Устройство, принцип работы, преимущества и недостатки ветряных электростанций

Энергетическая отрасль справляется со своей задачей достаточно уверенно, но масштабы нашей страны таковы, что полное обеспечение электроэнергией всех отдаленных или труднодоступных районов пока невозможно. Это связано с множеством факторов, преодолеть которые в нынешних условиях слишком дорого или технически недостижимо.

Поэтому все более пристальное внимание приходится обращать на альтернативные источники, способные удовлетворять потребности отсталых регионов без участия магистральных сетей. Перспективным направлением является ветроэнергетика, использующая дармовой источник энергии — силу ветра.

Устройство и виды ветровых электростанций

Ветроэлектростанции (ВЭС) используют энергию ветра для выработки электротока. Крупные станции состоят из множества ветрогенераторов, объединенных в единую сеть и питающих большие массивы — поселки, города, регионы. Более мелкие способны обеспечивать небольшие жилые массивы или отдельные дома. Станции классифицируются по различным признакам, например, по функциональности:

• мобильные,
• стационарные.

По расположению:

• прибрежные
• офшорные
• наземные
• плавающие.

По типу конструкции:

• роторные,
• крыльчатные.

Наибольшее распространение в мире получили крыльчатные станции. Они имеют большую эффективность и способны производить достаточно большое количество электроэнергии, чтобы обеспечивать ею потребителей в масштабах целой энергетической отрасли. При этом, распространение таких станций имеет специфическую конфигурацию и встречается не повсеместно.

Современные методы ‏генерации электроэнергии из энергии ветра

Наука, как и сознание не стоят на месте. С каждым годом методы ветроэнергетики совершенствуются, как и растет потребность человечества в альтернативных технологиях. Все больше стран используют ветровые турбины, ветрогенераторы или ветряки для выработки электроэнергии.

Турбины — последнее достижение науки в области добывания энергии ветра. Именно наибольшая ее часть генерируется с их помощью. Визуально они похожи на гигантские пропеллеры вертолета на устойчивой вертикальной основе.

Количество вырабатываемой энергии ветра напрямую зависит от размера самой турбины и ее лопастей.

Принцип работы следующий. Ветер вращает лопасти, которые в свою очередь крутят вал, соединенный с генератором, производящим электричество. Чем сильнее ветер, тем большее количество энергии возникает и, кстати, для ее генерации практически не используют воду, в отличие от других видов энергии.

Новейшие турбины имеют размер рутора (он же вал — место, соприкасаемое с генератором энергии) превышающий 120 м и вырабатывают мощность до 2 мегаватт. Это норма для обеспечения электроэнергией 800 жилых домов.

В мире уже несколько сотен тысяч ветряков, которые снабжают электроэнергией множество домов, кварталов и предприятий. Есть большие и маленькие. Ветряная мельница для электричества нашего времени — это башня из стали высота которой достигает до 130 м. На его вершине расположены генератор, рутор и лопасти.

Например, в Германии построили ветряк 120 м в высоту, он вырабатывает до 5 мегаватт, а его лопасти в длину достигают до 53 м и около 6 м в ширину. Результатом своей деятельности он может полностью обеспечивать до 900 современных домов, то есть небольшие города. А Норвегия запустила строительство еще более мощного ветряка, который, за предыдущими прогнозами, будет обеспечивать до 2000 жилых сооружений.

Кроме суши их еще ставят на воде. Наивысшая ветряная мельница для электричества в мире, которая даже занесена в книгу рекордов, стоит на высоте 4100 м над уровнем моря в провинции Сан-Хуан. Ее установкой руководила компания Barrick Gold, которая занимается добыванием золота.

Но важно знать, что этот вид энергии возможно использовать не во всех регионах планеты Земля. Все зависит от скорости ветра на высоте 20-30 м над поверхностью земли.

Поэтому ветровые электростанции рентабельны именно в тех регионах, где скорость ветра равна до 6,5 м/сек.

Это подходит для местностей, где дорогостоящие, невозможны или невыгодны другие источники энергии и топлива. По самым оптимистическим прогнозам отраслевых ученых, что до 2050 года 1/3 потребностей нашей планеты в электроэнергии будет обеспечиваться с помощью ветра, при современном темпе стабильного развития ветровой энергии.

