления. Но по сравнению с крыльевыми силовыми установками они менее эффективны.

Принцип работы любой ветряной электростанции одинаков. Ветровой поток раскручивает ротор с лопастями, соединенными с генератором. Чем больше лопасти, тем больший поток они захватывают и вращаются с большей скоростью. Чем быстрее вращаются лопасти, тем больше энергии вырабатывается. Генератор преобразует движение в энергию и выдает на батареи. На выходе получается полезная энергия.

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.

Так 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.

Мощности промышленных станций

Ветроэнергетика как отрасль основана на использовании мощных промышленных ветряных турбин, которые могут обеспечить энергию в больших масштабах. Все ветрогенераторы имеют схожую конструкцию:

• опорная башня или мачта;
• гондола
• турбогенератор.

Размеры таких станций могут достигать высоты до 190 метров и веса до 6000 тонн. Одна из самых больших установок в мире — Enercon E-126 имеет размах лопастей 128 метров.

Расчет лопастного ветрогенератора

Мощность устройства можно рассчитать по следующей формуле:

P=0,6 (¶r2)v3, где

Р — номинальная мощность, кВт;

r — расстояние от центральной точки ротора до конца лопасти, м;

v — средняя скорость, м/с;

¶=3,14.

Большое значение в конструкции имеет размер лезвия, форма, материал, из которого оно изготовлено.

Читайте также: Как производят и передают электроэнергию: от электростанций до дома

Расчет мультипликатора

Самый мощный ротор может производить около 400 об/мин, но для эффективной работы число оборотов должно быть в 2,5 раза больше. Для этого устанавливаются мультипликаторы — промежуточные звенья между ротором и генератором, повышающие частоту вращения вала. Для обеспечения эффективной работы генератора необходим умножитель с большим коэффициентом повышения.

Мачта

Мачта является одним из важнейших конструктивных элементов ветряной турбины. Высота мачты зависит от места установки. Основные правила установки:

• Мачта ветрогенератора должна быть не ближе 150 метров от насаждений и жилых построек, а лучше на расстоянии 2,5 километра.
• Нижний край лезвия не должен быть ниже 10 метров от вершины деревьев.

Для того чтобы ветряки работали на полную мощность, минимальная высота установки начинается от 25 метров. Чаще всего высота мачты составляет 70-110 метров

В зависимости от вида поддержки различают:

• на растяжках;
• конический;
• сварной;
• гидравлический.

На фундамент устанавливается мачта, от которой зависит надежность конструкции. Для начала роют котлован и укладывают слоями щебень и песок. После трамбовки устанавливается основание мачты и заливается бетоном. После заливки фундаменту необходимо время, чтобы отстояться в течение 4-5 недель. Только после этого продолжаются работы по установке мачты.

Вертикальные ветрогенераторы имеют разную конструкцию. Для них не требуются высокие опоры, а мачта представляет собой разборную конструкцию высотой до 6 метров, которая монтируется на крышу зданий.

Расчет энергии ветра

Энергия ветра – это кинетическая энергия воздушного потока. Этот показатель измеряется в джоулях. Вы можете рассчитать по следующей формуле:

P = r V3 S/2, где r — показатель плотности воздуха (1,225 кг/м3), V — величина, отражающая скорость, с которой движется поток (м/с), S — площадь проходного сечения (м2).

При расчете важно учитывать потери и КПД генератора.

Для получения точных результатов необходимо знать показатели местности. Где будет установлен ветряк.

Ложные теории

Самые распространенные мифы о ветроэнергетике:

1. Ветряные мельницы убивают птиц. Трудно отрицать, что иногда птицы врезаются в лопасти или мачту ветряной турбины и погибают. Но не меньше птиц гибнет от электрических проводов. По статистике, большинство птиц погибает из-за нападения кошек.
2. Самая распространенная ложная теория заключается в том, что шум от ветряка может негативно сказаться на здоровье человека, в том числе вызвать осложнения на органы слуха.
3. Не является экологически чистым источником, так как увеличение количества ветряных электростанций увеличивает выброс углекислого газа. Да, но по сравнению с угольными или газовыми электростанциями этот показатель в 50 раз меньше.
4. Безработица. Существует мнение, что получение энергии таким способом приведет к сокращению рабочих мест, но этот миф легко развеять. Безработица не может возникнуть ни в одном секторе развития, так как ветроэнергетика всегда нуждается в новых кадрах — исследователях, разработчиках.

Ложные теории возникают из-за незнания предмета, но все их легко опровергнуть, что и делалось много раз.

