Мельница со станиной

Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в 13-м веке принесены в Европу крестоносцами.

«Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле» (К. Маркс . «Машины: применение природных сил и науки»).

Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых .

Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра

Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т. н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше. Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть ещё несколько существенных преимуществ: они практически бесшумны, и не требуют совершенно никакого обслуживания, при сроке службы более 20 лет. Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.

Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по сравнению с сушей выше в 1,5 - 2 раза. В море, на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции . Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.

Могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания. Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года . Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.

5 июня 2009 года компании Siemens AG и норвежская Statoil объявили об установке первой в мире коммерческой плавающей ветроэнергетической турбины мощностью 2,3 МВт, производства Siemens Renewable Energy.

Статистика по использованию энергии ветра

На июнь 2012 года суммарные установленные мощности всех ветрогенераторов мира составили 254 ГВт. Среднее увеличение суммы мощностей всех ветрогенераторов в мире, начиная с 2009 года, составляет 38-40 гигаватт за год и обусловлено бурным развитием ветроэнергетики в США, Индии, КНР и ФРГ . Предполагаемая мощность ветряной энергетики к концу 2012 года по данным World Wind Energy Assosiation приблизится к значению в 273 ГВт .

В 2010 году в Европе было сконцентрировано 44 % установленных ветряных электростанций, в Азии - 31 %, в Северной Америке - 22 %.

Таблица: Суммарные установленные мощности, МВт, по странам мира 2005-2011 г. Данные Европейской ассоциации ветроэнергетики и GWEC .

Таблица: Суммарные установленные мощности, МВт по данным WWEA .

В то же время, по данным European Wind Energy Association, суммарная вырабатываемая мощность ветряной энергии в России за 2010 год составила 9 МВт, что приблизительно соответствует показателям Вьетнама (31 МВт), Уругвая (30,5 МВт), Ямайки (29,7 МВт), Гваделупы (20,5 МВт), Колумбии (20 МВт), Гайаны (13,5 МВт) и Кубы (11,7 МВт).

В 2011 году 28 % электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра .

В 2009 году в Китае ветряные электростанции вырабатывали около 1,3 % суммарной выработки электроэнергии в стране. В КНР с 2006 года действует закон о возобновляемых источниках энергии. Предполагается, что к 2020 году мощности ветроэнергетики достигнут 80-100 ГВт.

Португалия и Испания в некоторые дни 2007 года из энергии ветра выработали около 20 % электроэнергии . 22 марта 2008 года в Испании из энергии ветра было выработано 40,8 % всей электроэнергии страны .

Ветроэнергетика в России

Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд кВт·ч /год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт·ч /год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.

Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.

Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период - период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % - в Северном экономическом районе, около 16 % - в Западной и Восточной Сибири.

Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17-18 МВт.

Cамая крупная ветроэлектростанция России (5,1 МВт) расположена в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области . Зеленоградская ВЭУ состоит из 21 установки датской компании SЕАS Energi Service A.S.

Существуют проекты на разных стадиях проработки Ленинградской ВЭС 75 МВт Ленинградская область , Ейской ВЭС 72 МВт Краснодарский край , Калининградской морской ВЭС 50 МВт, Морской ВЭС 30 МВт Карелия , Приморской ВЭС 30 МВт Приморский край , Магаданской ВЭС 30 МВт Магаданская область , Чуйской ВЭС 24 МВт Республика Алтай , Усть-Камчатской ВДЭС 16 МВт Камчатская область , Новиковской ВДЭС 10 МВт Республика Коми , Дагестанской ВЭС 6 МВт Дагестан , Анапской ВЭС 5 МВт Краснодарский край , Новороссийской ВЭС 5 МВт Краснодарский край и Валаамской ВЭС 4 МВт Карелия .

Ветряной насос «Ромашка» производства СССР

Как пример реализации потенциала территорий Азовского моря можно указать Новоазовскую ВЭС , действующей на 2010 год мощностью в 21,8 МВт, установленную на украинском побережье Таганрогского залива .

Предпринимались попытки серийного выпуска ветроэнергетических установок для индивидуальных потребителей, например водоподъёмный агрегат «Ромашка ».

В последние годы увеличение мощностей происходит в основном за счет маломощных индивидуальных энергосистем, объём реализации которых составляет 250 ветроэнергетических установок (мощностью от 1 кВт до 5 кВт).

Перспективы

Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты.

В 2008 году Европейским Союзом установлена цель: к 2010 году установить ветрогенераторов на 40 тыс. МВт, а к 2020 году - 180 тыс. МВт. Согласно планам Евросоюза общее количество электрической энергии, которые выработают ветряные электростанции, составит 494,7 Тв-ч. .

Венесуэла за 5 лет с 2010 года планирует построить ветряных электростанций на 1500 МВт. .

Франция планирует к 2020 году построить ветряных электростанций на 25 000 МВт, из них 6 000 МВт - офшорных .

Экономические аспекты ветроэнергетики

Лопасти ветрогенератора на строительной площадке.

Основная часть стоимости ветроэнергии определяется первоначальными расходами на строительство сооружений ВЭУ (cтоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ ~$1000).

Экономия топлива

Ветряные генераторы в процессе эксплуатации не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти .

Себестоимость электроэнергии

Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами , зависит от скорости ветра .

Для сравнения: себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях США , 4,5 - 6 цента/кВт·ч. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт·ч.

При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15 %. Ожидается, что себестоимость ещё снизится на 35-40 % к концу г. В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла $0,38.

По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО 2 на 1,5 миллиарда тонн .

Влияние на климат

Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании ветряков (например в Европе) это замедление теоретически может оказывать заметное влияние на локальные (и даже глобальные) климатические условия местности. В частности, снижение средней скорости ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным за счет того, что медленно движущиеся воздушные массы успевают сильнее нагреться летом и охлаждаться зимой. Также отбор энергии у ветра может способствовать изменению влажностного режима прилегающей территории. Впрочем, учёные пока только разворачивают исследования в этой области, научные работы, анализирующие эти аспекты, не дают количественную оценку воздействия широкомасштабной ветряной энергетики на климат, однако позволяют заключить, что оно может быть не столь пренебрежимо малым, как полагали ранее .

Вентиляция городов

В современных городах выделяется большое количество вредных веществ, в том числе от промышленных предприятий и автомобилей. Естественная вентиляция городов происходит с помощью ветра. При этом описанное выше снижение скорости ветра из-за массового использования ВЭУ может снижать и вентилируемость городов. Особенно неприятные последствия это может вызвать в крупных мегаполисах: смог, повышение концентрации вредных веществ в воздухе и, как следствие, повышенная заболеваемость населения. В связи с этим установка ветряков вблизи крупных городов нежелательна .

Шум

Ветряные энергетические установки производят две разновидности шума:

• механический шум - шум от работы механических и электрических компонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, но является значительным в ветроустановках старших моделей)
• аэродинамический шум - шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки)

В настоящее время при определении уровня шума от ветроустановок пользуются только расчётными методами. Метод непосредственных измерений уровня шума не даёт информации о шумности ветроустановки, так как эффективное отделение шума ветроустановки от шума ветра в данный момент невозможно.

В непосредственной близости от ветрогенератора у оси ветроколеса уровень шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ.

Примером подобных конструктивных просчётов является ветрогенератор Гровиан. Из-за высокого уровня шума установка проработала около 100 часов и была демонтирована.

Как правило, жилые дома располагаются на расстоянии не менее 300 м от ветроустановок. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковые колебания уже не может быть выделен из фоновых колебаний.

