Насколько перспективно использование энергии ветра
Ветер – это не просто сложное физическое явление. В современном мире он используется как источник энергии и представляет собой экономически ценный продукт. Ветроэнергетика в мире становится всё более востребованной, над развитием этой отрасли работают учёные различных специальностей.
Насколько велик потенциал ветроэнергетики? Какими достоинствами и недостатками она обладает? Где применяется? Пришло время ответить на эти вопросы.
С чего всё начиналось
Существует общераспространённое заблуждение, что ветроэнергетика зародилась лишь в XVII–XIX столетиях. Однако на самом деле ветер как источник энергии активно использовался представителями древних цивилизаций. Вот несколько красноречивых примеров из истории:
Долгое время ветряная энергетика не могла похвалиться хорошими результатами. Она немного облегчала жизнь и работу человека, но не могла послужить на благо всего человечества.
И только в XX веке технический прогресс коснулся этой отрасли. Учёные начали разрабатывать оборудование, позволяющее преобразовывать энергию воздушных потоков в электроэнергию.
Востребованность
Сегодня энергия ветра используется человеком всё активнее.
По состоянию на 2015 год ветроэнергетика занимает в общем энергобалансе:
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.
Применение
Использование энергии ветра является одним из самых перспективных направлений в современной энергетике. Наглядное сравнение: потенциал ветра более чем в 100 раз превышает потенциал всех рек Земли.
Ветропарки бывают:
Набирает популярность офшорное строительство: ветроустановки возводятся прямо на воде, в 10–12 км от береговой линии океана. Такие парки приносят больше прибыли, чем традиционные. Связано это с тем, что скорость ветра над океаном в несколько раз выше, чем на суше.
Достоинства
Ветровая энергетика обладает рядом значимых преимуществ, таких как:
Все эти характеристики способствуют развитию и глобализации ветроэнергетики.
Недостатки
Ветроэнергетика не имеет каких-либо серьёзных недостатков, но и в этом аспекте есть проблемы:
Люди не могут «приручить» ветер, поэтому говорить о стабильности в работе ветрокомплексов невозможно. Впрочем, это относится ко всем возобновляемым источникам энергии.
Ложные теории
Противники ветроэнергетики придумывают различные лжетеории:
Основная задача таких выдумок – привлечение большего количества людей на сторону традиционной энергетики, которая является более прибыльной для современных предпринимателей.
Заключение
Резкий скачок в развитии ветроэнергетики сделал жизнь человека проще. Энергия ветра используется на крупных промышленных предприятиях и в маленьких сельскохозяйственных комплексах. Именно эта отрасль энергетики является самой востребованной и перспективной.
Энергия ветра
Энергия ветра — это кинетическая энергия движущегося воздуха. Ветер, обладающий энергией, появляется из-за неравномерного нагрева атмосферы солнцем, неровностей поверхности земли и вращения Земли. Скорость ветра определяет количество кинетической энергии, которая может быть преобразована в механическую энергию или электроэнергию. Механическая энергия может использоваться, например, для помола зерна и перекачивания воды. Механическая энергия может также использоваться для работы турбин, которые производят электричество. Данная работа сосредоточена именно на ветровой электроэнергии, а не на других неэлектрических формах энергии ветра.
Существует два основных способа, с помощью которых энергия ветра может быть преобразована (как для механических, так и для электротехнических целей): использование либо силы «аэродинамического сопротивления», либо «подъема». Способ аэродинамического сопротивления означает простое размещение одной стороны поверхности против ветра, в то время, как другая сторона находится с подветренной стороны. Движение за счет аэродинамического сопротивления происходит в том же направлении, что и дует ветер. Способ подъема несколько изменяет направление ветра и создает силу, перпендикулярную направлению ветра. Способ аэродинамического сопротивления менее эффективен, чем способ подъема.
Глобальное распределение ветра
Карта на этой странице показывает глобальные ресурсы ветра. Видно, что регионы с высоким потенциалом (около 9 м/с) находятся в средних и высоких широтах (Антарктида, южная Латинская Америка, Гренландия, Северная и Западная Европа), а также в районе огромных равнин и пустынь центральной части Северной Америки, России, Центральной Азии и Северной Африки (примерно 6 м/с).
