Ветроэнергетика история развития кратко

Обновлено: 05.07.2024

Полный гайд по истории возобновляемых источников энергии

Автор текста: Олеся Викулова

Рисовала картинки Полина Ильина

История опубликована 11/08/2021 0 Comments --> 11 минут

Сегодня тема возобновляемых источников энергии (ВИЭ ) интересует не только профессионалов, но и обычных людей. О ней много говорят в новостях, а экологи призывают глав стран в кратчайшие сроки перейти на зелёные технологии, чтобы приостановить климатический кризис. Многие страны, включая Европейский Союз , уже начали реализовывать собственные программы зелёного курса, где ВИЭ играют ключевую роль.

И если на западе, да и во многих других странах этот этап уже пройден, то для России ВИЭ зачастую воспринимается как что-то новое.

Новое или хорошо забытое старое

На самом деле возобновляемая энергетика — самый древний и безопасный способ получения энергии. На протяжении веков возобновляемая энергия была единственным доступным источником энергии для жителей Земли, если не брать мускульную силу самого человека и животных. А вот ископаемые источники энергии взяли верх только во время промышленной революции — всё дело в том, что они просто оказались выгоднее на определённом этапе развития цивилизации. Однако в то время никто не предполагал, что уголь, нефть, а затем и газ нанесут непоправимый урон климату планеты буквально за какую-то сотню лет. Так, ископаемое топливо оказалось бомбой замедленного действия, а проверенное веками ВИЭ — на долгие годы ушло на второй план.

Чтобы разобраться во всех тонкостях темы возобновляемой энергетики, мы подготовили для вас серию материалов, первый из которых мы посвящаем истории возникновения ВИЭ. В нём обсудим историю трёх самых широко упоминаемых видов возобновляемой энергетики — солнечной, ветряной и гидроэнергетики, чтобы увидеть, какой огромный путь проделала наша цивилизация в сфере зелёных технологий.

Ветроэнергетика

История ВИЭ — это история больших открытий, начавшихся ещё до начала нашей эры. На протяжении тысячелетий люди искали способы получения энергии новыми способами. Использование человеком ветра берёт своё начало из древности. Давайте вспомним парусные суда Древнего Египта, Греции и других цивилизаций, которые люди использовали ещё 5500 тысяч лет назад. Позже начали появляться мельницы и естественная вентиляция.

Ветряные мельницы веками использовались на Востоке (в Китае, Персии и других странах) и только к X—XII веку перекочевали в Европу, где особое распространение получили на территории современных Нидерландов и ряде других северных стран. В странах с низкими температурами такой способ получения энергии имел серьёзное преимущество перед использованием кинетической энергии воды, которая могла замерзать в зимний период. Мельницы использовали веками без серьёзных модификаций.

Только в 1854 году Дэниел Халладей придумал саморегулирующийся ветряной насос и систему, при которой мельница могла автоматически поворачиваться по направлению ветра. Тогда же деревянные лопасти заменили на металлические.

Поворотным также стал и 1887 год, когда была создана первая в мире ветряная турбина, которую можно было использовать для производства электроэнергии. Шотландский учёный Джеймс Блит использовал её для освещения собственного дома (излишки электроэнергии он даже предлагал жителям своей улицы, но они отказались). Таким образом он стал первым человеком в мире, который автономно обеспечил себя электричеством за счёт энергии ветра. Уже на следующий год первый ветрогенератор появился и в США. Чарльз Браш сконструировал уже более сложный и крупный ветрогенератор, чтобы так же провести электричество в свой дом. Его компания Brush Electric в штате Огайо была продана в 1889 году, а уже в 1892 году объединена с Edison General Electric Company в легендарную компанию General Electric.

В 1891-1895 датский учёный Пол Ля Кур занимался разработкой и усовершенствованием этой технологии представил обществу ветрогенератор, который обеспечивал стабильное напряжение. В дальнейшем он создал прототип электростанции для освещения не одного дома, а уже целой деревни.

В двадцатых годах прошлого века французский учёный Джордж Дарье изобрёл первую вертикальную турбину (в США её запатентовали только в 1931 году). Форма лопастей довольно сильно отличалась от лопастей современных вертикальных турбин. Их ещё называют ортогональными ветрогенераторами.