Обледенение лопастей

При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокой влажности воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. При пуске ветроустановки возможен разлёт льда на значительное расстояние. Как правило, на территории, на которой возможны случаи обледенения лопастей, устанавливаются предупредительные знаки на расстоянии 150 м от ветроустановки.

Кроме того, в случае легкого обледенения лопастей были отмечены случаи улучшения аэродинамических характеристик профиля.

Визуальное воздействие

Визуальное воздействие ветрогенераторов - субъективный фактор. Для улучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмах работают профессиональные дизайнеры. Ландшафтные архитекторы привлекаются для визуального обоснования новых проектов.

В обзоре, выполненном датской фирмой AKF, стоимость воздействия шума и визуального восприятия от ветрогенераторов оценена менее 0,0012 евро на 1 кВт·ч. Обзор базировался на интервью, взятых у 342 человек, живущих поблизости от ветряных ферм. Жителей спрашивали, сколько они заплатили бы за то, чтобы избавиться от соседства с ветрогенераторами.

Использование земли

Турбины занимают только 1 % от всей территории ветряной фермы . На 99 % площади фермы возможно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью , что и происходит в таких густонаселённых странах, как Дания , Нидерланды , Германия . Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землёй, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни. Земля сдаётся в аренду, что позволяет фермерам получать дополнительный доход. В США стоимость аренды земли под одной турбиной составляет $3000-$5000 в год.

Таблица: Удельная потребность в площади земельного участка для производства 1 млн кВт·ч электроэнергии

Вред, наносимый животным и птицам

Таблица: Вред, наносимый животным и птицам. Данные AWEA .

Популяции летучих мышей, живущие рядом с ВЭС на порядок более уязвимы, нежели популяции птиц. Возле концов лопастей ветрогенератора образуется область пониженного давления, и млекопитающее, попавшее в неё, получает баротравму. Более 90 % летучих мышей, найденных рядом с ветряками обнаруживают признаки внутреннего кровоизлияния. По объяснениям учёных, птицы имеют иное строение лёгких, а потому менее восприимчивы к резким перепадам давления и страдают только от непосредственного столкновения с лопастями ветряков .

Использование водных ресурсов

В отличие от традиционных тепловых электростанций, ветряные электростанции не используют воду, что позволяет существенно снизить нагрузку на водные ресурсы.

Радиопомехи

Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигнала . Чем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы .

См. также

Источники

1. Global Wind Installations Boom, Up 31 % in 2009
2. World Wind Energy Report 2010 (PDF). Архивировано
3. Wind Power Increase in 2008 Exceeds 10-year Average Growth Rate . Worldwatch.org. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
4. Renewables . eirgrid.com. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
5. «Wind Energy Update » (PDF). Wind Engineering : 191–200.
6. Impact of Wind Power Generation in Ireland on the Operation of Conventional Plant and the Economic Implications . eirgrid.com (February 2004). Архивировано из первоисточника 26 августа 2011. Проверено 22 ноября 2010.
7. "Design and Operation of Power Systems with Large Amounts of Wind Power", IEA Wind Summary Paper (PDF). Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
8. Claverton-Energy.com (28 августа 2009). Архивировано из первоисточника 26 августа 2011. Проверено 29 августа 2010.
9. Alan Wyatt, Electric Power: Challenges and Choices, (1986), Book Press Ltd., Toronto, ISBN 0-920650-00-7 ,
10. http://www.tuuliatlas.fi/tuulisuus/tuulisuus_4.html Пограничный слой в атмосфере
11. http://www.tuuliatlas.fi/tuulivoima/index.html Размеры генераторов по годам
12. http://www.hyotytuuli.fi/index.php?page=617d54bf53ca71f7983067d430c49b7 Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия
13. Clipper Windpower Announces Groundbreaking for Offshore Wind Blade Factory
14. Edward Milford BTM Wind Market Report 20 Июль 2010 г.
15. Jorn Madslien . Floating wind turbine launched , BBC NEWS , London: BBC , стр. 5 June 2009. Проверено 23 декабря 2012.
16. Annual installed global capacity 1996-2011
17. Half-year report 2012
18. US and China in race to the top of global wind industry
19. http://www.gwec.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_2010/Annex%20stats%20PR%202009.pdf
20. «Wind in power. 2011 European statistics »
21. «Global Wind Statistics 2011 »
22. Die Energiewende in Deutschland
23. The Danish Market
24. БИКИ, 25.07.09г., «На рынке ветроэнергетического оборудования КНР»
25. Wind power - clean and reliable
26. Испания получила рекордную долю электричества от ветра
27. Использование энергии ветра в СССР \\ Бурят-Монгольская правда. № 109 (782) 18 мая 1926 года. стр. 7
28. Энергетический портал. Вопросы производства, сохранения и переработки энергии
29. http://www.riarealty.ru/ru/article/34636.html «РусГидро» определяет перспективные площадки в РФ для строительства ветроэлектростанций
30. =1&cHash=EU will exceed renewable energy goal of 20 percent by 2020] (англ.) . Проверено 21 января 2011.
31. Denmark aims to get 50% of all electricity from wind power
32. EWEA: 180 GW of Wind Power Possible in Europe by 2020 | Renewable Energy World
33. Lema, Adrian and Kristian Ruby, «Between fragmented authoritarianism and policy coordination: Creating a Chinese market for wind energy» , Energy Policy, Vol. 35, Isue 7, July 2007
34. China’s Galloping Wind Market (англ.) . Проверено 21 января 2011.
35. India to add 6,000 MW wind power by 2012 (англ.) . Архивировано из первоисточника 26 августа 2011. Проверено 21 января 2011.
36. Venezuela, Dominican Republic Step into Wind 9 Сентябрь 2010 г.
37. John Blau France Could Be Next Offshore Wind Powerhouse 26 Январь 2011 г.
38. American Wind Energy Association. The Economics of Wind Energy
39. Wind Energy and Wildlife: The Three C’s
40. Wind Energy Could Reduce CO2 Emissions 10B Tons by 2020
41. D.W.Keith,J.F.DeCarolis,D.C.Denkenberger,D.H.Lenschow,S.L.Malyshev,S.Pacala,P.J.Rasch The influence of large-scale wind power on global climate (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . - 2004. - В. 46.
42. Dr.Yang(Missouri Western State University) A Conceptual Study of Negative Impact of Wind Farms to the Environment (англ.) // The Technology Interface Journal . - 2009. - В. 1.
43. http://www.canwea.ca/images/uploads/File/CanWEA_Wind_Turbine_Sound_Study_-_Final.pdf
44. Wind Energy in Cold Climates
45. Wind energy Frequently Asked Questions
46. Энергия ветра: мифы против фактов
47. MEMBRANA | Мировые новости | Ветровые турбины убивают летучих мышей без единого прикосновения
48. Устаревшие РЛС тормозят развитие ветровой энергетики 06 сентября 2010 года

Здесь - сайт ветроэнергетики . НПГ «САЙНМЕТ» является отечественным РАЗРАБОТЧИКОМ И ПРОИЗВОДИТЕЛЕМ ветроэнергетических установок (ветрогенераторов), одним из мировых лидеров в области автономной ветроэнергетики – обладателем Гран-при и трех золотых медалей Всемирной Брюссельской выставки инноваций «Eureka-2005». НПГ «САЙНМЕТ» представляет автономные ветроэнергетические установки: ветрогенератор мощностью 5 и ветрогенератор мощностью 40кВт, а также ветросолнечные и ветродизельные установки на их основе.

