Защитная оболочка ветровых турбин Altek EW выполнена из алюминиевого сплава, что делает конструкцию значительно легче и более удобной для транспортировки и установки. В дополнение, функциональные металлические компоненты генератора покрыты кремнием, что существенно повышает их термостойкость и долговечность в условиях высоких температур.
Гигантские ветряки — самые большие ветрогенераторы в мире: GE Haliade-X, Enercon, Siemens, MySE
Ветряные турбины, также известные как ветрогенераторы, представляют собой ветроэнергетические установки (сокращенно ветрогенераторы), предназначенные для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения ротора, что, в свою очередь, позволяет преобразовывать это вращение в электроэнергию. Это основной принцип работы таких установок.
Обычно промышленные ветрогенераторы устанавливаются либо на государственном уровне, либо крупными энергетическими компаниями, так как затраты на сам ветрогенератор и необходимые для его эксплуатации инфраструктуру достаточно высоки. Чтобы обеспечить максимальную мощность выработки электроэнергии, ветряные турбины часто объединяют в сети — такие объединения ветряных турбин называются ветряными электростанциями. В последние десятилетия количество таких станций по всему миру неизмеримо растет.
Стандартная ветряная турбина обычно состоит из мачты, ротора с лопастями, ветрогенератора и электрического генератора. Тем не менее, различные производители могут использовать разные строительные материалы и индивидуальные компоненты для создания своих уникальных ветряных установок.
Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов
Одной из серьезных проблем, стоящих перед эксплуатацией промышленных ветряных турбин, является обмерзание лопастей генератора в условиях отрицательных температур. Сильное обмерзание может значительно увеличивать вес лопастей, что приводит к снижению их эффективности и увеличению нагрузки на ротор ветряной турбины. Это может негативно сказаться на ее производительности и долговечности.
Второй важной проблемой является шум и вибрация, возникающие в процессе работы ветряных турбин. В непосредственной близости от промышленных ветряков уровень шума может превышать 100 дБ. В таких странах, как Великобритания, Германия, Нидерланды и Дания, были приняты специальные законы, которые ограничивают допустимый уровень шума от ветряных турбин до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Законы этих стран также устанавливают минимальное расстояние от промышленных ветряных турбин до жилых зданий, которое должно составлять не менее 300 метров.
Самые большие ветряки в мире
Огромные ветряные турбины можно классифицировать как по их размерам, так и по вырабатываемой мощности, так как больший размер не обязательно означает большую мощность.
Ветрогенератор Enercon E-126 — диаметр лопастей 126 м
Высота башни данной гигантской ветряной турбины Enercon E-126 составляет 135 метров, а диаметр лопастей достигает 126 метров, что дает общую высоту почти 200 метров над уровнем земли.
При оптимальных условиях ветра эта промышленная ветровая установка способна генерировать до 7,58 мегаватт электроэнергии. Первая ветряная турбина такого типа была установлена в Германии в 2007 году. Стоимость Enercon E-126 составляет около 14 миллионов долларов, не включая затраты на транспортировку, установку и тестирование.
Ветрогенератор Siemens SWT-6.0 — диаметр лопастей 154 метров
Огромная ветровая турбина Siemens SWT-6.0-154 может генерировать максимальную мощность в 6 МВт при идеальных погодных условиях со скоростью ветра от 13 до 15 м/с.
На данный момент Siemens выпустил обновленную версию этой ветряной турбины, сохранившую тот же диаметр лопастей — 154 метра, но с увеличенной мощностью на 1 мегаватт. Стоит отметить, что лопасти такой ветряной турбины вращаются со скоростью всего 5-11 оборотов в минуту при благоприятных ветровых условиях.
Ветрогенератор LM 88.4 P — диаметр лопастей 180 метров
Гигантская ветряная турбина LM 88.4 P была разработана в Нидерландах в последние несколько лет и может производить до 8 мегаватт электроэнергии в оптимальных условиях.
Срок службы лопастей этой ветряной установки составляет 25 лет, что означает, что она может обеспечить электроэнергией более 10 000 частных домов в течение почти четверти века. Лопасти были транспортированы с помощью специальных кораблей и плавучих кранов, используемых для установки морских ветровых турбин в прибрежных водах.
При разработке LM 88.4 P компания LM Wind Power использовала опыт производителя ветровых турбин Adven — на LM 88.4 P установлена Adven AD8-180, одна из самых больших ветряных турбин в мире.
Ветрогенератор Haliade-X — диаметр лопастей 220 метров
Теперь поговорим о Haliade-X 12 МВт, самой большой ветряной турбине на планете, анонсированной в 2018 году американской корпорацией General Electric для британского проекта Offshore Renewable Energy (ORE) Catapult.