И уже в 1930-х годах учёные Джо и Марселлус Джейкобс из США открыли первую фабрику по производству и продаже небольших ветряных турбин в Миннеаполлисе — Jacobs Wind (сейчас это самая старая компания в США, которая создаёт оборудование для возобновляемой энергетики). В сельских районах США фермеры использовали их преимущественно для освещения.

Кстати, предшественником современных ветряков часто называют ялтинский ветряной двигатель, который обладал серьёзной мощностью не только для того времени, но и для сегодняшних дней. Более того, его производительность была весьма близка к той, что показывают современные ветрогенераторы.

В 1941 году была запущена первая в мире ветряная турбина мощностью в один мегаватт (в штате Вермонт, США). Конструкция была подключена к местной электросети. К 1957 году та самая компания Jacobs Wind продала уже 30 000 турбин в самые разные уголки планеты. Но поворотным годом в развитии ветряной энергетики стал 1973 год, когда было объявлено нефтяное эмбарго поставщиками нефти, и цены на нефть взлетели вверх. Это вызвало большой интерес к альтернативным источникам энергии. И уже в 1980 году открылась первая в мире ветряная электростанция на 20 турбин (США).

В дальнейшем ветряная энергетика развивалась намного стремительнее. К 1980-м годам США при поддержке Национального научного фонда и Министерства энергетики уже проводили серьёзные исследования в области ветрогенерации. Именно в этот период появились новые технологии в постройке ветрогенераторов, а их единичная мощность достигла мегаваттного класса. Этого удалось добиться, изучая аэродинамику ветряных установок. Тогда стало понятно, что получение энергии с помощью ветра может стать по-настоящему масштабным. И уже в 1991 году открылась первая в мире морская плавучая ветряная электростанция в Дании, а в Великобритании береговая ветряная электростанция.

В 2019 энергетическая компания Equinor получила разрешение на строительство крупнейшей в мире плавучей морской ветряной электростанции в районе Тампена в Северном море. Ожидается, что такая электростанция сможет обеспечить электричеством не менее 4,5 млн домов.

Солнечная энергетика

Если ветроэнергетика скорее модифицировалась и совершенствовалась, то с солнечной энергией дела обстоят иначе. Здесь открытия учёных в течение последних десятилетий кардинально изменили способы использования солнечного света.

Древние люди использовали солнечный свет для нагревания пищи, отопления домов и розжига. В первые века нашей эры — 100-400 годы — стал популярен солнечный нагрев воды. Римский архитектор Ветрувий после поездки в Грецию, где уже строили дома на южную сторону для дополнительного отопления за счёт нагревания стены и всего здания солнечными лучами, решил применить эту идею и в Риме. Так были усовершенствованы римские бани, которые тоже нагревались с помощью солнца.

Сложно оценить, когда человечество подошло к идее использовать солнечную радиацию для получения электрической энергии. Если уходить к самым истокам направления, то стоит вспомнить Александра Беккереля, который ещё в 1839 году изучал влияние света на электролиты. Кстати, для изучения использовались зеркала и линзы. Он сумел с помощью специального раствора (на базе хлорида серебра и кислотного раствора) создать ячейку, которая не просто нагревалась, а производила электрическую энергию.

Первым же, кто открыл солнечные батареи, стал Чарльз Фритц, который в 1883 году создал собственную настольную электростанцию: она работала от небольшой позолочёной селеновой пластинки. И уже через год он установил солнечные батареи на крыше в Нью-Йорке.

В 1916 году химик Ян Чохральский изобрёл метод создания монокристаллов металла. Это стало основой для создания полупроводниковых пластин, которые до сих пор используются в электронике, включая фотоэлементы.

И в 1954 году компания продаёт свой первый эффективный кремниевый солнечный элемент. Конечно, он не был таким производительным, как современные солнечные панели (КПД — всего 6 процентов), но они всё равно стали популярны настолько, что началось стремительное развитие отрасли: уже через несколько лет был создан первый космический корабль на солнечных батареях, по Лондону проехал первый автомобиль с солнечными батареями на крыше. Более того, всего через 8 лет Bell laboratories уже обеспечивали питание первого спутника связи, работающего на солнечной энергии.

В начале 1960-х годов Жорес Алфёров и Герберт Крёмер независимо предложили научное решение, позволившее резко поднять КПД солнечных панелей за счёт полупроводниковых гетероструктур. В 2000 году учёные были удостоены Нобелевской премии за развитие физики полупроводниковых гетероструктур. Возможно, не все знают, но советский космический корабль Союз-1 стал первым космическим кораблём на солнечных батареях , на борту которого находился человек.