Ветродизельные энергетические установки могут быть объединены в локальные сети, а также сопряжены с солнечными батареями. Ветродизельные агрегаты, в зависимости от ветрового потенциала местности, позволяют экономить 50-70% топлива, потребляемого дизель-генераторами сравнимой мощности.

Основные конструктивные решения ветрогенераторов защищены патентами на изобретения.

Энергия ветра

Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиями бороздившие просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь ничтожную долю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле. Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это более чем в 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.

Почему же столь обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Ветровой энергетический потенциал Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт * ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Непостоянство ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно удорожает себестоимость электроэнергии. Из-за рассеянности при сооружении равных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних требуется в пять раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для сельскохозяйственных нужд). Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек., называется умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше 30 м/сек. – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.

Основное направление использования энергии ветра – получение электроэнергии для автономных потребителей, а также механической энергии для подъема воды в засушливых районах, на пастбищах, осушения болот и др. В местностях, имеющих подходящие ветровые режимы, ветроустановки в комплекте с аккумуляторами можно применять для питания автоматических метеостанций, сигнальных устройств, аппаратуры радиосвязи, катодной защиты от коррозии магистральных трубопроводов и др.

По оценкам специалистов, энергию ветра можно эффективно использовать там, где без существенного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные перерывы в подаче энергии. Использование же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяет применять их для снабжения энергией практически любых потребителей.

Мощные ветровые установки стоят обычно в районах с постоянно дующими ветрами (на морских побережьях, в мелководных прибрежных зонах и т.д.) Такие установки уже используют в России, США, Канаде, Франции и других странах.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород, Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Литература

Наука и жизнь, №1, 1991 г. М.: Правда.

Техника молодёжи, №5, 1990 г.

Феликс Р. Патури Зодчие ХХI века М.: ПРОГРЕСС, 1979. 345 с.

Наука и жизнь, No10, 1986 г. М.: Правда.

Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.

Коровин Н.В. Новые химические источники тока М.: Энергия, 1978. 194 с.

Д-р Дитрих Берндт Конструкторский уровень и технические границы применения герметичных батарей А/О ВАРТА Беттери Научно-исследовательский центр

Лаврус В.С. Батарейки и аккумуляторы К.: Наука и техника, 1995. 48 с.

Наука и жизнь, №5...7, 1981 г. М.: Правда.

Мурыгин И.В. Электродные процессы в твердых электролитах М.: Наука, 1991. 351 с.

The Power Protection Handbook American Power Conversion

Шульц Ю. Электроизмерительная техника 1000 понятий для практиков М.: Энергоиздат, 1989. 288 с.

Наука и жизнь, №11, 1991 г. М.: Правда.

Ю. С. Крючков, И. Е. Перестюк Крылья Океана Л.: Судостроение, 1983. 256 с.

В. Брюхань. Ветроэнергетический потенциал свободной атмосферы над СССР Метрология и гидрология. №6, 1989 г.

В поисках альтернативных источников энергии человечество шагнуло далеко вперед. Например, все чаще используется сила солнца, создаются ветряные электростанции. Наверное, именно ветер может рассматриваться как оптимальный способ получения электрической энергии - эффективный, и при этом достаточно экономичный.

Ветер, ветер, ты могуч

Ветряная электростанция - это группа специальных генераторов, которые объединены в систему и используют для создания энергии силу ветра. Особенность таких генераторов в их безопасности для окружающей среды. Сегодня больше всего ветряных станций построено в Германии, Дании, при этом в таких странах не только ниже затраты на энергию, они еще экспортируют установки и технологии в другие государства. Работают ветряные электростанции по следующему принципу: под воздействием ветра вращаются лопасти конструкции, а благодаря редуктору приводится в действие электрогенератор. Энергия, которая в результате получается, транспортируется по кабелю.

Как правило, мачты в установках имеют достаточную высоту, а потому используют силу природы по максимуму. При составлении проекта подобной конструкции сначала тщательно исследуется местность, изучаются и его направление при помощи ряда приборов. Уже на основе данных решается, окупится ли установленная ветряная электростанция.

Главное - правильный выбор

Сегодня покупателям предлагаются разнообразные ветряные электростанции для дома.Выбирать их следует в зависимости от того, каковы потребности заказчика. Например, если нужно обеспечить работу техники в сельском хозяйстве, то мощности нужны небольшие. А вот для решения более серьезных задач, например, электрификации зданий и сооружений или монтажа отопительной системы в доме нужны более мощные ветрогенераторы. Заниматься подготовкой местности и непосредственно работами по установке обязательно должны только специалисты.

Прежде чем купить ветрогенератор, нужно учесть ряд нюансов, включая нагрузку в пиковые моменты, средние показатели потребления энергии, скорость ветра. Также стоит помнить, что чем выше мачта, тем сильнее и мощнее ветер будет крутить лопасти турбины. Правда, монтаж таких конструкций дороговат. Оптимальное расположение - на 10 метров выше здания или дерева, находящегося в радиусе примерно 100 метров.

Плюсы

Ветряные электростанции сегодня довольно востребованы, что связано с рядом причин.

• Во-первых, это более выгодно, если сравнивать с другими источниками энергии.
• Во-вторых, запасы силы ветра неисчерпаемы.
• В-третьих, такие мельницы имеют простое устройство, поэтому их монтаж производится довольно быстро. Главное - провести исследования объекта, на котором они будут располагаться.
• В-четвертых, производство электроэнергии таким способом намного дешевле, да и позволяет экономить богатства недр.
• В-пятых, ветряные мельницы обеспечивают электроэнергией стабильно и надежно.
• В-шестых, такие устройства абсолютно безопасны для окружающей среды, что тоже очень важно.

Минусы

С другой стороны, как и любой другой источник энергии, ветряные электростанции (фото показывают, насколько просты их конструкции) имеют и минусы.

• Во-первых, ветер не постоянен, то есть дует он по-разному - то сильно, то слабо. Соответственно, не везде возможно их устанавливать.
• Во-вторых, ветряные конструкции работают довольно шумно, значит, располагать их нужно вдали от жилых объектов.
• В-третьих, такие мельницы могут стать помехой для радио- и телеприборов. Правда, в той же Европе с этим недостатком смирились, и сегодня здесь уже действуют больше 26 000 ветряных электростанций.
• Еще один минус - подобные установки могут навредить летящим птицам, поэтому возводить их нужно там, где нет мест их миграции и гнездования.

Что купить?

Современные ветряные электростанции для дома представлены в широком ассортименте. Они отличаются производительностью и рассчитаны на разную силу и скорость ветра. Например, установки мощностью в 400-6400 Вт вполне достаточно для обеспечения энергией небольших хозяйств, магазинов, ресторанов, которые находятся в удалении от основных источников энергии. Если нужно обеспечить электричеством несколько домов или небольшой поселок, то нужны станции большей мощности, в среднем 18000-26 500 Вт. Такие же установки целесообразно монтировать рядом с большими производствами и коммерческими объектами. На самые простые ветряные электростанции для дома цена начинается от 700 000 рублей, более дорогие установки стоят около трех миллионов рублей.

Альтернативные виды

Как мы уже сказали, ветряная мельница - достаточно шумная установка, однако сейчас предлагаются генераторы, которые работают не так мощно. Например, бесшумный ветрогенератор - это идеальное решение для небольших и средних по размерам объектов, ферм, магазинов, если они располагаются в удаленных районах. Сегодня большой популярностью пользуются вертикальные установки ввиду своей эффективности и простоты монтажа. Преимущества такой системы следующие:

• тихая работа без вибраций;
• устойчивость к сильному ветру;
• защита корпуса алюминиевым покрытием от молнии;
• не имеет значения направление ветра.

Бесшумные домашние ветряные электростанции просты в уходе, монтаже, поскольку здесь нет мелких деталей. Немаловажно, что и вред птицам нанесен не будет, поскольку дизайн установок таков, что ландшафт не будет нарушен. Еще один интересный вариант - парусный генератор. Конечно, он не отличается привлекательным дизайном, зато может выработать энергию даже при слабом ветре. Подобные ветряные электростанции хороши тем, что благодаря парусу они быстро подстраиваются под движение сил природы, значит, и выработка энергии происходит стабильно. Конструкции абсолютно экологичны, имеют низкую стоимость, работают без шума и вибраций, а это говорит о том, что у них есть будущее.

Каковы перспективы?

В целом, экологическая ситуация в мире такова, что природные ресурсы постепенно истощаются, и в скором времени такое решение, как ветряные мельницы, станет самой настоящей реальностью во всем мире. Не случайно жители многих стран постепенно приходят к тому, чтобы установить подобные конструкции и на своем участке. В России, по мнению специалистов, достаточно потенциальных возможностей для того, чтобы активно развивалась ветроэнергетика. Правда, пока этот процесс идет медленными темпами ввиду отсутствия достаточного финансирования. В случае если ситуация изменится, а государство будет уделять достаточно внимания этому способу получения энергии, в скором времени и наша страна перейдет на альтернативные решения. На сегодняшний день ветряные электростанции в России представлены в республиках Калмыкия и Башкортостан, Чувашия, Коми, в Калининградской, Саратовской, Оренбургской, Ростовской, Мурманской, Астраханской областях, а также в Чукотском автономном округе. Однако специалисты утверждают: в скором времени география расположения ветряков станет значительно шире.

Как сделать ветряную электростанцию?

Стремление сэкономить на тратах на энергию и привнести что-то новое приводит к тому, что народные умельцы начинают делать ветряки своими руками. В самом простом виде он представляет собой две половинки цилиндра, которые раздвинуты в сторону от центральной оси. Если увеличить количество лопастей в конструкции до четырех, то мощность и тяговые характеристики прибора станут намного выше. Ветряная электростанция своими руками делается при помощи нижеописанных материалов и составляющих.

1. Для создания барабана нам потребуются фанера и кровельное железо (или листовой пластик подходящего размера). Ротор должен быть легким, поэтому не стоит брать слишком толстые материалы.
2. Для «щек» барабана нам потребуются древесина и пластмасса (или легкий металл), при этом места стыков следует обработать масляной краской.
3. Для изготовления крестовин понадобятся стальные полосы или древесина.
4. Ось сделаем из стальной трубы, диаметр которой составляет 30 мм, а длина - 2 м.
5. Для оси нам также нужны шарикоподшипники одинакового размера.

Этапы монтажа

Итак, самодельная ветряная электростанция делается так. Сначала привариваем крестовины ротора к оси (если используется дерево, то его нужно приклеить или монтировать при помощи штифтов). Лопасти соединяются посредством болтов, при этом важно, чтобы до оси от них было одинаковое расстояние. После сборки барабана места стыков нужно обработать при помощи густой масляной краски. Теперь создаем станину: для этого нам нужны металлические или на которые затем мы монтируем шарикоподшипники. Перекосов следует избегать, поскольку ротор будет медленно вращаться. Теперь мы ветряную станцию опять покрываем краской, а на нижнем конце оси крепим шкивы разного диаметра. Перекидываем ремень через шкив и подсоединяем его к генератору тока, например, автомобильному. Подобная рассчитана на скорость ветра примерно 9-10 м/с при выработке мощности в 800 Вт.

Ветряная мельница для дома

Чтобы обеспечить бытовые потребности в электрической энергии максимально полноценно, мощность ветряной мельницы для средней семьи из четырех человек должна составлять не меньше 10 кВт. В таких ситуациях целесообразно установить целую систему, в состав которой входят несколько ветряков, вырабатывающих небольшую мощность. Энергия в них аккумулируется на общей батарее, при этом, если необходимо, можно установить еще дополнительные генераторы, а также увеличить количество и емкость батарей.

Чтобы энергоснабжение объекта было стабильным и не зависело от внешних причин, специалисты рекомендуют создать автономный энергетический комплекс. Он будет включать в себя ветряную электростанцию, а также резервные источники энергоснабжения в виде дизельного и бензинового генераторов, а также солнечных батарей. Если сила ветра будет достаточной, а энергия будет вырабатываться в нужном количестве, то дизельную установку можно и отключить. Если вдруг силы, которая будет производиться ветряной мельницей, не будет хватать, то автоматически запустится резервный источник электроснабжения.

Как достичь эффективности?

Чтобы установленная ветряная станция была монтирована правильно и приносила желаемые плоды, нужно соблюсти несколько условий.

1. Ветер в местности должен быть стабильным практически в течение всего года.
2. На объекте должно быть достаточно места, чтобы установить ветряк.
3. Узнать, разрешают ли местные власти подобные установки.

Кроме того, целесообразно использовать подобные системы, если вы тратите на электроэнергию слишком много средств, а возможности подключиться к питающей сети просто нет. Еще нужно готовиться к тому, что придется потратить на ветряную установку немало средств. Зато вы получите экологически чистую неисчерпаемую энергию.

С уменьшением количества полезных ископаемых человек обратился к иным видам источников энергии. Атомные станции, несмотря на свою высокую эффективность, продолжают пугать загрязнением природы. Чернобыль и Фукусима все еще на устах. Неудивительно, что человечество обратило внимание на природные источники энергии - солнце, ветер, тепло. Сегодня ветровая энергетика развивается семимильными шагами.

Все больше людей сталкивается с такими источниками и использует их в повседневной жизни. Хотя сама ветроэнергетика и является новой технологией, однако вокруг нее уже успело накопиться множество мифов. В большинстве своем они принадлежат на старых технологиях, а распространяют их многочисленных противники прогресса. Расскажем ниже об основных заблуждениях, связанных с этим направлением энергетики.

Ветровые турбины очень шумные. Согласно данному мифу человек не может находиться долго рядом с шумными ветровыми двигателями. Однако они работают довольно тихо. На расстоянии в 250-300 метров от ветроэлектростанции шум от ее работы не превышает громкость работы обычного домашнего холодильника. У работающих турбин звук похож на легкий свист, он намного тише относительно других современных установок. Даже в малонаселенных и сельских районах, где посторонние шумы не могут скрыть работу ветровых турбин, звук самого ветра является сильнее. Правда, стоит вспомнить и об исключении. Так, шумными являются старые агрегаты, которым уже более 20 лет. Да и современные турбины, расположенные на возвышенностях "тихими" назвать нельзя. В результате в холмистых местностях, где жилища располагаются на склонах или впадинах по направлению ветра от турбин, звук может распространяться дальше и быть более ощутимым. Однако для решения такого эффекта надо всего лишь при проектировании новой электростанции учесть расположение близлежащих домов, отступив от них на соответствующее расстояние. Те же машины, которые выпускаются сегодня, изначально спроектированы так, чтобы механические компоненты наименьшим образом шумели. Проектировщики стараются, чтобы оставался лишь наименьший шум от ветра, контактирующего с лопастями роторов.