Принцип работы

Как уже говорилось, ВЭС имеют роторную или крыльчатую конструкцию. Роторные станции, как правило, имеют устройства с вертикальной осью вращения. Они во многом удобнее, чем крыльчатые, так как не издают при работе сильный шум и не требовательны к установке по направлению ветра. При этом, роторные конструкции менее эффективны и могут использоваться на небольших частных станциях.

Крыльчатые устройства способны выдавать максимальный эффект. Они используют получаемую энергию намного эффективнее, чем роторные образцы, но нуждаются в правильном ориентировании по отношению к потоку, что означает присутствие дополнительных приспособлений или оборудования.

Все виды действуют по одному принципу — поток ветра раскручивает подвижную часть, которая передает вращение на генератор, вследствие чего в системе образуется электроток. Он заряжает аккумуляторы, от которых питаются инверторы, преобразующие полученный ток в стандартное напряжение и частоту, подходящие для приборов потребления.

Для обеспечения большого числа потребителей отдельные ветрогенераторы соединяются в систему, образуя станции — ВЭС.

Сферы использования

Энергия ветра применяется не только в производстве электричества (хотя в Южной Корее и Китае удается выжимать уже до 7,9 ГВт/год с одной установки, питая тем самым небольшие заводы, а в Северной Европе и США на ветре работают многие фермы). Кое-где сила воздушных масс все еще заставляет крутиться жернова мельниц. А еще ветер используют в своих исследовательских целях метеорологи – он указывает им направления глобальных воздушных потоков.

И снова об электричестве. В 3-м тысячелетии ураганы учатся использовать в качестве альтернативного (обычному ветру) источника электроэнергии. Поток с силой 30 м/сек (самый медленный ураган) несет в себе полтора тераватта кинетической энергии. Уже ведутся исследования, которые позволят «оседлать» эту мимолетную пока еще безудержную силу…

Преимущества и недостатки ветряных электростанций

К преимуществам ВЭС можно отнести:

• независимость от ископаемых ресурсов;
• используется абсолютно бесплатный источник энергии;
• экологическая чистота методики — никакого вреда окружающей природе не наносится.

При этом, есть и недостатки:

• неравномерность ветра создает определенные трудности в выработке энергии и вынуждает использовать большое число; аккумуляторных батарей;
• ветряки издают шум при работе;
• КПД ветряных электростанций низок, увеличить его очень сложно;
• стоимость оборудования и, соответственно, электроэнергии, намного выше, чем цена сетевого электричества;
• окупаемость оборудования с ростом его мощности значительно снижается. Наиболее производительные станции полностью не окупаются.

Использование небольших станций способно обеспечить энергией ограниченное количество потребителей, поэтому для крупных населенных пунктов или регионов требуются большие устройства. При этом, ветряки большой мощности нуждаются в соответствующих потоках ветра и равномерности его движения, что для условий нашей страны не характерно. В этом кроется основная причина низкого распространения ветряков по сравнению с европейскими странами.

Востребованность

Сегодня энергия ветра используется человеком всё активнее.

По состоянию на 2015 год ветроэнергетика занимает в общем энергобалансе:

• Дании – 42%;
• Португалии – 27%;
• Испании – 20%;
• Германии – 8,6%.

Перечисленные страны являются лидерами по получению электроэнергии из ветра. К данному списку стремятся примкнуть Индия, США, Китай.

Ведущие государства мира строят планы по увеличению количества ветропарков. В Китае и некоторых странах ЕС принимаются законы об использовании возобновляемых источников энергии и повышении мощностей. Всё это способствует развитию ветроэнергетики.

Экономическое обоснование строительства ВЭС

С точки зрения экономики, строительство ВЭС имеет смысл только при отсутствии других способов энергообеспечения. Оборудование стоит очень дорого, обслуживание и ремонт требуют постоянных расходов, а срок службы ограничен 20 годами, и это в условиях Европы. Для России этот срок можно снизить не менее, чем на треть. Поэтому использование ВЭС экономически малоэффективно.

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

Важно! Речь идет именно о крупных станциях, снабжающих целые регионы. Ситуация с бытовыми или частными станциями выглядит более привлекательно.