Скорость ветра необходимая для выработки электроэнергии должна быть, по крайней мере, 2,5–3 м/с и не более 10–15м/с. Многие районы Земли не пригодны для размещения ветровых установок, и почти такое же количество районов характеризуется средней скоростью ветра в диапазоне (3–4,5м/с), что может быть привлекательным вариантом для производства электроэнергии. Однако значительная часть поверхности Земли характеризуется среднегодовой скоростью ветра, превышающей 4,5 м/с, когда энергия ветра наверняка может быть экономически конкурентоспособной.
Оценка ветровых ресурсов конкретной территории является сложной задачей, которая требует многообъемлющих данных. В целом, доступность и надежность данных о скорости ветра крайне низка во многих регионах мира. В общих чертах, потенциал производства ветровой электроэнергии зависит от следующих четырех факторов:
Скорость ветра, преобладающую в регионе, можно определить исходя из глобальной модели (низко- и высокоширотные восточные, среднеширотные западные, и маловетреные тропические зоны конвергенции). Кроме того, в прибрежных районах часто наблюдаются морские и наземные бризы, а высотные районы могут усиливать воздушные возмущения, вызванные тепловыми циклонами.
Источник: Международное энергетическое агентство (МЭА, 2009)
На рисунке приведена карта ветровых ресурсов мира (высота — 80 м, разрешение — 15 км) с указанием установленной мощностью и данными о производстве ветровой электроэнергии ведущими странами мира
Глобальные тенденции
Энергия ветра, с ее зарождением в конце 1970-х гг., стала глобальной отраслью, в которой участвуют энергетические гиганты. В 2008 году новые инвестиции в ветроэнергетику достигли 51,8 млрд. долларов США (35,2 млрд. евро) (ЮНЕП, 2009).
Согласно статистическим данным, опубликованным Европейской Ассоциацией Ветровой Энергетики (EWEA, 2011), преуспевающие рынки существуют в местах с надлежащими условиями размещения. В 2008 году ветроэнергетические установки обеспечили производство около 20% всей электроэнергии Дании, более 11% в Португалии и Испании, 9% в Ирландии и почти 7% в Германии, более 4% всей электроэнергии Европейского союза (ЕС) и почти 2% в США (МЭА Энергия ветра, 2009).
SНачиная с 2000 года, совокупная установленная мощность выросла в среднем на 30% в год (см. рисунок). В 2008 году более 27 ГВт электрической мощности были установлены в более чем 50 странах, в результате чего глобальный наземный и морской потенциал достиг 121 ГВт. В 2008 году Мировой Совет Энергии Ветра подсчитал, что было выработано около 260 миллионов мегаватт часов (260 тераватт часов) электроэнергии.
Беларусь: ветровые ресурсы
«Генеральный план развития ветроэнергетики СССР до 2010 года» 1989 года включал карту ветров каждой республики. Ресурсный потенциал оценивался по скорости ветра на высоте 30 м. Согласно этой ветровой карте скорость ветра на высоте 30 м не достигала 5 м/с. Исходя из этих данных, потенциал ресурсов энергии ветра Беларуси невысок.
Однако, на высоте 80 м показатели ветровых ресурсов улучшаются. Так средняя скорость ветра в Дзержинском районе составляет 8,6 м/с. Большинство стран согласно нижеприведенной карте располагают скоростью ветра около 5 м/с на высоте 80 метров. По данным официальной статистики, потенциал производства электроэнергии Беларуси за счет энергии ветра составляет 6,5 млрд. кВт/ч (при потенциале установленной мощности около 1600 МВт). Наиболее перспективные участки для ветроустановок находятся в Минской области, в западной части страны, а также в городах Витебске и Полоцке, в южной части страны.
При планировании размещения ветроэнергетических установок, желательно иметь больше информации о скорости ветра, а не только национальную карту, так как особенности местности, такие как рельеф, высота, водоемы и растительность оказывают существенное влияние на ветровые ресурсы.