На данный момент такие страны как США, Китай и многие другие активно развивают солнечную энергетику. Одним из драйверов такой поддержки стал вопрос климатических изменений. Постоянные климатические аномалии, которые влияют как на жизнь людей, так и на экономику целых стран заставили обратиться к энергии солнца, которую использовали столетиями и которая даёт потенциал для дальнейшего развития.

Гидроэнергетика

Гидроэнергетика — направление энергетики, связанная с преобразованием кинетической энергии водного потока в механическую и электрическую энергию. Использование энергии воды также берёт своё начало из древних времён.

Всё началось около I века до нашей эры, когда древние греки начали использовать первое водяное колесо, чтобы молоть пшеницу. Параллельно в это же время аналогичное изобретение появилось и в Китае.

Конечно, это была самая простая форма использования энергии воды, но именно она послужила предпосылкой для современных технологических достижений в области гидроэнергетики.

Водяное колесо с рядом модификаций использовалось на протяжении десятков веков.

К XIII веку его использовали уже в производстве пороха и стали, что помогло Средневековой Европе стать лидером в военной сфере. К XVII веку этот вид энергетики сыграл решающую роль в американской и европейской технологической революции, его использовали уже на многочисленных предприятиях: в лесопильной, текстильной промышленности и многих других.

В 1878 году пока учёные совершенствовали модели турбин, английский инженер и промышленник Уильям Армстронг объединил работы своих предшественников и построил первую в мире малую гидроэлектростанцию.

Уже через десятилетие, в 1891 году произошёл настоящий научный переворот в передаче электрической энергии и гидроэнергетике после того, как русский изобретатель Михаил Осипович Доливо-Добровольский (работал в Германии) создал работы по передаче трёхфазного тока. Его конструкция трансформатора до сих пор используется без существенных изменений. Первая передача электрической энергии с высоковольтным трёхфазовым током произошла на выставке во Франкфурте. Там был установлен фонтан, который приводился в движение гидравлическим насосом и двигателем Доливо-Добровольского. Это был самый мощный на то время трёхфазный асинхронный двигатель в мире (с этого открытия началась и современная история электрификации).

1913 г. Австрийский профессор Виктор Каплан изобретает турбину Каплана, турбину пропеллерного типа с регулируемыми лопастями.

Также серьёзным прорывом стало преобразование приливной энергии Мирового океана в электричество — в 1966 году во Франции открылась первая в мире приливная электростанция Ля-Ранс.

Greenpeace в части ГЭС на реках поддерживает развитие только малых ГЭС.

Всё дело в том, что крупные плотинные ГЭС на реках (с установленной мощностью 25 МВт и более) не только меняют речные экосистемы в худшую сторону, ведут к исчезновению популяций ценных рыб, но и обостряют конкуренцию между водопользователями. Кроме того, искусственные водохранилища, создаваемые для функционирования гидроэлектростанций, могут быть значительным источником выбросов парниковых газов.

Согласно существующим оценкам, в некоторых случаях такие водохранилища в средних широтах могут выделять столько же парниковых газов, сколько их аналоги в тропических широтах. Поэтому, несмотря на то, что эмиссии парниковых газов могут сильно различаться от одной ГЭС к другой, наличие потенциала серьёзных выбросов с водохранилищ крупных ГЭС также не позволяет отнести такие проекты к низкоуглеродным.

Что будет дальше

У ВИЭ была долгая история становления, но только в последнее десятилетие они стали развиваться стремительно в связи с глобальной борьбой с климатическим кризисом.

Однако в России современные ВИЭ пока находятся на начальном этапе развития.

История ветроэнергетики начинается с незапамятных времён. Энергия ветра вот уже более 6000 лет надежно и верно служит людям.

Ветроэнергетика XIX- XX века

Ветроэнергетика ХХI века

Россия имеет самый большой в мире ветропотенциал, ресурсы ее ветровой энергии определены в 10,7 ГВт. К благоприятным зонам развития ветроэнергетики относится Северо-Запад страны (Мурманская и Ленинградская области), северные территории Урала, Курганская об-ласть, Калмыкия, Краснодарский край, Дальний Восток. В целом технический потенциал ветровой энергии России оценивается более чем в 50 000 млрд. кВтч/год, экономический потенци-ал составляет 260 млрд кВт-ч/год, т.е. около 30% производства электроэнергии всеми электростанциями страны. Реализованы эти возможности незначительно. На сегодня в России насчитывается около 13 МВт установленной мощности (0,1% всей вырабатываемой в стране энергии). Самой мощной на сегодняшний день считается ветроэлектростанция в Калининградской области, введенная в строй в 2002 году (первая установка - в 1999 г.) и состоящая из 21 установки, переданной в дар властями Дании (все ВЭУ – производства Vestas). Ее суммарная мощность составляет 5,1 МВт.