Глобальное распределение ветра

Чтобы правильно рассчитать место установки ветровой электростанции нужно учитывать много факторов. Регионам с высоким потенциалом считаются места, где средняя скорость ветра около 9 м/с. К таким местам относят Латинская Америка, Гренландия, западная и северная части Европы, Центральная часть Азии, Центральная часть Северной Америки.

Оценка ветровых ресурсов сложный процесс. Основные факторы, на которые обращают внимание:

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

Большая часть суши не приспособлена для расположения таких станций. Стартовая скорость для выработки электроэнергии — это 4 м/с. Оптимальная скорость — около 10 м/с.

Мощности промышленных станций

Промышленные ВЭС имеют весьма высокую мощность, способную обеспечивать крупные населенные пункты или регионы. Например, ВЭС «Ганьсу» в Китае имеет 7965 мВт, «Энеркон Е-126» выдает 7,58 мВт, и это еще не предел.

Следует сразу же оговориться, что речь идет о лидерах в ветроэнергетике, другие модели вырабатывают намного меньше энергии. Тем не менее, объединенные в крупные станции, ветряки способны на производство вполне достаточного количества электроэнергии. Объединенные комплексы вырабатывают суммарную мощность в 400-500 мВт, что вполне может сравниться с производительностью ГЭС.

Мелкие станции имеют более скромные показатели и могут рассматриваться только как точечные источники, питающие ограниченное число потребителей.

Преимущества ветроэлектростанций

• Ветер — возобновляемый и практически неисчерпаемый источник энергии.
• Ветроэлектростанции не производят угарного газа (СО), углекислоты (С02) и окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других вредных отходов.
• Построенную крупную ветряную турбину сравнительно легко и дешево обслуживать.
• Ветроэлектростанции способны снизить зависимость от природного топлива, гидроресурсов и атомных реакторов для производства электричества.
• Крупные ветряные турбины можно широко расположить на местности. Это позволяет разнести источники электроэнергии по регионам и помочь созданию нечувствительной к сбоям системы электроснабжения (защищенной от катастрофических сбоев и терактов).
• Ветроэнергетика может использоваться как дополнительный источник энергии наряду с иными способами производства электричества. Это диверсифицирует систему электроснабжения страны.
• Крупные ветряные турбины можно размещать на офшорных платформах — на крупных озерах, в океане, так же как и на земле.
• Даже самые крупные ветряные турбины занимают мало места, ив местах их расположения можно осуществлять другую деятельность — заниматься сельским хозяйством или скотоводством, например.

География применения

Наибольшее распространение ветроэнергетика получила на западном побережье Атлантики, в частности, в Германии. Там имеются наилучшие условия — ровные и сильные ветра, оптимальные климатические показатели. Но основной причиной широкого распространения ВЭС именно в этом регионе стало отсутствие возможностей для строительства гидроэлектростанций, вынудившее правительства стран этого региона использовать доступные методы получения электроэнергии. При этом, имеются установки и в балтийском регионе, в Дании, Голландии.

Россия пока отстает в этом вопросе, за прошедшее десятилетие в эксплуатацию сдан едва ли десяток ВЭС. Причина такого отставания кроется в большом развитии гидроэнергетики и отсутствии должных условий для эксплуатации промышленных ветроэнергетических станций. Тем не менее, отмечается рост производства небольших установок, способных обеспечивать энергией отдельные усадьбы.

Перспективы развития

Если учитывать, что сейчас идет фокусировка на природных экологических методах извлечения энергии, то ветроэнергетику в ближайшие годы ждет положительная перспектива развития. Все время идет разработка новых и усовершенствование старых моделей ветряков. Одна из последних разработок, это парящие генераторы, которые могут использовать максимальную силу ветра.

Все больше стран в мире уделяет ветряной энергии внимание и начинает строительство своих ветряков на подходящих территориях. Энергия ветра считается одной из перспективных альтернативных отраслей энергетики.

Чаще пользуется спросом частные ветряные генераторы, которые могут обеспечить частично или полностью дом энергией. Традиционные источники энергии могут в скором времени закончатся, а также приносят непоправимый вред экологии. Многие считаю, что за ветроэнергетикой, как и за альтернативными экологичными способами добычи энергии, стоит будущее.