Ветровые электростанции преимущества и недостатки

Преимущества установки ветропарков:

1. Экологичность. Сегодня этот фактор играет большую роль. А добыча энергии с помощью ветряков – это экологически чистый способ, никак не влияющий на окружающую среду.
2. Прибыльность. По сравнению с другими источниками энергии ветряные электростанции намного экономичнее в строительстве.
3. Бесконечный источник энергии.
4. Эффективность работы — электростанция вырабатывает в 80 раз больше энергии, чем потребляет.
5. Размещение. Ветряк можно разместить где угодно, в отличие от традиционных станций.
6. Современные ветряки могут работать со скоростью 3,5 м/с.
7. Технологическое развитие.

Недостатки ветроэнергетики:

1. Работа ветряка зависит от силы ветрового потока, которого может и не быть.
2. Изменение ландшафта в районе за счет строительства ветряных электростанций.
3. Затраты на поиск и изучение местности под ветроустановки и их строительство.
4. Станционные турбины создают низкочастотный шум, негативно влияющий на людей.
5. Они представляют опасность для птиц.
6. Менее производительна по сравнению с другими станциями.

Ветроэнергетика имеет своих сторонников, которые считают использование ветряков экологически безопасным способом решения энергетической проблемы. Но есть и люди, которые против строительства ветропарков, так как они наносят вред здоровью людей и птиц. Недостатки ветроэнергетики несопоставимы с огромным потенциалом, который заложен в этой отрасли.

Ветроэнергетика как угроза животному миру

Защитники птиц выступают против строительства ветряных турбин, поскольку птицы часто врезаются в лопасти ветряных турбин. Хотя расчет показал, что количество павших птиц от генератора не больше, чем от ЛЭП высокого напряжения. Однако зоозащитники опасаются, что во время миграции птицы могут попасть на территорию ветряной электростанции или изменить маршрут миграции.

Еще одна проблема защитников заключается в том, что шумы, издаваемые генераторами, могут отпугивать животных, и они меняют среду обитания.

Ветроэнергетика как потенциальный онкоген

«Синдром ветрогенератора» — это клиническое название, данное симптомам людей, живущих вблизи ветряных турбин. Основные симптомы – быстрая утомляемость, бессонница, раздражительность, головные боли, шум в ушах, проблемы с концентрацией внимания.

Все эти симптомы могут появиться из-за того, что работа генератора издает низкочастотные звуки, которые наш слух не воспринимает, но на которые реагирует наш организм.

Этот синдром официально не признан, и некоторые считают его классическим случаем эффекта ноцебо. Это означает, что реакция организма вызвана не действиями генератора, а негативной информацией о нем.

Ветроэнергетика в России

На данный момент Россия довольно слабо использует такой ресурс, как ветер. Государство не выделяет достаточно грантов на исследования и покупку конструкций.

В 2020 году в Ставропольском крае запустили крупнейшую в России ветроэлектростанцию. Рабочая мощность каждого из 84 энергоблоков составляет 2,5 МВт.

Доля энергии ветра в общей энергосистеме страны незначительна и, скорее всего, не изменится в ближайшее время. В прошлом году ветряные турбины генерировали менее 1% от общего потребления энергии.

Это связано с тем, что в стране разработаны другие способы получения энергии. Однако необходимо помнить, что энергия ветра неисчерпаема и нельзя отказывать альтернативной и быстро развивающейся отрасли.

Ветроэнергетика в мире

Энергия ветра является альтернативным источником энергии, и многие страны используют его. Изучение ветроэнергетики стало популярной и быстрорастущей отраслью в последние десятилетия. В прошлом году было установлено 93 ГВт новых установок.

Ведущими странами, где этому уделяется большое внимание, являются США, Канада, Великобритания, Дания, Германия, Китай.

Следует отметить! Энергия ветра используется людьми все чаще и чаще, например доля получаемой энергии в Дании составляет 28% во всей энергетической отрасли, в Китае 36%.

Перспективы развития ветроэнергетики остаются положительными, и в ближайшем будущем количество стран, внедряющих альтернативный способ получения энергии, будет только увеличиваться.

Перспективы развития

Если учесть, что в настоящее время делается упор на природные методы добычи энергии, то ветровая энергетика будет иметь положительные перспективы развития в ближайшие годы. Все время идет разработка новых и усовершенствование старых моделей ветроустановок. Одной из последних разработок являются плавучие генераторы, которые могут использовать максимальную мощность ветра.

Все больше стран мира обращают внимание на энергию ветра и начинают строить свои ветряки в подходящих для этого местах. Энергия ветра считается одной из перспективных отраслей альтернативной энергетики.

Чаще пользуются спросом частные ветрогенераторы, которые могут обеспечить энергией часть или весь дом. Традиционные источники энергии вскоре могут иссякнуть, а также нанести непоправимый ущерб окружающей среде. Многие считают, что будущее за ветровой энергетикой, а также за альтернативными экологически чистыми методами производства энергии.