Табл. 1. Технико-экономические показатели работы ВЭС в 2005 году (по данным ФСГС Росстата)

*) Данные за 2004 г.

**) Данные за 2008 г.

Ветроэнергетика как сектор энергетики присутствует в более чем 50 странах мира.
Страны с наибольшей установленной мощностью:
- Германия (18 428 МВт),
- Испания (10 027 МВт),
- США (9 149 МВт),
- Индия (4 430 МВт)
- Дания (3 122 МВт)
Ряд других стран, включая Италию, Великобританию, Нидерланды, Китай, Японию и Португалию, перешли отметку в 1 000 МВт. Так, в Германии в настоящее время около 3% всей энергии вырабатывается ветровыми электростанциями. В течение 2005 года более чем в 30 странах было введено в совокупности 11 531 МВт новых мощностей. Таким образом, среднегодовой рост увеличился на 40,5%, а общая установленная мощность выросла на 24%. На конец 2005 года суммарная установленная мощность ветровой энергетики составила 59 084 МВт.

Начиная с 1980 года установленная мощность ветровых турбин в ЕС выросла в 290 раз, а стоимость генерации за тот же период снизилась на 80%.

Как действует ветроэнергетика

Ветроэнергетика состоит из двух основных частей: ветротехники, разрабатывающей теоретические основы и практические приёмы проектирования технических средств (агрегатов и установок), и ветроиспользования, включающего теоретические и практические вопросы оптимального использования энергии ветра, рациональной эксплуатации установок и их технико-экономических показателей, обобщение опыта применения установок в народном хозяйстве.

Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра

Источник: German Wind Energy Association (BWE).

Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. На-пример, турбины мощностью 3 МВт производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высота башни 70 метров, диаметр лопастей 90 метров. Самые большие в мире ветрогенераторы выпускает немецкая компания REpower (REpower Systems). Диаметр ротора этой турбины 126 метров. Мощность таких установок доходит до 6 МВт, вес гондолы - 200 тонн, высота башни - 120 м.
Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя ло-пастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где еще встречаются и двухлопастные. Бы-ли попытки построить ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, т.е. с вер-тикальным расположением оси вращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скорости ветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главная про-блема таких генераторов - механизм торможения. В силу этой и некоторых других технических проблем ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения в ветро-энергетике.
Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше) строятся офшорные фермы. Башни ветрогенераторов устанавливают фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Также могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания.
Ветроэнергетика использует результаты аэрологических исследований, на базе которых разрабатывается ветроэнергетический кадастр. По его данным выявляют районы с благоприятным ветровым режимом, устанавливают виды работ, где применение ветровой энергии целесообразно и экономически выгодно по сравнению с другими энергоисточниками.