В Соединенных Штатах компания General Electric начала строительство ряда крупнейших в мире ветряных турбин для своих клиентов в Великобритании. Двадцать четыре из них способны вырабатывать до 288 мегаватт электроэнергии в день при оптимальной скорости ветра.
Целесообразность установки
Эксперты рекомендуют устанавливать ветряные турбины в регионах, где средняя скорость ветра превышает 8 м/с. Лопасти крупных генераторов начинают вращаться при скорости ветра 4 м/с, а максимальная эффективность достигается при 12 м/с. Мощность 3-лопастной горизонтально-осевой ветровой турбины можно рассчитать по следующей формуле:
- P — расчетная мощность, кВт,
- r — расстояние от центра ротора до кончика лопасти, m;
- v — средняя скорость ветра, м/с;
- ¶=3,14.
К примеру, если расстояние между центром ротора и кончиком лопасти составляет 6 метров, а скорость ветра — 9 м/с, то расчетная мощность будет примерно 49,5 кВт.
Большинство промышленных электростанций располагаются на обширных площадях в долинах или пустынных зонах, где ветер дует большую часть времени. При этом строятся ветряные «парки», которые также могут располагаться на берегах моря, используя силу морского ветра.
Грандиозные проекты
Одним из наиболее амбициозных проектов в области ветроэнергетики является создание ветряной турбины Enercon E-126, представляющей собой крылатый генератор с горизонтальной осью вращения и тремя лопастями. На данный момент Enercon считается самой большой и мощной ветряной турбиной в мире.
Крупнейшая в мире промышленная ветровая турбина Enercon E-126 имеет длину одной лопасти 63 метра, диаметр окружности, созданной лопастями, составляет 127 метров, высота основания — 135 метров, а вес конструкции — около 6 000 тонн. Максимальная мощность этой установки достигает 7,58 МВт.
Эта технологическая новинка была установлена недалеко от немецкого города Эмден в 2007 году. Лопасти ветряной турбины работают со скоростью 5-11,7 оборотов в минуту, а минимальная скорость ветра для их вращения составляет 3 м/с.
Компания Vestas представила аналогичную ветряную турбину V164-8.0 МВт, мощность которой достигает 8 МВт. Высота её мачты равна 140 м, а длина одной лопасти составляет 80 м.
В Японии был построен большой плавучий ветряк после катастрофы на Фукусиме. Высота этой мачты составляет примерно 105 метров, а мощность — 7 МВт.
Ветряная электростанция San Gorgonio Pass в Калифорнии состоит из 3 218 ветряных турбин, которые вместе производят 615 МВт электроэнергии.
Ветряная электростанция Maple Ridge, расположенная в штате Нью-Йорк, является крупнейшей ветряной электростанцией в этом регионе. Она была введена в эксплуатацию в 2006 году и обеспечивает 75% потребностей Нью-Йорка в электроэнергии.
Ветряная электростанция Линн и Даусинг, расположенная в Линкольншире, Великобритания, работает с 2008 года и обеспечивает электроэнергией около 130 000 домохозяйств.
Ветропарк на острове Роза в Антарктиде имеет установленную мощность 999 кВт (3 ветряные турбины по 333 кВт каждая), а также на холме Кратер планируется строить ветропарк для обеспечения электроэнергией исследовательских станций Скотт (Новая Зеландия) и Мак-Мердо (США). Ветряные турбины обеспечивают 11% потребностей этих научных учреждений в электроэнергии.
В местности российского арктического поселка Амдерма установлены 4 ветряные турбины, которые в состоянии вырабатывать до 677,2 МВт, что составляет 38,6% потребляемой жителями энергии. При этом стоимость 1 кВт энергии ветра составляет около 20 рублей, что значительно меньше, чем 65,51 рубля, которые жители Амдермы платят за электричество, произведенное дизельным генератором. Это объясняется во-первых высокой ценой на дизельное топливо, а во-вторых его негативным воздействием на экологическую обстановку. Ветряные генераторы предлагают более дешевый и экологически чистый способ производства энергии. Некоторые мастера из Скандинавии изготавливают ветряные турбины собственными руками.
Популярные производители
На российском энергетическом рынке активно представлены как отечественные, так и импортные промышленные ветряные турбины. Ниже перечислены наиболее известные компании-производители ветряных турбин:
- «Algatec Solar» — это российский филиал известной немецкой компании «Algabel Solar», занимающейся производством ветрогенераторов и солнечных батарей.