Ближайшие к станции дома будут находиться в зоне "мерцания тени". Понятие "мерцание тени" означает процесс, который возникает при вращении лопастей турбинных лопастей между солнцем и наблюдателем. При этом возникает движущаяся тень. Однако мерцающая тень для домов, расположенных неподалеку от электростанции, проблемой никогда не является. Да и там, где это в принципе возможно, проблемы обычно легко решаются еще на стадии проектирования электростанции. Иногда мерцающая тень может раздражать тех, кто читает неподалеку или смотрит телевизор. Но такой эффект можно легко рассчитать, определив сколько именно часов в году это будет происходить. Это поможет легко определить проблему. Государство же предлагает ряд решений, чтобы сгладить последствия эффекта. Самое простое - планирование размещение станции и удаление ее от домов, другим способом может стать высадка деревьев.

Турбины генерируют помехи для телевизионных сигналов и других видов связи. Турбины могут создавать помехи в редких случаях, да и то их можно избежать. Большие ветровые установки, находящиеся на местности, могут становиться причиной помех телевидению или в радио, только если находятся в пределах прямой видимости. В современной ветровой энергетике используются различные методы для решения такой проблемы. Можно усовершенствовать антенну-приемник или же установить ретранслятор, который будет передавать сигнал в обход зоны расположения ветряков.

Внешний вид турбин довольно уродлив. Красота - понятие довольно субъективное. Для многих внешний вид турбин - величественен. У разработчиков планов ветровых станций есть инструменты для компьютерного моделирования, которые могут наглядно показать ее виртуальный вид с разных ракурсов. В итоге тщательное проектирование станции позволяет обычно решить проблемы уродливого внешнего вида.

От ветряных станций нет особой пользы для местных жителей, их собственность только уменьшается в цене. Никаких фактов того, что цена собственности снижается, если неподалеку находится коммерческая ветроэлектростанция, нет. В 2003 году в Америке проводились национальные исследования, которые специально изучали цены на недвижимость, расположенную около ветроэлектростанции. Оказалось, что наличие такого объекта не только никак не влияет на стоимость домов, но в некоторых случаях даже увеличивает ее.

Ветряные электростанции вредят туризму. Таких задокументированных свидетельств также обнаружено не было. Иногда ветровые турбины даже привлекают в эту местность гостей. Тогда местные власти сотрудничают с персоналом станции, чтобы устанавливать информационные доски и специальные указатели. Туристы уже на подъезде или близлежащих дорогах могут понять, где именно располагается такая необычная станция. Исследования показали, что для большинства туристов присутствие в местности ветровых установок не является поводом для отмены поездки. Так, в Палм Спрингз, Калифорния, установлены тысячи турбин. Они не только не отпугнули туристов, но даже и привлекли их. Здесь в гиды предлагают специальные автобусные туры для посещения ветровых установок.

Ветровые турбины опасные, ведь с лопастей может сорваться лед, что опасно для жизни людей. Иногда действительно может происходить падение льда, однако это не несет какой-либо опасности. Того удаления ветровых станций от мест постоянного проживания людей, которое обычно есть чтобы уменьшить звуковые эффекты, достаточно чтобы обеспечить и безопасность из-за падения льда. Да и большое намерзание льда на лопастях попросту невозможно. Ведь оно приводит к снижению скорости вращения лопастей. Турбина в результате будет отключена системой ее контроля.

Иногда с турбин срываются лопасти, а ветровые станции разрушаются. Сегодня ветровые турбины являются очень безопасными. Это позволяет их ставить даже около детских заведений, в сельских, городских и густонаселенных местах. Раньше действительно происходил срыв лопастей, но сегодня устройство турбин уже технически усовершенствованы. Все ветровые двигатели сертифицированы в соответствии с международными стандартами. Так, критерии, разработанные Germanischer Lloyd и Det Norske Veritas, включают в себя стандарты разной степени устойчивости к ураганам. Сегодня по всей Европе и Америке уже установлены тысячи ветровых турбин. Все они соответствуют самым высоким стандартам безопасности, которые гарантируют их надежную работу.

Ветровые турбины опасны для природы, из-за них погибает множество птиц и летучих мышей. Влияние растущей ветроэнергетики и ее распространение на птиц очень преувеличено. Оно значительно меньше другой обычной деятельности человека. Даже любое возможное развитие ветровой энергетики не окажет какого-либо воздействия на птиц. Ведь число смертей от установок такого типа составляет лишь малую часть от всего объема "человеческого фактора". Птицы гибнут от высотных зданий, домашних кошек, самолетов, строительства, экологических аварий. При этом проблема смерти пернатых из-за ветровых станций находится под особым вниманием. Так, на одной из самых старых объектов такого типа в Алтамонт Пасс, Калифорния, смерть хищных птиц является давней проблемой еще с 1980-х. Сотрудники этой станции постоянно работают вместе с официальными органами и экспертами по охране природы, чтобы максимально снизить опасное воздействие на пернатых. С 2003 года стали проводиться исследования по воздействию ветровых установок на летучих мышей. Ведь гибель этих млекопитающих в Западной Вирджинии в том же году привлекла внимание ученых и общественности. В ответ на это Национальная лаборатория по вопросам возобновляемой энергетики вместе с сообществом защиты летучих мышей до сих пор проводят исследования по взаимосвязи работы станций с гибелью этих животных. Такие исследования призваны уменьшить смертность, результаты работы постоянно публикуются. Хотя воздействие ветроэнергетики на популяции птиц и мышей невелико, промышленники серьезно относятся к вопросам потенциального взаимодействия с живыми существами. Помимо общих исследований на местах перед началом строительства объектов проводятся дополнительные изучения по воздействию на птиц. Стало уже общепризнанной практикой исследовать возможное воздействие на природу еще на этапе проектирования станции.

Ветровые электростанции разбивают на части зоны обитания диких животных. Обычно такие станции строятся около линий электропередач. Здесь ареалы обитания животных уже фрагментированы и изменены, тому причиной - развитое скотоводство и земледелие. Для самой станции требуется немного земли, чтобы разместить саму турбину, дорогу к ней и линии электропередачи. Земля же вокруг таких объектов может пользоваться и дальше в привычном режиме. Часто участки с пригодными ветровыми характеристиками находят на неосвоенных землях. Тогда фрагментация ареалов действительно может стать источником для беспокойства. Ведь луга и леса стоят все еще нетронутыми. Промышленность всячески поддерживает исследование этих мест, чтобы лучше понять возможное на них влияние. Надо сравнить возможное воздействие с тем, которое может наступить при отсутствии источников возобновляемой электроэнергии. Ведь это чревато глобальным потепление, выбросом загрязняющих веществ.

Ветровые турбины ненадежные и дорогостоящие, они не могут служить единственным источником энергии. Устройства сети таково, что для нее не требуется на каждый мегаватт, произведенный ветровой станцией, генерировать такое же количество энергии из других источников. Ни одна станция не может быть надежной на 100%, это сделало сеть такой, чтобы она имела больше источников, чем одновременно требуется. Такая сложная система была разработана специально, чтобы лучше реагировать на возможные прекращения работы одного из источников или же включения промышленных потребителей с высоким потреблением. В электросети таким образом существует довольно много переменных, которые учитываются оператором. Непостоянство ветроэнергетических установок является всего лишь одним из факторов работы всей сети. Есть ли вообще высоконадежные источники электроэнергии? Так, даже ядерные реакторы и угольные ТЭЦ отключаются с предупреждением незадолго до этого, чтобы провести техническое обслуживание или аварийный ремонт. Но ведь никто не стремится дублировать ядерные или тепловые станции такими же мощными объектами. Реалии таковы, что ветровая энергетика является надежной от природы. Ведь станции возводятся в ветреных местностях, модели сезонных движений воздуха где, могут быть спрогнозированы. В отличие от стандартных станций ветровые не надо полностью отключать при поломке или обслуживании. Если турбина неисправна, ее можно чинить, не отключая остальные установки от сети.

Ветровые турбины работают лишь малую часть времени. Оказывается, такие установки производят электричество большую часть суток, 65-80%. Естественно, время от времени меняется выдаваемая мощность. Но 100% своей мощности постоянно не может давать ни одна электростанция. Все они иногда закрываются на ремонт и техобслуживания или вырабатывают меньшую мощность ввиду отсутствия в данный момент спроса на электричество. Ветроэлектростанции возводятся на тех местах, где большую часть года дует ветер. Но колебания его ветра приводят к тому, что на производство максимальной мощности будет осуществляться лишь 10% времени. В итоге среднегодовое производство электричество будет составлять около 30% от номинальной мощности. Для станций на невозобновляемых источниках этот параметр колеблется от 0,4 до 0,8. Всего же для России в 2005 году общий коэффициент использования мощностей всех станций составил 0,5.

Ветровые турбины малоэффективны. Как раз наоборот, достоинством ветровых турбин является их эффективность. Наиболее простым способом определения общей эффективности технологии является общая эффективность. Оценивается количество потребляемой для производства энергии. Оказалось, что время возмещения для ветроэлектростанций практически не уступает показателям обычных объектов, местами даже превосходя их. Не так давно университет Висконсина провел исследование и обнаружил, что среднее возмещение энергии ветроэлектростанций Midwestern в 17-39 раз (зависит от текущей скорости ветра) больше потребленной энергии. А ведь для атомных станций этот параметр равняется 16, для угольных - 11. И в более широком смысле следует сказать об эффективности ветровых турбин. Ведь они производят электричество из природных источников, которые неисчерпаемы. При этом не наблюдаются социальные или экологические воздействия. Топлива не надо добывать, перевозить, отсутствует загрязнение окружающей среды. Нет проблем отходов, которые также надо куда-то везти и где-то хранить. Ветряные станции не усугубляют парниковый эффект, что свойственно ТЭЦ.

Ветровая энергия дорогая. Сегодня ветровая энергетика дает электричество такой же стоимости, как и новые станции, работающие на обычном топливе. Капитальные расходы на ветровые установки действительно более высокие, чем на традиционные источники энергии, к примеру, использующие газ. Но при этом отсутствуют и расходы на топливо, да и другие нормированные затраты (стоимость работы, технического обслуживания) такого направления энергетики оказываются в итоге конкурентными по отношению к другим источникам. Аналитики пришли к выводу, что ветроэнергетика снижает общую рыночную стоимость электричества. Ведь за последние 30 лет в Европе мощность турбин такого типа выросла почти в 300 раз, за это время стоимость производства уменьшилось на 80%. Каждые новые 5% рынка, отданные ветровой энергии, позволяют уменьшить стоимость электричества на 1%. За 5 последних лет ветроэнергетика в ЕС ежедневно давала 33 рабочих места. Этот рынок постоянно растет, только в России в 2013 году он будет составлять 3,1 млрд. евро, а в 2015 - 7 млрд. евро.

Для ветровой энергетики требуются дотации, в отличие от обычной. Аналитики Международного Энергетического Агентства оценили субсидирование на энергетику в Европе. Оказалось, что в 15 странах ЕЭС всего выделилось 29 миллиардов евро, из них на ветроэнергетику пришлось всего 19%. Этот показатель говорит о том, что такое направление попросту уравняли в правах с традиционными технологиями производства энергии.

Ветроустановки непригодны для общей сети, работая только в небольших автономных системах. Чтобы вся энергосистема начала зависеть от нестабильной выдачи мощности ветровыми станциями, надо, чтобы их доля была около 20-25% от всей мощности. К примеру, в России с существующими показателями и темпами такое соотношение может быть достигнуто не ранее, чем через 50 лет.

В мировом энергобалансе доля ветровой энергетики незначительна. В 2010 году количество произведенной энергии станциями этого типа составило 2,5% от всего объема. Энергия ветра высоко ценится, к примеру, в Дании уже 20% электричества вырабатывается таким способом, а в Германии - 8%. Планы развития этого направления огласили Китай, Индия, Япония, Франция. Темпы развития ветровой энергетики позволяют предположить, что к 2020 году доля этой отрасли составит 10% от общего объема.

Ветровая энергетика само по себе нестабильна и не так предсказуема, как другие виды. Энергия поступает нестабильно, что требует постоянное ее резервирование и аккумулирование. Для решения проблем такой нестабильности есть свои варианты. Сегодня с точностью 95% составляются прогнозы почасовой выдачи энергии в течении дня. Этот высокий показатель планирования позволяет улучшить качество работы и надежность станций. Чтобы оценить стабильность работы системы станций такого типа, группа ученых университетов Делавэр и Стони-Брук создала виртуальную систему объектов. Они располагались по всему восточному побережью США на отдалении от берега. Оказалось, что такая система может служить надежным источником энергии. Хотя ветровые установки и имеют высокий потенциал, меняющаяся погода все же может снижать их потенциал. Ученые предлагают объединять в единую сеть удаленные друг от друга группы ветрогенераторов, чтобы сглаживать колебания ветра на участках. Однако точные расчеты пока еще не сделаны. В ходе исследования были рассмотрены данные, полученные от 11 автоматических станций наблюдения за погодой за 5 лет. Они располагались на протяжении 2500 километров между Флоридой и Мэном. Оказалось, что за это время, при условии объединения станций в единую сеть, поступление электричества полностью никогда бы не прекращалось. Мощность всей системы колебалась бы не так сильно, как у отдельной установки. Если та могла за час измениться на 50%, то для всей сети скачок в принципе не мог превысить 10% в час. Участники исследования пришли к выводу, что этот "нестабильный" источник энергии на самом деле является довольно надежным при правильной работе с ним.

Доктор физико-математических наук Александр Соловьёв, Кирилл Дегтярёв (Научно-исследовательская лаборатория возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова).

Фото Игоря Константинова.

Промышленная ветровая электростанция, построенная в 1931 году в Крыму, спроектирована в ЦАГИ и была на тот момент крупнейшей в мире - её мощность 100 кВт. Во время Великой Отечественной войны она была разрушена.

Темпы роста установленных мощностей ветроэлектростанций.

Рост установленных мощностей ветроэлектростанций по ключевым регионам. Источник: Global Wind Energy Council.

Высота некоторых ветрогенераторов достигает сотен метров. На фото: установка одной из турбин ветропарка Медвежья Гора (Bear Moun-tain) в провинции Британская Колумбия в Канаде. Одна такая ветроустановка обеспечивает электроэнергией 300 домохозяйств.

Оффшорный ветропарк в Дании близ Копенгагена. Размещение ветрогенераторов в море - неплохое решение проблемы нехватки площадей для строительства мощных ветроэлектростанций. Кроме того, благодаря морскому бризу ветряки работают 97% времени.

Уровень шума от различных источников. Источник: Ермоленко Б. В., Ермоленко Г. В., Рыженков М. А. Экологические аспекты ветроэнергетики // Теплоэнергетика, 2011, № 11.

Годовая оценка смертности птиц в Европе. Источник: European Wind Energy Association, 2010.