Достоинства и недостатки

Ветровая энергия, наряду с солнечной и водной, принадлежит к числу постоянно возобновляемых и, в этом смысле, вечных источников энергии, обязанных своим происхождением деятельности Солнца. Вследствие неравномерного нагрева солнечными лучами земной поверх-ности и нижних слоев земной атмосферы, в приземном слое, а также на высотах от 7 до 12 км возникают перемещения больших масс воздуха - ветер. Он несёт колоссальное количество энергии: почти 2% энергии всей солнечной радиации, попадающей на Землю. К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно до-бывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю, что особенно важно для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удалённых от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 кВт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах. Кроме того, ветроэнергетика - это экологически чистое производство энергии, без вреда человеку, природе, окружающей среде и земным недрам. В то же время существуют и недостатки ветроэлектростанций, которые затрудняют их внедрение. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника - не-постоянство его скорости (а, следовательно, и энергии) в рамках длительных периодов времени. Ветер характеризуется не только многолетней и сезонной изменчивостью. Он может менять скорость и направление в течение очень коротких промежутков времени. Отчасти кратковременные колебания скорости ветра компенсируются самим ветроагрегатом, особенно на боль-ших скоростях ветра, когда он начинает подтормаживать своё вращение (обычно, после 13-15 м/с). Однако более длительные изменения или снижение скорости ветра влияют на выработку ветроагрегата и всего ветропарка в целом. Но в современной ветроэнергетике этот недостаток сводится к минимуму тем, что ветромониторинг, начинающийся еще на предпроектной стадии, продолжает вестись и в дальнейшем. Накопленная база данных ветропотенциала позволяет прогнозировать выработку ветропарка уже на 2-м году его эксплуатации на 24 часа вперед с достаточно высокой для электрических сетей точностью. В зонах с умеренным ветровым режимом (среднегодовая скорость ветра 5 м/с) на 1 км2 можно получить годовую выработку электроэнергии около1 млн кВт-ч. Мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому, даже относительно небольшие его изменения приводят к значительным колебаниям мощности, развиваемой ветродвигателем. На уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭС мощностью 850 кВт уровень шума составляет 104 дБ. Система управления углом атаки лопастей способна уменьшить его, но очень незначительно. Но на расстоянии 300 м шум снижается до 42-45 дБ (на оживленной улице наши уши страдают больше). К тому же в России есть возможность смонтировать установку на расстоянии 700-1000 м от застройки.
На Западе главные проблемы, связанные с работой ветроэлектростанций, удалось решить еще в середине 1990-х годов. Был снижен уровень шума и вибраций путем подбора скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей.

Типы ветроэлектростанций

Быстро, выгодно, удобно

Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе сегодня составляют 1200-1400 евро на 1 кВт установленной мощности. Себестоимость энергии - 3,5-7 центов за 1 кВт-ч (10 лет назад - 16 центов). При массовом строительстве ветроэлектростанций можно рас-считывать на то, что цена одного киловатт-часа существенно снизится и окажется сравнимой со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС. Проекты ВЭС, работающих на сеть, для условий, например, очень ветреного Приморья окупаются за 5-7 лет, системы "ветродизель" - за 2 года. В дальнейшем сроки окупаемости ветроэлектростанций будут сокращаться. Наша страна обладает самым большим в мире ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 млрд кВт-ч электроэнергии в год, поэтому работа больших и малых ВЭС на огромных российских пространствах могла бы быть высокоэффективна. Такие районы, как Обская губа, Кольский полуостров, большая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по ми-ровой классификации относятся к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на вы-соте 50-80 м, где располагаются ветроагрегаты современных ВЭС, составляет 11-12 м/с, при-том, что "золотым" порогом ветроэнергетике считается скорость ветра 5 м/с (это связано с окупаемостью станций).

Но, несмотря на благоприятные природные условия и большую привлекательность ветро-энергетики, в России до сих пор нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сель-ских поселков и дачных участков. Основная причина - отсутствие инвестиций и законодатель-ной базы.

Крупнейшие компании-производители ветроустановок

Ведущие производители в 2009 (% доли рынка):
1) Vestas Дания 12,5
2) GE США 12,4
3) Sinovel Китай 9,2
4) Enercon Германия 8,5
5) Goldwind Китай 7,2
6) Gamesa Испания 6,7
7) Dongfang Китай 6,5
8) Suzlon Индия 6,4
9) Siemens Германия 5,9
10) RePower Германия 3,4
Другие 18,5

Некоторые из стабильных лидеров прошлых лет уступили свои лидирующие позиции китайским компаниям. Разница в долях лидеров рынка уменьшилась до 3 п.п. 10 первых компаний с долей 80% оторвались от других 25, занимающих оставшиеся проценты. Появление китайских компаний в списке, безусловно, связано с резким ростом китайского рынка ветроиндустрии. Это означает, что российская промышленность тоже может получить свой шанс в случае развития ветроэнергетики в стране.

Постепенное исчезновение ископаемых источников топлива, заставляет ученых придумывать другие способы получения энергии. Несмотря на то, что энергию ветра начали использовать более 5000 лет назад, популярность ветряные станции получили не там давно. Как человек сегодня использует ветер знают все – ветроэлектростанции, воздушные мельницы, полеты на дельтапланах и многое другое.

Ветряная энергетика — это развивающаяся отрасль, которая специализируется на изучении и использовании энергии ветра в повседневной жизни. Считается одной из самых перспективных отраслей альтернативного получения энергии.