- «ALTAL GRUP» — российская фирма, специализирующаяся на производстве ветряков и тепловых насосов, способных работать в разных климатических условиях, включая районы крайнего севера.
- «Vestas» (реализует продукцию через официальных дилеров) – самая старая немецкая компания по производству ветрогенераторов, основана в 1898 году как кузнечная мастерская и с 1979 года занимается изготовлением ветровых установок.
- «EDS Group» — компания, занимающаяся производством и продажей оборудования для энергетики.
- «ЭнерджиВинд» — отечественная компания, предлагающая недорогие ветряки хорошего качества. Ветровой генератор мощностью 1 кВт стоит около 54 000 рублей.
- «Махаон» — российский производитель малошумных ветряков с вертикальной осью вращения.
- «ГРЦ-Вертикаль» — производитель альтернативных устройств генерации энергии, находящийся в Миассе, Россия. Эта компания предлагает множество модификаций ветряков мощностью от 0,1 до 30 кВт.
- «СКБ Искра» — производитель ветряков различных конструкций с ценами установок до 400 000 рублей.
- «Сапсан-Энергия» — московская компания, занимающаяся разработкой и производством установок, генерирующих электричество с использованием экологически чистых источников.
- «Ветро Свет» — компания из Санкт-Петербурга, производящая ветрогенераторы мощностью до 2 кВт.
Некоторые природные явления могут стать превосходными источниками альтернативной электроэнергии. Ветряные турбины представляют собой довольно практичное решение и не имеют сложностей в строительстве даже в домашних условиях. В этой статье будет представлена информация о том, как самостоятельно построить ветряную турбину для домашнего использования и какие материалы и инструменты для этого понадобятся.
В наиболее простом выражении принцип работы ветряной турбины можно представить следующим образом — ветер вращает лопасти, которые, в свою очередь, приводят в действие генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую.
Зеленая энергия является одним из главных трендов будущего. Генерация электроэнергии из возобновляемых источников не только полезна для окружающей среды, но и для людей. Установка ветряной турбины может стать одним из способов достижения этих целей. Однако часто установка ветряной турбины может оказаться недостаточной для обеспечения долговременной генерации энергии. Обычные электросети в большинстве случаев рассчитаны на 220 В переменного тока, и ветряные турбины не могут стабильного производить такие объемы электроэнергии. Для достижения нужных характеристик тока необходим инвертор, который преобразовывает волны в требуемый формат.
Задайте свой вопрос или оставьте комментарий
Наша компания «Ghrepower», расположенная в Шанхае, Китай, является производителем ветряных турбин мощностью от 5 кВт до 100 кВт. Мы занимаемся производством ветряных турбин малой мощности уже 40 лет и достигли лидирующих позиций в мировой отрасли ветряных установок малого и среднего масштаба.
Миф 2: Ветер — не слишком экологичный источник энергии
На самом деле, энергия ветра значительно снижает выбросы углекислого газа в энергетическом секторе. Например, в Великобритании ожидается снижение выбросов CO₂ на 15 миллионов тонн в год к 2020 году благодаря переходу на альтернативные источники энергии — ветровую, солнечную и гидроэнергию. Чем больше традиционные электростанции будут заменены на «зеленые», тем больше снизятся выбросы углекислого газа в Европе: ожидается, что к 2030 году этот показатель может достигнуть 265 миллионов тонн.
Так, хотя ветряные электростанции могут косвенно вызывать выбросы CO₂, их величина составляет всего 11 г/кВтч. Для сравнения, аналогичный показатель для газовых электростанций составляет 490 г/кВтч, а для угольных станций — 820 г/кВтч.
Еще одна распространенная критика в адрес ветроэнергетики касается использования редкоземельных металлов, таких как неодим, в конструкции ветряных турбин. Частично это правда — чтобы обеспечить высочайшую эффективность, в электродвигателях часто используются постоянные магниты с содержащими неоидм. Однако необходимо подчеркнуть, что редкоземельные металлы применяются во многих повседневных предметах и материалах, например, в мобильных телефонах, ноутбуках, автомобилях и самолетах, и это в значительно больших масштабах, чем в промышленных ветряках.
Миф 3: Ветряная энергия не создаёт рабочих мест
По прогнозам, к 2030 году в секторе возобновляемой энергетики будет занято около 24 миллионов человек. В 2017 году в этом секторе уже трудились около 8,8 миллиона человек, что позволит сделать ветроэнергию и возобновляемые источники энергии в целом одним из двигателей мировой экономики. В Европе к 2030 году ожидается создание 90 000 новых рабочих мест.