Факты и заблуждения

Малое распространение ветроэнергетических установок и отсутствие опыта общения с ними породили массу заблуждений относительно свойств и воздействия ВЭС на организм человека. Так, широко распространено мнение о необычайно высоком уровне шума, производимого работающим ветрогенератором. Действительно, определенный шум имеется, но его уровень гораздо ниже, чем принято считать. Так, шум от промышленных моделей на расстоянии 200-300 м воспринимается на слух так же, как звук от работающего бытового холодильника.

Другая проблема, которую необоснованно раздувают несведущие люди — создание непреодолимых помех радио и телевизионным сигналам. Этот вопрос был решен раньше, чем о нем узнали пользователи — каждый мощный промышленный ветряк снабжен качественным фильтром радиопомех, способным полностью исключить влияние устройства на эфир.

Люди, живущие поблизости от турбин, будут постоянно находиться в зоне мерцания тени. Это термин, обозначающий некомфортное ощущение от мигающих световых проявлений. Вращающиеся лопасти создают такой эффект, но его значение сильно преувеличено. Даже самые чувствительные люди всегда могут попросту отвернуться от турбины, если случилось оказаться поблизости от нее.

Существуют и другие, надуманные и вполне реально существующие факты, касающиеся работы ВЭС, их воздействия на организм человека и окружающую природу. Част из них является обычными слухами, другая часть настолько преувеличена, что не заслуживает даже обсуждения. Ветроэнергетика — полноценная отрасль, способная решать вопросы энергообеспечения как в солидных масштабах, так и в пределах маленького дачного домика.

Плюсы и минусы ветроэнергетики

Офшорные ветроустановки

Очевидным плюсом ветроэнергетики является фактическая бесконечность ресурсов: пока на планете имеется атмосфера и светит Солнце, будет и движение воздушных масс, которое можно использовать для получения энергии.

Еще один несомненный плюс: экологичность. Ветряные электростанции не выделяют никаких вредных веществ, не загрязняют окружающую среду. К сожалению, их все же нельзя назвать полностью экологически безопасными, так как ветроэнергетическая установка довольно шумная, и поэтому в Европе законодательно установлен предельный уровень шума для дневного и ночного времени, который ветряные электростанции не должны превышать. Кроме того, работу ветряных электростанций приходится останавливать во время сезонного перелета птиц (на данный случай в Европе также имеется законодательное ограничение). В России подобных ограничений нет, но ветряные электростанции не располагаются поблизости от жилых домов – исходя из удобства населения.

Наряду с таким плюсом, как неисчерпаемость энергетического источника, идет и минус: эффективность работы ветряной электростанции зависит от времени года, времени суток, погодных условий и географического положения. К сожалению, скорость ветра изменяется в зависимости от всех этих параметров, а так как энергия ветра является кинетической, то она напрямую связана со скоростью (Е = m×v2/2) – чем выше скорость, тем, соответственно, больше энергии вырабатывает ветроустановка. Поэтому ветряные электростанции приходится использовать обычно вместе с другими источниками энергии, а также пользоваться аккумуляторами, которые принимали бы избыток энергии в ветреные дни и отдавали бы во время штиля.

К плюсам ветряных электростанций можно отнести и быстроту возведения ветроустановки: даже для промышленной установки требуется не более двух недель, учитывая время, затраченное на подготовку площадки, ну а бытовой ветро-генератор, пригодный для снабжения энергией частного дома или коттеджа, устанавливается за считанные часы.

Иногда к минусам ветряных электростанций относят довольно большую площадь, которую занимают ветроустановки (электростанция может содержать сто и более ветроэнергетических установок). Однако, наряду с наземными ветряными электростанциями, сейчас устанавливаются и прибрежные (их существенным плюсом является стабильность работы – за счет морских бризов), шельфовые (находятся в море на значительном удалении от берега (10-60 км), не занимают земельные участки, весьма эффективны, так как морские ветры регулярны и обладают значительной скоростью).

Частные ветряные электростанции

Для России наиболее актуальным вопросом является распространение именно небольших станций, обеспечивающих один дом или усадьбу. Строительство крупных ВЭС в климатических условиях нашей страны нецелесообразно и нерентабельно. Самая большая ценность ветрогенераторов кроется в создании возможности обеспечить энергией отсталые или отдаленные населенные пункты, где нет сетевого подключения.