С каждым годом строительство ветряных станций увеличивается, все больше стран инвестируют в разработку и исследование применения энергии ветра. Возможно, в ближайшем будущем, альтернативные экологичные источники полностью обеспечат людей энергией.

История использования энергии ветра

История использования энергии ветра человеком, уходит далеко в прошлое, когда люди не имели понятия про законы физики. В Древнем Египте использовали энергию ветра для помола муки в мельнице, в Китае откачивали воду с рисовых полей с помощью приспособлений с лопастями. Мореплаватели начали использовать парус, когда поняли, что с помощью ветра можно эффективнее управлять судном и добираться до нужного места быстрее.

Принцип работы ветровой электростанции

Ветряные электростанции представляют собой несколько ветряных установок, объединенных между собой в единую сеть. Крупные станции могут включать в себя более 100 ветрогенераторов. Такие места получили название “ветряные парки”. Ветрогенераторы — это экологический способ добывать энергию в течение неограниченного времени.

Эффективным местом для установки ветровых электростанций являются участки с постоянным потоком ветра — холмистая местность, горы, прибрежные участки морей и океанов. По расположению выделяют следующие виды:

наземные;
прибрежные;
плавающие;
офшорные.

По типу конструирования можно выделить:

Крыльчатые ветряные электростанция наиболее эффективные и получили широкое применение. Они способны вырабатывать достаточное количество энергии. На высокой мачте устанавливается чаще всего трехлопастной механизм, с горизонтальной осью вращения. Мощность вращения зависит от размера лопастей. Максимальная скорость вращения достигается в моменте, когда поток ветра идет перпендикулярно лопастям. Так как потоки ветра периодически меняют направление, то имеется автоматический блок управления

Роторные электростанции имеют вертикальную ось вращения. Плюсом данного вида является то, что они не издают шум, эффективность работы не зависит от направления потока ветра, поэтому станции не нужны дополнительные блоки управления. Но по сравнению с крыльчатыми электростанциями они менее эффективны.

Принцип работы любой ветряной электростанции одинаков. Поток ветра раскручивает ротор с лопастями, которые связаны с генератором. Чем больше размер лопастей, тем больший поток они захватывают и вращается с большей скоростью. Чем быстрее крутятся лопасти, тем больше энергии вырабатывается. Генератор преобразует движение в энергию и выводит на аккумуляторы. На выходе получается пригодная для использования энергия.

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.

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 поток воздуха у поверхности земли. Образуются эти потоки, из-за движения воздуха из области более низкого давления в более высокое. Так как земля нагревается быстрее, чем поверхность воды, то нахождение ветряков вблизи морей и океанов создает подходящую ветрогенерацию — здесь всегда образуются потоки ветра. Кроме обычных, есть и штормовые ветра, которые достигают скорости от 20 м/с.

Проведенные исследования подтверждают, построив ветряные парки в морях и океанов, вырабатываемая ветряками энергия могла бы обеспечить все нужды человечества. Кроме того, скорость ветра в океане больше примерно на 70%, чем на суше. Несмотря на то, что идея интересная, реализация ее сложная и требует больших инвестиций.

Виды ветрогенераторов

Ветрогенераторы — устройства, которые преобразуют кинетическую энергию, созданную потоком ветра, в механическую, а далее в электрическую.

Все ветрогенераторы можно разделить на вертикальные и горизонтальные. Свое название они берут из-за расположения оси вращения:

Вертикальные или “карусельные” ветряки

Данный тип ветряка имеет механизм с вертикальной осью вращения. Представляет собой:

основной ротор, который воспринимает воздушный поток;
редуктор;
генератор;
аккумуляторная батарея;
инвертор.

Такие ветряки бесшумные и могут устанавливаться рядом с жилым домом, их работа не зависит от направления ветра — способны улавливать поток воздуха под любым углом, работа начинается с минимальных показателей силы потока ветра.

Горизонтальные

Ось ротора вращается параллельно земле. Ветрогенераторы такого типа имеют от одной лопасти. Их разделяют на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Для работы горизонтальных ветрогенераторов необходимо правильное направление ветра, поэтому продумана автоматическая регулировка.

Преимущество таких установок — большая эффективность работы. По сравнению с вертикальными они легче и меньше по габаритам.