Ветер относят к возобновляемым, или альтернативным, источникам энергии. Его преимущества очевидны: ветер дует всегда и везде, его не надо «добывать». Общие запасы энергии ветра в мире оценены в 170 трлн кВт·ч, или 170 тыс. тераватт-часов (ТВт·ч), в год, что в восемь раз превышает нынешнее мировое потребление электроэнергии. То есть теоретически всё электроснабжение в мире можно было бы обеспечить исключительно за счёт энергии ветра. А если вспомнить, что её использование не загрязняет атмосферу, гидросферу и почву, то этот источник энергии и вовсе кажется идеальным. Но, увы, всё имеет оборотную сторону, и ветроэнергетика не исключение.

Использование энергии ветра - давняя история: сколько лет ветряным мельницам и парусным судам? Да и ветроэлектростанции начали строить ещё в начале прошлого века. Следует отметить, что одним из лидеров в этой области в 1930-1950-е годы был Советский Союз. В далёком 1931 году в Крыму, около Балаклавы, была введена в эксплуатацию ветроэлектростанция, которая работала до 1941 года. Во время боёв за Севастополь она была полностью разрушена. Опорную конструкцию ветродвигателя (мачту) построили по проекту Владимира Григорьевича Шухова. Ветроагрегат с колесом диаметром 30 м и генератором в 100 кВт был на тот период самым мощным в мире. Ветроагрегаты в Дании и Германии того времени имели диаметр колеса до 24 м, а их мощность не превышала 50-70 кВт.

В 1950-1955 годах в СССР производилось 9000 ветроустановок в год. Во время освоения целины в Казахстане была построена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, работавшая в паре с дизельным двигателем, общей мощностью 400 кВт, ставшая прообразом современных европейских ветропарков и систем «ветро-дизель». Интересный факт приводится в автобиографической трилогии чукотского писателя Юрия Рытхэу «Время таяния снегов». В его родном стойбище Улак электрическое освещение появилось в конце 1930-х годов именно благодаря ветродвигателю, который обеспечивал электроэнергией и соседнюю полярную станцию.

Тем не менее активное развитие ветро-энергетики в мире началось лишь в 70-е годы прошлого столетия. Предпосылками к нему стали обострившиеся экологические проблемы (загрязнение атмосферы из-за работы ТЭС, кислотные дожди и т.д.) в сочетании с ростом цен на нефть и желанием ослабить зависимость западных стран от поставок углеводородов из СССР и стран третьего мира. Нефтяной кризис 1973-1974 годов дал дополнительный стимул ветроэнергетике и вывел вопрос о её развитии на государственно-политический уровень.

Тем не менее отношение к ветроэнергетике было (и остаётся) неоднозначным, - наряду с энтузиазмом присутствовали скепсис и недовольство, в том числе, как ни странно, связанные с экологическими аспектами. Вот один из примеров того, что писала по этому поводу зарубежная пресса в 1994 году: «Возникают и неприятные парадоксальные ситуации, когда люди недовольны строительством ветровых станций и часто блокируют их именно из экологических соображений - группы станций создают шумовое и визуальное загрязнение местности».

Подобные претензии к ветроустановкам звучали, например, в Нидерландах, где ветростанции, по мнению общественности, нарушали традиционный облик территории, да и размещать тысячи турбин в стране с высокой плотностью населения, по мнению критиков, негде.

С тех пор общая установленная мощность ветроэлектростанций в мире выросла в 60-75 раз. Появились огромные конструкции, поднятые на высоту в сотни метров. Мощности отдельных ветрогенераторов достигают нескольких мегаватт, гигаваттные ветропарки сопоставимы с крупнейшими объектами «традиционной» энергетики - тепловой, атомной и гидроэнергетики.

В 2012 году установленная мощность ветроэлектростанций в мире достигла 282 ГВт, что превышает суммарную мощность всех электростанций России и сопоставимо с мощностью всех АЭС на планете. Однако дают они только около 2,4% всей мировой электроэнергии, хотя в отдельных европейских странах, например в Дании или Испании, их доля приближается к 20%. То есть ветроэнергетика так и не стала преобладающей в общей системе выработки электроэнергии в мире. Да и на все остальные возобновляемые нетрадиционные источники энергии, включая энергию приливов и отливов, солнца, геотермальную энергию, пришлось всего 3,7%.

После нескольких десятилетий роста, мощной информационной и финансовой поддержки возобновляемой энергетики картина могла бы быть и более впечатляющей. Ведь в Европе и США производители «зелёной» энергии поддерживаются на государственном уровне. В частности, в портфеле энергосбытовых компаний должна быть обязательная доля энергии возобновляемых источников - только в этом случае гарантируется сбыт. К тому же во многих странах для производителей возобновляемой энергии действуют налоговые льготы. Между тем после бурного роста числа ветровых генераторов энергии в последние полтора десятилетия отмечается его некоторое замедление: в 2011-2012 годах темпы ввода в эксплуатацию установленных мощностей ветроэнергостанций были самыми низкими за последние 16 лет.

Особенно это заметно в Европе. Возможно, подобное замедление связано с разразившимся экономическим кризисом, но вероятна и другая причина - территориальные «ресурсы» Старого Света близки к исчерпанию, то есть ветроэнергоустановки в Европе уже просто негде строить. По данным агентства Bloomberg New Energy Finance, в 2012 году инвестиции в возобновляемую энергетику в мире в целом сократились на 11%, при этом они продолжали расти в азиатских странах. Следует добавить, что 15 лет назад более половины всех ветроэнергетических мощностей мира приходилось на США, затем резко вырвалась вперёд Европа, и в последние годы лидерство захватил Китай.

Хорошо, да недёшево

Ветроэлектростанции явно отстают от АЭС и ГЭС по коэффициенту использования установленной мощности. Если для АЭС он составляет 84%, для ГЭС - 42%, то для ветроэлектростанций - лишь 20%, что обусловлено характером самого источника энергии: ветер дует с достаточной силой далеко не всегда. То есть ветроэлектростанции в 2-4 раза менее продуктивны, чем электростанции традиционных типов, и для получения такого же количества электроэнергии их надо построить в 2-4 раза больше. Это дополнительные площади и материалы, а значит, больший экологический ущерб (в чём бы он ни заключался) в пересчёте на киловатт произведённой электроэнергии.

По информации Российской ассоциации ветроиндустрии (РАВИ), металлоёмкость современного ветрогенератора мощностью 3 МВт достигает 350 тонн. Если ТЭС в 1 ГВт требует площади порядка нескольких гектаров, то под ветропарк такой же мощности приходится отводить уже тысячи гектаров. И хотя на территории ветропарка можно вести и другую хозяйственную деятельность и даже жить, в действие вступают отношения собственности - требуется выкуп либо аренда большого участка земли.

Стоимость строительства ветроэлектростанции порядка 1500-2000 долларов на 1 кВт установленной мощности, что сопоставимо с затратами на строительство АЭС и в несколько раз выше инвестиционных затрат на строительство ТЭС. Агрегаты высокой мощности - с большой высотой мачты и большим диаметром лопастей, работающие в условиях сильных ветров и морозов, нуждаются в повышенной надёжности, а значит, требуют дополнительных затрат на строительство и обслуживание.