Параллельно стоит отметить, что за последние годы наблюдается падение цен на нефть, что приведет к сокращению рабочих мест в нефтяной отрасли. Например, в 2015 году снижение стоимости ископаемого топлива лишило работы 250 000 человек.
Также применение автоматизации в энергетическом секторе уменьшает численность работников. В 2018 и 2019 годах General Electric и Siemens уволили несколько тысяч сотрудников из-за перехода на автоматизированные процессы.
Миф 4: Ветряные электростанции — это дорого
На самом деле стоимость строительства ветряных электростанций по сравнению с традиционными электростанциями уступает, и стоимость получения энергии от ветра продолжает снижаться по мере поступления новых ветровых установок. По данным Bloomberg, за последние 10 лет стоимость строительства и эксплуатации ветряных электростанций во всем мире снизилась на 38%.
Согласно данным российского правительства, за период с 2015 по 2017 годы стоимость строительства ветровых электростанций снизилась на 33,6%. В июне 2019 года министр энергетики России, Александр Новак, заявил, что стоимость строительства ветряных станций совпадает с затратами на газотурбинные теплоэлектростанции, если учитывать стоимость на выработку одного кВт/ч.
Согласно отчету Coface за 2018 год, ветряная энергетика демонстрирует бурный рост благодаря неуклонному снижению цен на ветряные турбины. Также стоит отметить, что процесс строительства ветровых станций происходит быстрее, чем традиционных электростанций.
На российском рынке, предлаганые тем как надежное и сравнительно недорогое оборудование отечественных марок, также представлено множество моделей от международных производителей. Чтобы отобрать оптимальную турбину для своего дома, следует сравнить характеристики различных установок.
№1 — ветрогенераторы Condor Home (Россия)
В ассортименте ветрогенераторов для бытового использования присутствуют установки мощностью от 0,5 до 5 кВт. Они могут быть использованы как основной, так и вспомогательный источник электроэнергии. Установки Condor подходят для эксплуатации в условиях низких температур и способны генерировать электроэнергию даже при слабом ветре.
Корпус генератора может быть выполнен из пластика или литого алюминия, а лопасти изготовлены из стекловолокна. Установлено эффективное двойное торможение. Высота мачты составляет от 8 до 12 метров, и для их установки требуется заливка фундамента из бетона или установка на сваи.
Ветряные турбины Condor Home — это решения «под ключ», которые не требуют специальных навыков или знаний для установки. Эти установки предназначены для электрификации односемейных домов, а также могут быть частью небольших муниципальных ветряных электростанций.
В базовую комплектацию входят мачта, спицы, генератор, ротор и лопасти, контроллер заряда и комплект монтажных компонентов.
№2 — мини-электростанции Falcon Euro (Россия)
Это высокотехнологичные вертикально-осевые ветряные турбины мощностью от 1 до 15 кВт, которые действительно отлично подходят для автономного питания потребителей, находящихся вдали от линий электропередач. Их также можно интегрировать в комплекс с солнечными батареями и топливными генераторами.
Ветряные турбины Falcon Euro оборудованы мощными неодимовыми магнитами. Они начинают работать при скорости ветра от 1,5 м/с и достигают номинальной скорости при 11 м/с. Встроенная система аэродинамического тормоза служит для ограничения скорости вращения колеса. Заявленный производителем срок службы составляет 20 лет, а заводская гарантия на мини-электростанции — 36 месяцев.
Ветряные турбины Falcon Euro отличает надежность в эксплуатации и простота в обслуживании. Данная серия прибора позволит легко решить проблему электроснабжения удаленных объектов и островных установок.
Базовая комплектация для установки Falcon Euro включает такие элементы, как: ветряная турбина, генератор и система управления, мачту, а также интегрированные компоненты. Инверторы и аккумуляторы выбираются отдельно в зависимости от потребностей пользователя.
№3 — ветряные агрегаты Sokol Air Vertical (Россия)
Небольшие ветряные турбины под маркой Sokol Air Vertical могут обеспечить электроэнергией небольшие загородные дома и средние предприятия. Эти устройства доступны для бытового использования и имеют мощность от 0,5 до 15 кВт.
Ветряные генераторы Sokol Air Vertical характеризуются высокой эффективностью даже при слабом ветре и способны функционировать в широком диапазоне температур от -50°C до +50°C. Эти установки отличаются низким уровнем шума и высокой устойчивостью к внешним воздействиям.
Генерация электроэнергии с использованием Sokol Air Vertical не зависит от направления ветра. Агрегаты с вертикальной осью работают автоматически, не требуя вмешательства со стороны человека. Конструкция включает электромагнитную и аэродинамическую тормозные системы для ограничения вращения ветряной турбины.
Основные разновидности ветряных мельниц для электричества
На сегодняшний день наиболее распространенными являются высокоскоростные ветряные турбины с горизонтальной осью вращения и тремя лопастями.
Наиболее популярные высокоскоростные ветряные турбины обычно имеют 2, 3 или иногда 1 лопасть, оснащенную противовесом. Под влиянием сильных ветров такие генераторы вращаются очень быстро, а соответственно работают довольно шумно, особенно для однолопастных устройств. Проблема шума особенно актуальна; даже если она может показаться незначительной, ею следует серьезно озаботиться.
Пользователи сообщают о громе и треске: начиная с 5-6 м/с ветер свистит в ушах и заглушает окружающие звуки. При мощности выше 1 кВт контроллер начинает замедлять работу оборудования, из-за чего звук становится не только урчанием, но и гулом.
Этот опыт основан на реальных отзывах пользователей. Череда описаний различных высокоскоростных ветряных турбин указывает на то, что их скорость вращения (при скорости ветра 10 м/с) может достигать 400 об/мин. Чтобы решить проблему, не рекомендуется устанавливать ветряные турбины непосредственно рядом с жилыми домами. Рассмотрите возможность установки медленно работающих агрегатов, однако следует учитывать реакцию соседей на шум.
Из-за своих аэродинамических свойств, такие конструкции не достигают высоких скоростей даже при сильном ветре. Кроме того, диаметр лопасти медленно работающей ветряной турбины всегда меньше, чем у высокоскоростной при аналогичных мощностях, что облегчает как установку, так и эксплуатацию подобных устройств.
Горизонтальный тихоходный ветряк
Низкоскоростной горизонтальный ветряк, как правило, имеет более трех лопастей и значение скорости (Z) Z ≤ 5, где Z является соотношением окружной скорости лопастей ветряка к скорости движения ветра.
| Количество лопастей | эффективность, Z. |
| 1 | 9 |
| 2 | 7 |
| 3 | 5 |
| 6 | 3 |
| 12 | 1.2 |
Дополнительным преимуществом настройки низкоскоростного ветряка является его низкая скорость отсоединения. Высокий крутящий момент, производимый от лопастей к рабочему винту генератора, позволяет турбине запускаться даже при умеренном ветре. Это становится возможным благодаря большой площади поверхности лопастей, по сравнению с высокоскоростными ветряными лодочными турбинами.
На фоне работы тихоходного генератора образуется воздушная подушка, так как ветер не может полностью пройти через лопасти. Эта специфическая характеристика негативно сказывается на производительности установки, что и выявляет основные недостатки таких устройств.
Среди основных недостатков низкоскоростной ветряной турбины можно выделить относительно низкое значение NPSR и большую парусность, что может быть проблематичным в условиях штормового ветра. Тем не менее, низкоскоростные ветрогенераторы часто используются в сочетании с генераторами большего диаметра, а некоторые из них даже идут с дополнительными мультипликаторами, которые помогают запускать и поворачивать систему привода. Эти улучшения одновременно увеличивают линейные скорости ротора и «извлекают» больше мощности при низких скоростях, что повышает общую стоимость установки.
Как устроена ветровая электростанция
Современные ветряные электростанции, как правило, имеют 3 лопасти, длина которых может достигать 55 метров.
Чтобы разобраться, как функционирует ветряная электростанция, стоит знать об её основных компонентах:
- Ветрогенератор. Его основная задача — преобразование энергии ветра в электрическую. Состоит из ротора и генератора переменного тока.
- Контроллер. Преобразует переменный ток в постоянный и регулирует скорости ветрогенератора для обеспечения его эффективной работы.
- Аккумуляторы. Служат для накопления энергии, генерируемой ветряком во время его работы.
- Инвертор. Преобразует постоянный ток в стандартный для бытовых нужд, который поступает в дом.
Особенности бытовых ветрогенераторов
Поскольку энергия ветра является неисчерпаемым источником, многие люди подумывают об установке ветрогенератора в своем собственном доме. Ранее эти устройства в основном использовались для промышленных нужд, но с развитием фабричных технологий появились модели и для частного использования.
Бытовые ветряные турбины чаще всего используются в местах, где отсутствует центральное электроснабжение. Современные установки, состоящие из 3-5 генераторов, могут полностью удовлетворить потребности в электроэнергии среднестатистического жилого дома. Тем не менее перед покупкой ветрогенератора необходимо выяснить, на каких условиях он будет работать в конкретной местности.
Важно! В настоящее время на рынке также можно встретить ветро-дизельные электростанции (ВДЭС), которые представляют собой комбинацию ветряных турбин и дизельного генератора. Они могут производить не только электричество, но и тепло, что обеспечивает бесперебойное энергоснабжение жилья.
Мощности промышленных станций
Ветроэнергетика, как отрасль, основана на использовании мощных ветряных турбин для генерации электроэнергии, которые способны обеспечивать значительные объемы производства. Конструкция всех ветряных турбин имеет общие элементы:
- опорная башня или мачта;
- гандола;
- генератор.
Ветростанции могут достигать высоты до 190 метров и весить до 6000 тонн. Примером одной из самых больших современных машин является Enercon E-126, у которой размах крыльев составляет 128 метров.
Расчет лопастного ветрогенератора
Мощность ветрогенератора можно вычислить по следующей формуле:
P — расчетная мощность в кВт,
r — расстояние от центра ротора до кончика лопасти, m;
v — средняя скорость ветра, м/с;
Кроме того, на дизайн лопастей влияет их форма и материал, из которого они изготовлены.
Расчет мультипликатора
При этом наибольший ротор может осуществлять около 400 оборотов в минуту, но для эффективной работы показатель оборотов должен быть больше в 2,5 раза. Для этого используют мультипликаторы — промежуточные механизмы между ротором и генератором, позволяющие повысить скорость вращения вала. Для обеспечения эффективной работы генератора необходимо использовать высокопрочные многократные механизмы.
Мачта
Мачта — один из ключевых элементов конструкции ветряной турбины. Её высота определяется местом установки с учетом следующих рекомендуемых показателей:
- Мачта ветрогенератора не должна располагаться ближе 150 метров к насаждениям и жилым зданиям, а желательно оставлять расстояние от 2,5 километров.
- Нижняя часть лопасти должна находиться не ниже 10 метров от вершины деревьев.
Чтобы ветряные турбины работали на полную мощность, минимальная высота установки должна составлять 25 метров, тогда как типичная высота мачты колеблется от 70 до 110 метров.
Классификация проводится в зависимости от типа мачты:
- растяжные;
- конические;
- сварные;
- гидравлические.
Мачта устанавливается на прочный фундамент, что решает вопросы надежности конструкции. После уплотнения фундамента устанавливается основание, которое заполняется бетоном. Следует подождать 4-5 недель для схватывания бетона, только затем приступают к установке мачты.
Вертикальные ветряные турбины имеют отличающуюся конструкцию — они не требуют высоких опор, а мачта представляет собой складную конструкцию до 6 метров высотой, часто устанавливаемую на крыше зданий.
Расчет энергии ветра
Энергия ветра является кинетической энергией воздушного потока и измеряется в джоулях. Её можно рассчитать по следующей формуле:
P = р — V³ — S/2, где р — плотность воздуха (примерно 1,225 кг/м³), V — скорость потока (м/с), S — площадь поверхности, через которую проходит поток (м²).
При расчёте необходимо учитывать потери и коэффициент полезного действия генератора.
Чтобы получить точные результаты, важно анализировать условия размещения ветряной турбины.
Ложные теории
Существует ряд наиболее часто встречающихся мифов о ветровой энергии:
- Существуют утверждения о том, что ветряки убивают птиц. Хочется отметить, что хотя действительно случаи столкновения птиц со лопастями или мачтами ветрогенераторов имеют место, ухудшающий эффект на численность птиц в большей степени вызывает конкуренция с электропроводами и нападения домашних животных, например, кошек.
- Распространённый миф заключается в том, что шум от ветряного генератора способен негативно сказываться на здоровье человека, в том числе вызывать проблемы со слухом.
- Есть мнение, что ветроэнергетика не является экологически чистым источником энергии, поскольку, по их мнению, увеличение числа ветряков ведет к росту выбросов углекислого газа. Однако сравнение с угольными или газовыми электростанциями показывает, что этот показатель ниже в 50 раз.
- Имеется мнение, что энергоснабжение с использованием ветровых станций приведёт к сокращению рабочих мест. Однако в развивающемся секторе энергоресурсов в первую очередь необходимы исследователи и разработчики, следовательно ли безработицы быть не может.
Неправильные представления о ветряной энергии возникли благодаря недостаточной осведомленности по этому вопросу. Большинство из этих мифов могут быть опровергнуты, что было сделано неоднократно.
Хорошо, но недёшево
По коэффициенту использования установленной мощности ветряные турбины значительно уступают ветропаркам и гидроэлектростанциям. Так, для атомных электростанций этот параметр составляет 84%, для ГЭС – 42%, а для ветряных электростанций всего 20%. Это объясняется природой источника энергии: ветер не всегда дует с необходимой силой. Другими словами, ветряные электростанции в несколько раз менее производительны, чем традиционные электростанции, и для генерации аналогичного объема электроэнергии потребуется строительство в 2-4 раза большего количества ветряных установок. Это, в свою очередь, приводит к необходимости использования больших терплощадей и затрат на материалы, что может привести к большему экологоэкономическому ущербу за каждую кВт/ч вырабатываемой электроэнергии.
По информации Российской ассоциации ветроэнергетической промышленности (РАВИ), металлоемкость современной ветряной турбины мощностью 3 МВт равна примерно 350 тонн. Если теплоэлектростанции размещаются на нескольких гектарах, то для ветряного парка с аналогичной мощностью уже потребуется подготовить тысячи гектаров. При этом на территории парка возможно ведение других видов деятельности, а также существует возможность проживания на территории парка, однако при этом возникает вопрос прав собственности — необходимо будет купить или арендовать большой участок земли.
Стоимость строительства ветряной турбины составляет около 1500-2000 долларов за 1 кВт установленной мощности, что сопоставимо с затратами на строительство атомной электростанции, но значительно превышает инвестиционные расходы на строительство тепловых электростанций. Высоконагруженные турбины с увеличенной высотой мачты и большими диаметрами у лопастей требуют чрезмерной надежности, что, соответственно, влечёт за собой дополнительные расходы.
Кроме того, стоимость 1 кВт электроэнергии от ветряной электростанции на практике не равна нулю. Европейский опыт показывает, что общие затраты на эксплуатацию составляют 0,6-1 евроцента за 1 кВт/ч, а с увеличением срока службы более 10 лет этот показатель возрастает до 1,5-2 евроцентов за 1 кВт/ч. Эти цифры сопоставимы с 24-40 и 60-80 центами за кВт/ч. Для сравнения, стоимость обмена на ГЭС и АЭС составляет несколько центов, а у ТЭС — примерно 1 рубль/кВт/ч при современных взглядах на углеводороды.
Таким образом, обсуждение «возобновляемости» того или иного источника энергии требует взвешенного подхода. Более того, для производства энергетических объектов из альтернативных источников необходимо использовать невозобновляемые материалы (особенно металлы), добыча и переработка которых не всегда безопасна для экологии.
Примером морской ветряной электростанции в Дании, которая расположена недалеко от Копенгагена, стали ветрогенераторы, установленные на воде; это решение является эффективным, поскольку здесь имеется достаточно пространства для размещения и благодаря морскому бризу ветряные турбины могут работать до 97% времени.
Ключевыми проблемами для масштабного создания ветровой энергетики являются высокая металлоемкость, сложная конструкция ветрогенераторов, необходимость больших пространств для их установки, проблемы относительно производительности и эксплуатационной надежности. Аналогично, факторы, способствующие ветроэнергетике, в дальнейшем могут быть поставлены под угрозу. Исследования показывают, что запасы углеводородов, как ожидается, будут долгосрочно сохраняться на достаточно высоком уровне, а влияние человека на глобальные изменения климата вызывает много споров.
Ветряками — по экологии?
У экологов имеется ряд критических замечаний к ветроэнергетике. Шумы, ультразвук и вибрации, возникающие от вращения лопастей, могут негативно влиять на людей, технику, а также животных. Ветряные установки не только изменяют внешний вид природного ландшафта, но и их работа может оказывать влияние на психику человека. Кроме того, авиагогенераторы препятствуют размножению и обитанию некоторых видов птиц. При наличии большого количества ветряных турбин в одной области существует вероятность поломки лопастей и других аварийных происшествий. Не стоит забывать также о проблемах, связанных с изменением ветровых условий и локальным падением генерации при запуске множества установок на одном большом пространстве. Дополнительной заботой является утилизация использованных лопастей, у которых закончился срок эксплуатации.
Уровни шума различных источников. Источник: Ермоленко Б. В., Ермоленко Г. В., Рыженков М. А. Экологические аспекты ветроэнергетики.
Опираясь на двадцатилетний опыт работы с ветровыми установками в Европе, можно выделить как суммы мнимые, так и реальные недостатки системы. В страхах по поводу ультразвука и шума от лопастей ротора нет оснований, об этом свидетельствуют данные, согласно которым на расстоянии 350 м от ветропарка уровень звука лишь слегка превышает стандартный фоновый шум. По сравнению со смежными угрозами, количество птиц, которые погибают в результате столкновения с ветряными турбинами, в три с половиной тысячи раз меньше, нежели от воздействия домашних собак.
Годовая оценка смертности птиц в Европе. Источник: European Wind Energy Association, 2010.
Конечно, в этих оценках есть нюансы: многое зависит от количества установленных ветряных электростанций. С текущими мощностями уровень опасностей действительно небольшой. Однако что произойдет, если количество ветряных установок увеличится многократно?
Сравнивая уровни смертности птиц, важно учитывать виды, которые подвергаются риску. Кошки охотятся на птиц, а столкновения птиц со ветряными турбинами на высоте могут привести к гибели более редких и ценных видов. Существенные риски также включают влияние на миграционные маршруты птиц.
Тем не менее, общий экологический ущерб, наносимый ветроэнергетикой, оказывается значительно меньше по сравнению с традиционными методами производства энергии. В Европе негативное социально-экологическое влияние на каждый произведенный киловатт час электроэнергии составляет 0,15 цента для ветровой энергетики, 1,1 цента для газовой энергетики и 2,5 цента для угольной энергетики.
Исключением из этих выводов является проблема утилизации лопастей ветряных генераторов, изготовленных из композитных тканей. Срок их службы варьируется от 20 до 25 лет, и, поскольку первый возведенный ветряк выходит из службы, вопрос утилизации становится все более актуальным. Эта проблема усугубится в 2020 году, когда общая масса отходов лопастей, выработанных по всему миру, увеличится до 50 000 тонн, а к 2035 году достичь 200 000 тонн.
На текущий момент выделяются два основных метода переработки стеклопластиковых лопастей: термическая и механическая переработка. В первом случае композитные части лопастей механически измельчаются и используются для производства низкосортной продукции. Однако другое решение заключается в термической обработке, что нельзя считать «экологически чистым» способом утилизации, так как сжигание такового материала также вызывает дополнительное загрязнение окружающей среды. Кроме того, зольность сгоревших остатков составляет около 60%, а образовавшаяся зола подлежит захоронению.
Российские перспективы
Сегодня общая установленная мощность ветряных турбин в России колеблется на уровне нескольких десятков мегаватт, а доля ветроэнергетики в общем объеме производства электроэнергии остаётся весьма незначительной. Тем не менее, есть планы по реализации нескольких крупных проектов, главным образом в степных и прибрежных районах страны. Ожидается, что в ближайшие годы ситуация с ветроэнергетикой заметно изменится.
Достаточно большие пространства, низкая плотность населения и развивающиеся экономики значительно снижают экологические риски ветроэнергетики в России по сравнению с предыдущими европейскими государствами. Однако большие расстояния и несоразмерная транспортная инфраструктура создают дополнительные сложности в обслуживании ветряных турбин и ветропарков.
Другой важной причиной невысокого уровня развития ветроэнергетики в России являются обширные запасы углеводородов и наличие более дешевых источников энергии. Необходимо отметить, что открытие и эксплуатация крупных месторождений нефти и газа лишили СССР мотивации развивать ветроэнергию, хотя он был первопроходцем в этой области. Однако утверждение, что нашей стране не нужны альтернативные источники энергии, не имеет оснований. Биоэнергия и ветровая энергия необходимы для обеспечения всестороннего социально-экономического развития. Высокие затраты на подключение к электросетям делают более выгодным использование местных возобновляемых источников, включая ветер. Более 70% территории России (где проживает около 20 миллионов человек) не подключены к центральной системе энергоснабжения и дорожная инфраструктура по этим территориям недостаточно развита.
Стоит заметить, что Россия обладает всеобъемлющим ветроэнергетическим потенциалом, который составляет около 40 млрд кВтч электроэнергии в год. Это означает, что эксплуатация крупных и особенно малых ветряных установок может быть более эффективной на обширных территориях страны. Например, в регионах российского севера, таких как Обская губа, Кольский полуостров и большая часть прибрежной акватории Дальнего Востока, сформировались наиболее ветреные зоны в мире. Среднегодовая скорость ветра на высоте 50-100 м, для которой создаются современные ветрогенераторы, составляет 11-12 м/с, что в два раза больше так называемого экономического порога ветровой энергии, который позволяет получить срок окупаемости ветроэлектростанций.
* Сюда входят вводимые прямые и косвенные расходы, несущиеся государством, другими хозяйствующими субъектами и населением, порождаемыми деятельностью данной компании, например, затраты на очистку воды и воздуха, медицинские расходы и так далее. Естественно, эти расчеты не всегда будут точно соотноситься, но остаётся достаточно места для предположений в ту или иную сторону.