Как устроена ветровая электростанция

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

Чтобы понять, как работает станция нужно знать как она устроена:

Ветрогенератор. Основная его задача преобразовывать энергию в электричество. Состоит из винта и генератора переменного тока.
Контроллер. Преобразует переменный ток в постоянный и регулирует обороты ветрогенератора.
Аккумуляторы накапливают энергию во время работы ветряка.
Инвертор, преобразует постоянный ток в бытовой, который поступает в дом для использования.

Особенности бытовых ветрогенераторов

Так как ветроэнергетика — это неисчерпаемый ресурс, то многие задумываются об установке ветряка у себя дома. Раньше ветровые генераторы использовались больше в промышленной сфере. Но с развитием этой технологии появились и бытовые модели.

Чаще всего их применяют в местах, где нет централизованной электросети. Современные установки на 3-5 генераторов, смогут полностью обеспечить дом энергией. Однако, перед тем как покупать ветряки, стоит изучить насколько эффективно они будут работать конкретной местности.

Обратите внимание! На рынке можно встретить ветродизельную электростанцию (ВДЭС), которая представляет собой комбинацию ветроэлектрических установок и дизельного генератора. ВДЭС кроме электроэнергии может производить и тепловую, что позволяет бесперебойно снабжать дом энергией.

Мощности промышленных станций

Ветроэнергетика как отрасль основывается на применении мощных производственных ветровых турбин, которые могут обеспечить энергией в больших масштабах. Все ветрогенераторы имеют схожую конструкцию:

опорная башня или мачта;
гандола
генератор турбины.

Размеры таких станций могут достигать в высоту до 190 метров в и весят до 6000 тонн. Одна из самых габаритных установок в мире — Enercon E-126, имеет размах лопасти 128 метров.

Расчет лопастного ветрогенератора

Мощность устройства можно рассчитать по следующей формуле:

P – расчетная мощность, кВТ;

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

v – средняя скорость, м/с;

Большое значение в конструировании имеет размер лопасти, форма, материал из которого изготовлена.

Расчет мультипликатора

Самый мощный ротор может дать около 400 оборотов в минуту, но для эффективной работы, число оборотов должно быть в 2,5 раза больше. Для этого устанавливаются мультипликаторы — промежуточные звенья между ротором и генератором, которое повышает частоту вращения вала. Чтобы обеспечить эффективную работу генератора, нужен мультипликатор с большим коэффициентом повышения.

Мачта

Мачта — один из важнейших элементов конструкции ветрогенератора. Высота мачты зависит от места установки. Основные правила установки:

Мачта ветрогенератора должна находиться не ближе, чем на 150 метров от насаждений и жилых построек, а лучше на расстоянии от 2,5 километров.
Нижний край лопасти должен находится не ниже, чем 10 метров от верхушки деревьев.

Чтобы ветрогенераторы работали в полную мощность, минимальная высота их установки начинается от 25 метров. Чаще всего высота мачты 70-110 метров

По типу опоры различают:

на растяжках;
коническая;
сварная;
гидравлическая.

Мачта устанавливается на фундамент, от которого зависит надежность конструкции. Для начало выкапывают котлован и слоями укладывают щебень и песок. После утрамбовки устанавливают основу мачты и заливают бетоном. После заливки, фундаменту нужно время отстояться 4-5 недель. Только после этого продолжается работа по установки мачты.

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

Расчет энергии ветра

Энергия ветра — это кинетическая энергия потока воздуха. Этот показатель измеряется в джоулях. Рассчитать можно по следующей формуле:

P = r · V3 · S/2, где r – показатель плотности воздуха (1,225 кг/м3), V – значение, отражающее с какой скоростью движется поток (м/с), S – площадь потока (м2).

При расчете важно учитывать потери и КПД генератора.

Для получения точных результатов, нужно знать показатели местности. Где предполагается поставить ветрогенератор.

Ложные теории

Самые распространенные мифы про ветроэнергетику:

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.
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.
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.
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.

Ветровые электростанции преимущества и недостатки

Преимущества установки ветровых электростанций:

Экологичность. Сегодня этот фактор играет большую роль. А добыча энергии с помощью ветряков это экологичный способ, который никак не влияет на окружающую природу.
Экономичность. По сравнению с другими источниками получения энергии, ветровые станции в строительстве обходятся намного экономичнее.
Нескончаемый источник энергии.
Эффективность работы — электростанция вырабатывает в 80 раз больше энергии, чем потребляет.
Местоположение. Ветряк можно поставить в любом месте, в отличие от традиционных станций.
Современные ветряки могут работать при скорости от 3,5 м/с.
Технологическое развитие.