Состояние на данный момент
В настоящее время технически возможное использование ветрового потенциала не превышает 5% от теоретического потенциала. Пока в Беларуси существует четыре важные ветроэнергетические установки.
Ветряная электростанция Дружная, расположенная в западной части страны, имеет полную установленную мощность 0,85 МВт. Она состоит из установки NORDEX (250 кВт), построенной в 2000 году, и систем Repower и турбины Jacobs (600 кВт), построенных в 2002 году. Эти установки производят электроэнергию примерно 1,3–1,4 ГВтч/год, которая поставляется примерно 700 жителям.
В Кореличском регионе работает установка 3×77 кВт, а в Дзержинском районе построена ветротурбина мощностью 250 кВт. Ветряная электростанция, расположенная около Минска имеет мощность 1,08 МВт, и, по оценкам специалистов, ее годовое производство составляет 2 ГВтч электроэнергии. Расположенная в центральной части страны, эта электростанция в состоянии обеспечить электричеством 900 жителей.
Программой развития ВИЭ Беларуси предполагается строительство нескольких ветряных парков, но пока строительные работы практически не начинались. В программе говорится о 1840 объектах, с установленной мощностью 1600 МВт и годовым производством энергии 3,3 млрд. кВт/ч, в том числе в Гродненской области (1,5 МВт), в регионах Новогрудка (15,5 МВт), Лиозно (60 МВт), Ошмян (25 МВт), Дзержинска (60 МВт) и Сморгони (15 МВт).
На рисунке приведена карта ветрового потенциала Беларуси на высоте 80м.
Источник: Европейский банк реконструкции и развития (ЕБРР) 
Источник: geni.org
Технология ветротурбин
Возможность производства электроэнергии определяется конструкцией ветровых турбин. Все ветровые турбины состоят из лопастей, которые вращают ось, соединенную с генератором, который и производит электрический ток.
Ветровые турбины могут быть расположены практически везде, где есть ветер, например, на море, на суше и в застроенном месте.
Ветровые турбины имеют различные размеры и номинальную мощность. Самая большая турбина имеет лопасти с размахом большим, чем длина футбольного поля, высоту 20-этажного здания и производит электроэнергию достаточную для электроснабжения 1400 зданий. И, наоборот, ветровая турбина размером с небольшой дом имеет лопасти диаметром от 8 до 25 футов, высоту — свыше 30 футов, и может обеспечивать электроэнергией полностью электрифицированное здание или малое предприятие.
Размер и мощность ветровых турбин колеблется в широких пределах. Выделяются три основных типа ветровых турбин: с горизонтальной осью, с вертикальной осью и канальные.
Турбины с горизонтальной осью (Пропеллерные ветровые турбины)
Пропеллерные ветровые турбины (сокращенно ПВТ) в настоящее время доминируют. Этот вид похож на ветряную мельницу с лопастями в виде пропеллера, которые вращаются вокруг горизонтальной оси.
Пропеллерные ветровые турбины имеют основную ось ротора и электрический генератор в верхней части мачты. Ось ротора должна быть направлена в сторону ветра. Малые турбины ориентируются по ветру с помощью простых направляющих, установленных перпендикулярно лопастям ротора, в то время как в больших турбинах обычно используется датчик ветра, управляющий поворотным двигателем. Большинство крупных ветровых турбин имеют редуктор, который преобразует медленное вращение ротора в быстрое вращение генератора, что важно для выработки электроэнергии.
Так как за мачтой создается турбулентность, турбины, как правило, располагаются с той стороны, откуда дует ветер. В противном случае, турбулентность может привести к авариям из усталостных напряжений, что снижает надежность установки. Тем не менее, несмотря на проблемы турбулентности, построены установки с расположением турбины по направлению ветра, так как они не нуждаются в дополнительном механизме для их ориентации по ветру, и, во время сильного ветра, их лопасти могут сгибаться, что уменьшает зону скольжения и таким образом сопротивление ветру.