Себестоимость 1 кВт электроэнергии, производимой на ветроэлектростанции, тоже в реальности не равна нулю. Европейский опыт показывает, что суммарные эксплуатационные издержки 0,6-1 евроцент на 1 кВт·ч, а для машин со сроком эксплуатации выше 10 лет издержки возрастают до 1,5-2 евроцента на 1 кВт·ч. Соответственно это 24-40 и 60-80 копеек на 1 кВт·ч. Для сравнения, затраты на выработку 1 кВт·ч на ГЭС и АЭС - порядка нескольких копеек, на ТЭС - при нынешнем уровне цен на углеводороды - около 1 руб./кВт·ч.

Так что о «возобновляемости» тех или иных источников энергии приходится говорить с большой долей условности. Ведь на создание энергетических объектов, использующих эти источники, приходится тратить невозобновляемые материалы (в частности, металлы), добыча и обработка которых далеко не всегда экологически безупречны.

Что касается развития крупномасштабной ветроэнергетики, то оно тормозится прежде всего из-за упомянутых выше высокой металлоёмкости, сложности конструкций ветроэнергоустановок, потребности в больших площадях, низкой продуктивности и недостаточной стабильности работы. Кроме того, под угрозой могут оказаться такие стимулы развития ветроэнергетики, как исчерпание запасов углеводородного сырья и антропогенное потепление климата. Есть много данных, что запасы углеводородов велики, а роль человека в глобальном изменении климата, да и само изменение климата - вопросы дискуссионные.

Тем не менее ветер, как и другие альтернативные источники возобновляемой энергии, остаётся относительно перспективным. Правда, по прогнозам специалистов, в ближайшие десятилетия «первую скрипку» в мировой альтернативной энергетике начнёт играть солнечная, а не ветряная энергия. Преимущества солнечной энергетики понятны - это в перспективе более компактные и менее материалоёмкие системы, а солнце - относительно стабильный и предсказуемый источник энергии.

Ветряками - по экологии?

Экологи предъявляют немало претензий к ветроэнергетике. Это создаваемые при работе лопастей шум, инфразвуковые колебания и вибрации, отрицательно действующие на людей, технику и животных. Ветряки не просто нарушают привычные, милые глазу пейзажи, огромные вращающиеся лопасти воздействуют на психику человека. В районе ветропарков перестают селиться животные и птицы. Есть риски, связанные с отрывом лопастей и другими авариями на крупных ветроэлектростанциях. Кроме того, при работе множества ветрогенераторов на больших площадях возможно локальное снижение силы и изменение конфигурации ветров. Дополнительную проблему создаёт необходимость утилизации лопастей, исчерпавших свой ресурс.

Какие из этих недостатков и рисков мнимые и какие реальные, подсказывает двадцатилетний опыт использования энергии ветра в густонаселённой Европе. Так, не подтверждаются опасения, связанные с инфразвуком и работой лопастей, - об этом говорят проведённые оценки уровня шума и смертности птиц, из которых видно, что шум на расстоянии 350 м от ветростанции лишь чуть превышает фоновый. А количество птиц, погибших от столкновения с ветряками, в три с половиной тысячи раз меньше, чем, например, от встречи с кошками.

Конечно, в подобных оценках есть нюанс: многое зависит от числа ветроэлектростанций. При существующем количестве ущерб действительно минимален, но что произойдёт, если ветроагрегатов станет значительно больше?

Кроме того, при сравнительной оценке количества гибнущих птиц надо учитывать, о каких видах идёт речь. Кошки охотятся на воробьиных, а при столкновениях с ветроэлектростанциями на достаточно больших высотах могут гибнуть более редкие и ценные виды пернатых. Не следует сбрасывать со счетов и нарушение миграционных маршрутов птиц.

Тем не менее суммарный экологический ущерб от ветроэнергетики существенно ниже по сравнению с «традиционными» способами генерации энергии. В Европе внешний негативный социально-экологический эффект на 1 кВт·ч произведённой электроэнергии оценён в 0,15 цента для ветроэнергетики, 1,1 цента - для газовых ТЭС и 2,5 цента - для угольных.

Исключение составляет проблема утилизации лопастей ветрогенераторов, выполненных из композитных материалов. Дело в том, что срок службы лопастей 20-25 лет и первые из построенных уже близки к выработке ресурса. Особо остро с этой проблемой придётся столкнуться уже в 2020 году, когда общая масса отработанных лопастей в мире составит 50 000 тонн, а к 2035 году вырастет до 200 000 тонн.

На данный момент используются два основных способа утилизации лопастей, сделанных из стеклопластика: механический и термический. Первый метод предполагает механическое измельчение волокон и гранул, составляющих композитный материал лопастей, которые затем используют в качестве сырья для производства низкосортной продукции. Однако в большинстве случаев выработавшие ресурс турбины подвергают термической обработке, то есть сжигают. Это явно «антиэкологичный» способ утилизации, который тем более абсурдно выглядит на фоне заявлений об «экологически чистой» ветроэнергетике. При этом зольность сжигаемой массы (доля негорючего неорганического остатка в общей массе материала) около 60% и образующаяся зола требует захоронения.

Специалисты РХТУ им. Д. И. Менделеева считают, что для переработки лопастей более перспективен пиролиз (нагревание без доступа кислорода при 500°С). Полученные вещества (пиролизат) можно использовать для производства пеностекла и стеклоблоков, а образующийся при пиролизе газ сжигать для получения электроэнергии.

Российские перспективы

В настоящее время суммарные установленные мощности ветроэнергоустановок в России не превышают нескольких десятков мегаватт, а доля ветроэнергетики в общем объёме производства электроэнергии ничтожна. В то же время реализуются несколько крупных проектов, прежде всего в степных районах юга страны и прибрежных зонах. Вероятно, в ближайшие годы ситуация с ветроэнергетикой может заметно измениться.

Большие пространства, сравнительно низкая плотность населения и хозяйственных объектов существенно снижают экологические риски работы ВЭС в России по сравнению с европейскими странами. Одновременно большие расстояния и слабо развитая транспортная инфраструктура затрудняют развитие ветроэнергетики и создают дополнительные трудности в обслуживании ветроагрегатов и ветростанций.

Другая, достаточно очевидная причина слабого развития ветроэнергетики в России - наличие больших запасов углеводородов, более дешёвого энергетического сырья. Как упоминалось выше, открытие и разработка крупных месторождений нефти и газа лишили СССР, который был когда-то одним из мировых лидеров в ветроэнергетике, стимулов развития в этой области. Тем не менее расхожее мнение, что нам не нужна альтернативная энергетика (и ветроэнергетика, в частности), не имеет под собой оснований. Нефтегазовое изобилие нашей страны не стоит преувеличивать, а нынешний уровень энерговооружённости недостаточен для полноценного социально-экономического развития, что требует поиска новых источников энергии. Российские потребители сталкиваются с дороговизной подключения к энергосетям, и для них выгоднее использовать местные возобновляемые ресурсы, в том числе энергию ветра. Кроме того, более 70% территории нашей страны, на которой проживает около 20 млн человек, находится вне системы централизованного энергоснабжения.

Нельзя сбрасывать со счетов, что наша страна обладает самым большим в мире ветроэнергетическим потенциалом - порядка 40 млрд кВт·ч электроэнергии в год. А это значит, что эксплуатация крупных и особенно малых ветроэнергоустановок на огромных российских пространствах могла бы быть эффективней. Районы Российского Севера, и в частности Обская губа, Кольский полуостров, бо́льшая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по мировой классификации относятся к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на высотах 50-100 м, для которых производятся современные ветроагрегаты, составляет 11-12 м/с, что вдвое превышает так называемый экономический порог ветроэнергетики, связанный с окупаемостью ВЭС.