Для таких районов применение небольших частных станций является оптимальным способом решения вопроса, так как работа ветряка не требует обеспечения топливом, устройство несложно и свободно поддается ремонту. Обеспечить такие регионы дополнительным оборудованием намного проще и дешевле, чем выделять большие средства на проведение линии электропередач, особенно, если речь идет о гористой местности. Небольшие ветряки способны вырабатывать достаточное количество энергии, не нуждаясь в расходах на содержание или топливо, что делает их весьма перспективными и привлекательными вариантами решения проблемы.

Ложные теории

Самые распространенные мифы про ветроэнергетику:

1. Ветряки убивают птиц. Сложно отрицать, что птицы иногда врезаются в лопасти или мачту ветрогенератора и погибают. Но не меньше птиц погибает от электропроводов. По статистики больше всего умирает птиц из-за нападения кошек.
2. Самый распространенная ложная теория — это то, что шум от ветряного генератора может негативно сказаться на здоровье человека, в том числе дать осложнения на органы слуха.
3. Не экологичный источник, так как рост количества ВЭС увеличивает выброс углекислого газа. Да, но в сравнение с угольными или газовыми электростанциями этот показатель в 50 раз меньше.
4. Безработица. Ходит мнение, что получение энергии таким способом сократит рабочие места, однако этот миф легко развеять. В любом развивающемся секторе не может возникнуть безработица, так как ветроэнергетика всегда нуждается в новых кадрах — исследователи, разработчики.

Ложные теории появляются из-за незнания тема, однако все их легко опровергнуть, что было сделано многократно.

Обзор цен на популярные модели

Стоимость ветрогенераторов высока. Этот момент является самым труднопреодолимым для распространения ветроэнергетических технологий. Многие владельцы домов с удовольствием установили бы у себя на участке ветряки, но не имеют средств на их приобретение. Установка, способная обеспечить освещение участка, стоит около 100 тыс руб.

Более мощная конструкция, позволяющая снабдить электроэнергией коттедж, обойдется в 250 тыс.

ВЭС, способная обеспечить небольшое фермерское хозяйство, стоит около 500 тыс. руб. И это еще не предел. При таких ценах ожидать быстрого распространения ветрогенераторов не приходится, поэтому вся надежда на появление отечественных моделей, способных решить вопрос дороговизны оборудования. Как вариант, можно купить относительно недорогую китайскую модель. Такие устройства не поддаются ремонту, являясь, по сути, одноразовыми, но их цена намного ниже, чем стоимость аналогичных по мощности западных образцов.

Основные виды ветрогенераторов

В первую очередь, ветрогенераторы принято разделять на вертикальные и горизонтальные. Эти группы называются так из-за расположения оси вращения крыльчатки. Горизонтальные конструкции напоминают пропеллер или вентилятор, а вертикальные по своему строению близки к карусели. Такое разделение условно, в настоящее время имеются конструкции, сочетающие в себе элементы и той, и другой группы. Есть также отдельные устройства, которые не могут быть причислены к этим категориям.

Срок окупаемости и расчет экономии

Для вашей индивидуальной ветровой установки этот срок – НИКОГДА.

Стоимость ветряка, мачты и доп.оборудования для 2-х киловаттных качественных моделей будет доходить в среднем до 200 тыс. рублей. Производительность таких установок – от 100 до 200квт в месяц, не более. И это при хороших погодных условиях.

Даже осадки снижают мощность ветряков. Дождь на 20%, снег – на 30%.

Вот и получается вся ваша экономия – это 500 рублей. За 12 месяцев непрерывной работы, набежит уже чуть больше – 6 тысяч.

Но если вспомнить начальные траты в 200тыс., то вернете вы их через тридцать два года!

И все это без учета эксплуатационных затрат. А если прикинуть, что средний срок службы хорошего ветряка – около 20лет, то получается, что он окончательно и безвозвратно поломается еще до того, как выйдет на окупаемость.

При этом, 2-х киловаттный агрегат не будет закрывать на 100% ваши потребности. Максимум на треть! Если захотите целиком все подключить от него, то берите 10-ти киловаттную модель, не меньше. Срок окупаемости от этого не изменится.

Но тут уже будут совсем другие габариты и масса.

И закрепить его просто так на трубе через чердак своей крыши, точно не получится.

Однако некоторые все равно убеждены, что из-за бесконечного подорожания электроэнергии, ветрогенератор в один прекрасный момент, по любому станет выгоден.