Ветровые турбины с вертикальной осью (Виндроторные ветровые турбины)
Виндроторные ветровые турбины (ВВТ) бывают разных типов, но все они имеют общую черту: основной вал ротора расположен вертикально (а не горизонтально).
Различные модели (см. ниже) разрабатываются специально для мест, где направление ветра очень изменчиво или беспокойно. ВВТ, как правило, считаются более легкими в установке и обслуживании, так как генератор и другие основные компоненты могут быть размещены близко к земле (нет необходимости в том, чтобы мачта держала компоненты турбины, а компоненты становятся более доступны).
ВВТ, как правило, менее эффективны, чем ПВТ, по следующим причинам:
Таблица. ПВТ и ВВТ: преимущества и недостатки
Источник: Centurion Energy
ВВТ Дарье
Запатентованная французским авиационным инженером Жоржем Жан-Мари Дарье в 1931 году, ветряная турбина Дарье часто называется «венчиком для взбивания яиц» из-за ее внешнего вида. Она состоит из нескольких вертикально направленных лопастей, которые вращаются вокруг центральной оси.
Разница между ПВТ и ВВТ Дарье состоит в том, что ось пропеллерной турбины всегда сталкивается с ветром, а турбина Дарье представляет собой цилиндр перпендикулярный воздушному потоку. Таким образом, часть турбины работает, а другая часть просто крутиться по кругу.
Разница между ПВТ и ВВТ Дарье состоит в том, что ось пропеллерной турбины всегда сталкивается с ветром, а турбина Дарье представляет собой цилиндр перпендикулярный воздушному потоку. Таким образом, часть турбины работает, а другая часть просто крутиться по кругу.
Лопасти позволяют турбине достигать скоростей, которые выше, чем фактическая скорость ветра, что делает их подходящими для выработки электроэнергии, а не для откачки воды, например. Турбина Дарье может работать при скорости ветра до 220 км/ч и при любом его направлении.
Основной недостаток турбины Дарье — невозможность самостоятельного включения. Для пуска турбины требуется внешний привод (например, небольшой двигатель или набор маленьких турбин Савониуса). При достаточной скорости вращения, ветер создает достаточный крутящий момент, и ротор начинает вращаться вокруг оси с помощью ветра.
Тип турбины Дарье теоретически так же эффективен, как и пропеллерный тип, если скорость ветра постоянная, но на практике эта эффективность редко реализуется из-за возникающих физических напряжений, конструкционных особенностей и изменяемости скорости ветра.
Особым типом турбины Дарье является «Тип Н» (или «Gyromill»). Для получения энергии ветра он работает по тому же принципу, что и ветряная турбина Дарье, но вместо изогнутых лопастей применяются 2 или 3 прямые лопасти, индивидуально прикрепленные к вертикальной оси.
Три основных вида ВВТ Дарье (включая «Gyromill»)
Источник: eolienne.comprendrechoisir.com
ВВТ Савониуса
Турбина Савониуса является простым видом турбины, который был придуман в его современном виде финским инженером Сигурдом Джоханесом Савониусом в 1922 году. Она обычно применяется в случаях, требующих высокой надежности, а не высокой эффективности (например, в вентиляции, в анемометрах, во внутреннем микропроизводстве).
Турбины Савониуса гораздо менее эффективны, чем ПВТ и ВВТ Дарье (около 15%, см. ниже «Расчет энергии ветра»), но в отличие от первых, они хорошо работают при турбулентном ветре и, в отличие от последних, они самостоятельно включаются. В структурном плане они являются устойчивыми, могут хорошо противостоять сильным ветрам и остаются без повреждений и работают тише по сравнению с другими типами.
В отличие от турбины Дарье, которая работает под действием силы «подъема», турбина Савониуса работает за по принципу «аэродинамического сопротивления». Она состоит из 2–3 «ковшей»: изогнутые элементы испытывают меньшее сопротивление при движении против ветра, чем при движении по ветру из-за изогнутой формы ковшей. С точки зрения аэродинамики именно это дифференциальное сопротивление заставляет турбину Савониуса вращаться.
Источник: ITV
Таблица: Дарье или Савониус
Расчет энергии ветра
Мощность энергии ветра (P в ваттах) при известной скорости ветра рассчитывается по следующей формуле:
P = ½ x «плотность воздуха» x «площадь охвата» x («скорость ветра») 3
A = π x («длина лопасти») 2
Однако, как только важные технические требования к ветровым турбинам принимаются во внимание (например, прочность и износостойкость, передаточное число редуктора, требования к подшипникам, генератору), предел количества энергии, которая может быть получено за счет энергии ветра уменьшается до 10–30% от фактической энергии ветра. Этот предел называется «коэффициент мощности», который является уникальным для каждого вида ветровой турбины. Для расчета количества извлекаемой энергии этот коэффициент мощности («Cp») должен быть введен в приведенную выше формулу:
P доступная = ½ x «плотность воздуха» x «площадь охвата» x («скорость ветра») 3 x Cp
Коэффициент мощности Cp зависит от типа ветровой турбины, и изменяется от 0,05 до 0,45.
Источник: buckville.com
Энергия ветра: разбираемся в самых популярных мифах о ветряных электростанциях
В начале 2019 года в России функционировало 15 ветряных электростанций, суммарная мощность которых составляла 183,9 МВт или 0,08 % от мощности всей энергосистемы страны. По сравнению со странами Европы, Китаем и США это очень мало. Неудивительно, что подавляющее большинство россиян до сих пор считают, что главными источниками энергии в стране являются нефть и газ, а производство на основе других видов энергии, например, ветряной, неэффективна, стоит дорого и даже опасна для здоровья. «Хайтек» вместе с компанией «Энел Россия» рассказывает, почему на самом деле ветряные электростанции не вызывают рак и бессонницу, не приводят к бедности и сокращению рабочих мест, а на их строительство требуется меньше ресурсов, чем на добычу нефти и газа.
Читайте «Хайтек» в
Рынок ветроэнергетики во всем мире достаточно развит: совокупный объем установленных мощностей электростанций, использующих энергию ветра, по данным на конец 2018 года достиг 564 ГВт. Наибольший прирост показали Китай, США и Германия.
При правильном развертывании ветряные электростанции позволят достичь цели, установленной Парижским соглашением — не допустить повышения температуры более чем на 2 °C по сравнению с доиндустриальным уровнем в этом столетии. Ветряки, в отличие от угольных и газовых электростанций, не производят прямых выбросов в атмосферу и безопаснее для здоровья человека и окружающей среды, чем традиционная энергетика. Но это согласно официальной информации, однако у обывателей к создателям ветроэнергетических установок (ВЭУ) свои вопросы. Поэтому рассказываем о том, стоит ли опасаться альтернативной — ветряной — энергетики.
Миф 1: Шум от ветряных электростанций приводит к проблемам со здоровьем и просто мешает жить
Постоянный шум и свист появляется в ближайших к месту установки ветряной электростанции населенных пунктах — так звучит один из самых распространенных мифов о ветроэнергетике. На самом деле, ветряные электростанции не издают много шума — звуковое загрязнение, производимое лопастями и оборудованием ВЭУ, гораздо ниже, чем то, которому человек подвергается в городских условиях.
Согласно действующим в России санитарным нормам, эквивалентный уровень шума в населенных пунктах составляет 55 дБ в течение дня и 45 дБ ночью. На практике: в сельской местности, где шум в ночное время колеблется от 20 до 40 дБ, ветряк будет издавать звук мощностью 35–45 дБ. Но это значение справедливо только в радиусе 350 м от электростанции (если речь идет об одиноко стоящем ветряке) — далее уровень шума соответствует естественному фону.
Что касается различных заболеваний, начиная от бессонницы и заканчивая раком, то существует ряд исследований (например, проведенное Минздравом Канады), которые свидетельствуют о нулевом влиянии ветровых электростанций на здоровье человека.
В январе 2012 года Департамент охраны окружающей среды штата Массачусетс, США, опубликовал исследование о возможном воздействии ветряных электростанций на здоровье. В документе, составленном группой независимых врачей и инженеров, говорится о «недостаточном количестве доказательств того, что шум от ветряных турбин напрямую влияет на сон и вызывает проблемы со здоровьем или болезни».
Миф 2: Ветер — не слишком экологичный источник энергии
Энергия ветра снижает, а не увеличивает выработку углекислого газа в энергетическом секторе. Например, в Великобритании расчетное сокращение выбросов CO₂ по сравнению с ожидаемым объемом к 2020 году составило 15 млн т в год. Переход на альтернативные источники энергии — ветер, солнце и вода — а точнее, замена 61% традиционных электростанций на «зеленые» позволит сократить выбросы углекислого газа в Европе к 2030 году на 265 млн т.
Да, ветряные электростанции приводят к непрямым выбросам CO₂, но они составляют всего 11 г/кВт*ч. Для сравнения, тот же показатель у газовых электростанций составляет 490 г/кВтч, а у угольных — 820 г/кВтч.
Миф 3: Ветряная энергетика не создает рабочих мест
Согласно прогнозам, к 2030 году в секторе возобновляемой энергетики будет задействовано около 24 млн человек — в 2017 году в нем уже работало около 8,8 млн сотрудников. Это сделает ветроэнергетику и ВИЭ в целом одним из драйверов развития мировой экономики. Только в Европе к 2030 году появится 90 тыс. дополнительных рабочих мест.
К тому же цены на нефть в последние несколько лет падают — это приводит к сокращению рабочих мест в нефтедобывающих компаниях. В 2015 году из-за снижения стоимости ископаемого топлива без работы осталось 250 тыс. человек.
Кроме того, игроки энергорынка активно сокращают сотрудников из-за растущей автоматизации труда. В 2018–2019 годах General Electric и Siemens по этой причине сократили несколько тысяч человек.
Миф 4: Ветряные электростанции — это дорого
Затраты на строительство ветряных электростанций ниже, чем при возведении традиционных электростанций, а стоимость энергии ветра постепенно снижается вместе с ростом объема новых ветропарков. По данным Bloomberg, стоимость строительства и эксплуатации ветряных электростанций за последние 10 лет по всему миру сократилась на 38%.
По данным правительства России, в 2015–2017 годах затраты на строительство ветряных электростанций упали на 33,6%. В июне 2019 года министр энергетики России Александр Новак заявил, что стоимость возведения ветряных электростанций сравнялась со строительством газотурбинных ТЭЦ при пересчете на расходы станции по производству 1 кВт*ч.
Согласно отчету компании Coface от 2018 года, ветроэнергетика быстро растет благодаря постоянному снижению цен на ветрогенераторы. При этом строятся они значительно быстрее традиционных.
Миф 5: Ветряные электростанции работают только 30% времени и не производят электричество в снег и штиль
Эффективность ветряных электростанций часто путают с коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ). Современные ветряные турбины вырабатывают электроэнергию 80–85% времени, а объем производимой энергии зависит от скорости ветра. КИУМ для ветряных электростанций составляет 28–30%, а для обычной, тепловой или газотурбинной, электростанции — в среднем 50-60%.
Ветроэлектростанции работают даже при слабом ветре (2-3 м/с) и в дождь, а небольшой объем производимой в таких условиях энергии уравновешивается запасами энергии, произведенными при более благоприятных погодных условиях. Кроме того, ветряные электростанции могут распределять электроэнергию между сетями — в зависимости от того, где ветер дует сильнее, и работать в связке с солнечными, биоэнергетическими и газовыми электростанциями.
Все формы производства энергии оказывают влияние на окружающую среду, на живущих рядом с электростанциями людей и животных. Но влияние ветряной энергетики — одно из самых низких из существующих. Некоторые из описанных выше опасений содержат долю правды, однако ветроэнергетика — молодая технология, которая развивается быстрыми темпами и постоянно становится эффективнее и безопаснее.