Работа ветряка зависит от силы потока ветра, которого может и не быть.
Изменение ландшафта местности из-за строительства ветряных парков.
Затраты на поиск и изучение местности для ветряков и их строительство.
Турбины станций создают низкочастотные шумы, которые оказывают негативное влияние на человека.
Создают опасность для птиц.
Менее продуктивны по сравнению с другими станциями.

У ветроэнергетики есть свои сторонники, которые считаю применение ветрогенераторов экологичным способом решения проблемы с энергетикой. Но также есть люди, которые выступают против строительства ветряных парков, так как они приносят вред здоровью человека, птицам. Недостатки ветроэнергетики не сопоставимы с большим потенциалом, который кроется в этой отрасли.

Ветроэнергетика как угроза животному миру

Защитники птиц выступают против строительства ветряных генераторов, так как птицы часто врезаются в лопасти ветряков. Хотя подсчет показал, что количество погибших птиц от генератора не больше, чем от высоковольтных проводов. Однако, зоозащитники волнуются, что во время миграции птиц они могут попасть в зону ветряного парка или сменить путь миграции.

Еще одно опасение защитников, что шумы, которые издают генераторы могут отпугивать животных и они меняют место обитания.

Ветроэнергетика как потенциальный онкоген

“Синдром ветрогенератора” — это клиническое название симптомов людей, которые живут вблизи ветряных генераторов. Основные симптомы — усталость, бессонница, раздражительность, головные боли, шум в ушах, проблемы с концентрацией. Все эти симптомы могут появляться из-за того, что работа генератора издает низкочастотные шумы, которые не воспринимает наш слух, однако организм наш реагирует.

Данный синдром не признан официально, а некоторые считают его классическим случаем ноцебо-эффекта. Это значит, что реакция организма вызвана не от действий генератора, а от отрицательной информации про него.

Ветроэнергетика в России

На данным момент Россия достаточно слабо использует такой ресурс, как ветер. Государство не выделяет достаточно субсидий на исследование и покупку конструкций.

Самая крупная ветроэлектростанция в России была запущена в 2020 году в Ставропольском крае. Рабочая мощность каждой из 84 установок — 2,5 МВт.

Доля ветроэнергетики в общей энергосистеме страны незначительная, и скорее всего в ближайшем будущем не поменяется. За прошлый год ветряками было выработано менее 1% от всего объема потребляемой энергии. Это обусловлена тем, что в стране развиты другие способы добычи энергии. Однако, нужно помнить, что энергия ветра неиссякаема и нельзя отказываться от альтернативной и быстроразвивающейся отрасли.

Ветроэнергетика в мире

Ветроэнергетика — это альтернативный источник энергии и многие страны этим пользуются. Изучение ветроэнергетики в последние десятилетия стало популярной и быстрорастущей отраслью. За прошлый год было установлено 93 ГВт новых установок.

Лидирующими странами, где этому уделяют большое внимание являются США, Канада, Великобритания, Дания, Германия, Китай.

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

Перспектива развития ветроэнергетики остается положительной, и в ближайшем будущем количество стран, которые будут внедрять альтернативный способ получения энергии, будет только увеличиваться.

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.

Использование человеком энергии ветра началось примерно 5500 лет назад, когда появились первые парусные лодки и корабли, а архитекторы начали использовать в зданиях естественную ветряную вентиляцию.

Первым известным механизмом, работающим с помощью ветряного колеса, стал орган древнегреческого инженера Герона, сконструированный в первом веке н.э. Еще один пример – молитвенные мельницы, использующиеся в древнем Тибете и Китае уже в 4 веке.

Первые ветряные мельницы были построены в Систане (территория между современными Ираном и Афганистаном) по крайней мере в 9 веке, хотя возможно, что и в 7. Это были мельницы с вертикальной осью, длинными вертикальными валами и прямоугольными лопастями, покрытыми плотной тканью. Такие мельницы использовались для перемалывания зерен и насосной подачи воды. Далее использование ветряных мельниц распространилось на Ближнем Востоке и Средней Азии, а позже – в Китае и Индии.

В 1890-ых датский ученый Поль ля Кур сконструировал ветряные двигатели для выработки электричества, которое затем использовалось для получения водорода. Его последний ветряк 1896 года позже стал местной электростанцией в деревне.

Читайте также: