Не каждый человек сможет быстро ответить на вопрос – что же такое ветер? С точки зрения физики это довольно сложное природное явление. Но есть у этого понятия и экономическое толкование, и важность его в современном мире все возрастает от года к году. Энергия ветра, дешевая и возобновляемая, вот причина привлекательности этого явления природы. Точно такая же энергия получается при использовании течения воды, приливов и отливов, солнечных лучей. Но у ветряной энергии есть свои особенности, которые мы и рассмотрим в этой статье.
История использования энергии ветра
В древнем городе Вавилон в третьем тысячелетии до нашей эры уже пользовались энергией ветра. Расцвет экономики этого региона наступил в 6-ом веке до нашей эры, и именно на эту эпоху приходится самое большое число технических открытий. Тогда было создано первое устройство, которое позволяло осушать болотистые местности. В древнем Египте с помощью ветра были созданы первые ветряные мельницы для производства муки из зерна. В Китае пошли еще дальше, там в это же время велась откачка воды с рисовых полей механизированным способом. И вращали лопасти этих устройств именно ветряные потоки. Европа в этом отношении не была в первых рядах, ветряные технологии дошли сюда только в 12-ом веке нашей эры.
Но все эти три тысячи лет были только подготовкой к существенному рывку технического прогресса, который произошел в 20-ом веке. Человечество придумало, каким образом не просто заставлять ветер вращать какие-либо лопасти, а как вырабатывать электроэнергию, чтобы обеспечивать работу самых разных машин. Такое открытие стало по-настоящему прогрессивным, оно перевернуло всю историю использования ветра. На данный момент на Земле работают электростанции, которые являются представителями далеко не первого поколения. Современные, технологичные, экономичные станции украшают многочисленные районы нашей планеты, способствуя улучшению экологии и здоровья людей.
Преимущества ветряных электростанций
Установить ветряную электростанцию где угодно не получится. Для этой цели подходят только те районы, где наблюдаются постоянные сильные ветра. Но и здесь есть свои нормативы. Если в местности преимущественно дует ветер со скоростью от 4,5 м/с, то строительство ветряной станции будет эффективным. Причем, такую электростанцию можно строить как отдельно стоящую, так и несколько станций, объединенных в систему, то есть каскад станций. Такие сети станций называют ветряными фермами, в этом случае несколько ветряков работают на один энергоблок. Таким образом достигается максимальный энергетический эффект при существенной экономии на строительстве и оснащении.
На данный момент наибольшее количество ветряной энергии производят в Соединенных Штатах. Если же говорить о Европе, то лидерами в этой сфере являются Дания, Нидерланды, Германия и Великобритания. Причем, в Германии работает наиболее мощная электростанция, которая в электроэнергию преобразует силу ветра. Она вырабатывает ежегодно до 7 миллионов кВт/часов энергии. Ветряная ферма Aeolus II поставляет электроэнергию в 2 тысячи домов. Если учесть, что на планете на сегодняшний день работает более 20 тысяч ветряных ферм, то можно представить, сколько электричества производится с помощью обычного природного явления – ветра. Такое широкое развитие отрасль получила благодаря массе преимуществ. Есть и недостатки, но они легко устраняются, а вот плюсы работают долго и эффективно. Итак, ветряные электростанции ценятся человечеством по нескольким причинам.
Стоимость эксплуатации ветроэлектростанции очень низкая. Для ее успешной работы не нужен многочисленный персонал, не требуется его обучение. Покупка и регулярная замена дорогостоящих блоков также не требуется.
Однажды правильно выбранное место расположения для электростанции гарантирует несколько десятилетий бесперебойной и качественной работы, получение должного объема энергии. Точность выбора места требует огромного внимания: подробный и тщательный анализ обеспечит в дальнейшем и экологичность процесса и его финансовую выгоду для собственника.
Электростанция, работающая при помощи ветра, это практически совершенно чистый объект в плане экологии. Чистота окружающей среды выражается и в системе работы, и в процессе передачи энергии, и в ее использовании. Кроме того, ветряная станция не может навредить окружающей среде даже в случае ее разрушения, что нельзя сказать о гидроэлектростанции или о станции атомной. Ветряная электростанция не производит выбросов в окружающую среду, она не изменяет ландшафт, не нарушает природную экосистему. Никаких вредных воздействий ни на территорию, ни на озоновую оболочку Земли нет.
Топливо или источник энергии у ветряной станции – возобновляемое. Это ветер, который не нужно где-либо добывать и транспортировать на место расположения станции. Поэтому финансовый эффект от работы ветряков максимальный. Транспортировать электрическую энергию приходится только до источника потребления. Практика показывает, что потребитель практически всегда находится рядом, поэтому не приходится тратить большие деньги на строительство коммуникаций. Кроме того, не происходит потерь энергии во время транспортировки, а они иногда приносят очень серьезные убытки компании-собственнику.
Вблизи от ветряной электростанции не надо выстраивать «мертвую» зону, как около других станций. Все земли можно использовать в сельскохозяйственных целях, ведь ветряки никак не вредят окружающей среде.
Расходы на получение ветряной энергии хоть и минимальны, но все же существуют. Преимущество этих расходов – их стабильность. А вот стоимость энергии для продажи постоянно растет. Следовательно, размер чистой прибыли владельцев ветряных станций постоянно растет. Причем конкурентоспособность на рынке энергии ветряной ресурс имеет очень высокую. Стоимость энергии в разы дешевле, чем та, которая получена на ГЭС, АЭС.
Недостатки ветряных электростанций
Недостатков немного, но противники строительства ветряков их активно муссируют в прессе. Но все эти недостатки скорее всего представляют собой трудности при ведении этого бизнеса, которые можно минимизировать.
Высокий входной барьер в бизнес. Для того, чтобы начать получать ветровую энергию, надо построить ветряную ферму. Предстоят затраты на высокоточные расчеты для определения местности постройки, также надо будет вложить деньги в покупку оборудования и его монтаж на выбранной территории. Именно стоимость ветряной электростанции, стоимость оборудования являются основной строкой затрат, но здесь можно воспользоваться услугами инвесторов, банковским кредитованием и пр.
Весьма существенный недостаток ветряной станции – невозможность точного прогноза, сколько электроэнергии будет получено в определенный отрезок времени. Предугадать, насколько сильным будет ветер, и будет ли он дуть вообще, невозможно. Поэтому при ведении данного вида бизнеса существуют существенные риски. Но минимизировать их можно, если тщательно выверить координаты расположения станции на стадии ее планирования. Такой анализ основывается на многолетних показаниях скорости ветра.
Многие противники ветряных станций утверждают, что лопасти издают сильный шум, который негативно влияет на окружающую среду. Но современные технологии позволили измерить уровень шума и изучить его воздействие. Оказалось, громкий звук от работы лопастей действительно присутствует, но уже на расстоянии 30 метров от источника он слышен только на уровне фона. Для сведения: фон – это уровень шума естественной окружающей среды.
Защитники птиц выступают активно против строительства ветряных станций. В этом случае аргументы также легко разбиваются об анализ вреда, наносимого другими техногенными объектами птицам. Подсчет показал, что количество птиц, попадающих под лопасти ветряков, ничем не отличается от числа пернатых, которые погибают в других местах, к примеру, на высоковольтных линиях передач.
Еще одна весьма сомнительная гипотеза противников ветряной энергии – искажение телевизионного сигнала вблизи от фермы. В современном мире все большую популярность приобретает спутниковое ТВ, цифровое ТВ, эфирного телевидения остается все меньше и меньше, поэтому приему сигнала в квартирах и домах ничто помешать не может.
Ветряные электростанции делают жизнь немцев невыносимой:
Достижения ветряного направления в энергетике
Ветроэнергетика в мире получила в последние годы значительное развитие. Показательны результаты ветряной энергетики в Шотландии. Здесь ветряками вырабатывается электроэнергии на 25% больше, чем потребляют все жилые объекты страны, а это более трети всего энергопотребления. И самое интересное, что правительство Шотландии поставило задачу – к 2020 году все потребности в электричестве удовлетворять за счет работы ветряных электростанций. И шотландцы готовы на это потратить почти 46 миллиардов фунтов стерлингов. Взята стратегия на закрытие атомных станций и на развитие солнечных и ветряных электростанций.
Недавно в Канаде установили юбилейную ветряную станцию. Порядковый номер этого объекта – 1500! Полмиллиона жилых домов можно снабжать электроэнергией ветряных станций. Причем первая ветряная турбина в этой стране была установлена всего 10 лет назад. И если на данный момент доля ветряной энергетики занимает 3% в экономике Канады, то к 2025 году планируется увеличить этот объем до 20%.
Испанский остров Эль Хьерро давно заявил о своей энергетической независимости. Ветро-приливная электростанция вырабатывает более 20% всего электричества. Столько же дает атомная энергетика, чуть меньше – ТЭЦ и ГЭС. Солнечные батареи вырабатывают около 5% электричества, потребляемого на острове.
На Ямайке построена гибридная станция, которая одновременно работает и на энергии ветра и на солнечной энергии. Ее мощность – более 110 кВт/ч в год. Владелец электростанции – производитель оборудования для таких станций. Собственник утверждает, что окупается довольно дорогое оборудование за 4 года, а затем за 25 лет эксплуатации станция даст экономию 2 миллиона долларов.
Российская ветроэнергетика
Все перечисленные плюсы ветроэнергетики, которые присутствуют в других странах, в России работают слабо. Стоимость киловатта электроэнергии ветровой в 3-8 раз превышает цену обычного традиционного электричества. Причин тому много, но главная – слабое внимание к этому альтернативному источнику энергии. Следствием такого отношения является то, что за год в России производится ветряными фермами столько электричества, сколько в Китае, например, за 2 часа. Ветроэнергетика в России – очень обширная тема, и ее мы обсудим в следующей статье.
Почему в России не строят ветряные электростанции:
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
| Мощности ветрогенераторов и их размеры | ||||
|---|---|---|---|---|
| Параметр | 1 МВт | 2 МВт | 2,3 МВт | |
| Высота мачты | 50 м - 60 м | 80 м | 80 м | |
| Длина лопасти | 26 м | 37 м | 40 м | |
| Диаметр ротора | 54 м | 76 м | 82,4 м | |
| Вес ротора на оси | 25 т | 52 т | 52 т | |
| Полный вес машинного отделения | 40 т | 82 т | 82,5 т | |
| Источник: Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия | ||||
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 .
| Страна | 2005 г., МВт. | 2006 г., МВт. | 2007 г., МВт. | 2008 г. МВт. | 2009 г. МВт. | 2010 г. МВт. | 2011 г. Мвт. |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Китай | 1260 | 2405 | 6050 | 12210 | 25104 | 41800 | 62733 |
| США | 9149 | 11603 | 16818 | 25170 | 35159 | 40200 | 46919 |
| Германия | 18428 | 20622 | 22247 | 23903 | 25777 | 27214 | 29060 |
| Испания | 10028 | 11615 | 15145 | 16754 | 19149 | 20676 | 21674 |
| Индия | 4430 | 6270 | 7580 | 9645 | 10833 | 13064 | 16084 |
| Франция | 757 | 1567 | 2454 | 3404 | 4492 | 5660 | 6800 |
| Италия | 1718 | 2123 | 2726 | 3736 | 4850 | 5797 | 6737 |
| Великобритания | 1353 | 1962 | 2389 | 3241 | 4051 | 5203 | 6540 |
| Канада | 683 | 1451 | 1846 | 2369 | 3319 | 4008 | 5265 |
| Португалия | 1022 | 1716 | 2150 | 2862 | 3535 | 3702 | 4083 |
| Дания | 3122 | 3136 | 3125 | 3180 | 3482 | 3752 | 3871 |
| Швеция | 510 | 571 | 788 | 1021 | 1560 | 2163 | 2907 |
| Япония | 1040 | 1394 | 1538 | 1880 | 2056 | 2304 | 2501 |
| Нидерланды | 1224 | 1558 | 1746 | 2225 | 2229 | 2237 | 2328 |
| Австралия | 579 | 817 | 817,3 | 1306 | 1668 | 2020 | 2224 |
| Турция | 20,1 | 50 | 146 | 433 | 801 | 1329 | 1799 |
| Ирландия | 496 | 746 | 805 | 1002 | 1260 | 1748 | 1631 |
| Греция | 573 | 746 | 871 | 985 | 1087 | 1208 | 1629 |
| Польша | 73 | 153 | 276 | 472 | 725 | 1107 | 1616 |
| Бразилия | 29 | 237 | 247,1 | 341 | 606 | 932 | 1509 |
| Австрия | 819 | 965 | 982 | 995 | 995 | 1011 | 1084 |
| Бельгия | 167,4 | 194 | 287 | 384 | 563 | 911 | 1078 |
| Болгария | 14 | 36 | 70 | 120 | 177 | 375 | 612 |
| Норвегия | 270 | 325 | 333 | 428 | 431 | 441 | 520 |
| Венгрия | 17,5 | 61 | 65 | 127 | 201 | 329 | 329 |
| Чехия | 29,5 | 54 | 116 | 150 | 192 | 215 | 217 |
| Финляндия | 82 | 86 | 110 | 140 | 146 | 197 | 197 |
| Эстония | 33 | 32 | 58 | 78 | 142 | 149 | 184 |
| Литва | 7 | 48 | 50 | 54 | 91 | 154 | 179 |
| Украина | 77,3 | 86 | 89 | 90 | 94 | 87 | 151 |
| Россия | 14 | 15,5 | 16,5 | 16,5 | 14 | 15,4 |
Таблица: Суммарные установленные мощности, МВт по данным WWEA .
| 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 7475 | 9663 | 13696 | 18039 | 24320 | 31164 | 39290 | 47686 | 59004 | 73904 | 93849 | 120791 | 157000 | 196630 | 237227 |
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
- Global Wind Installations Boom, Up 31 % in 2009
- World Wind Energy Report 2010 (PDF). Архивировано
- Wind Power Increase in 2008 Exceeds 10-year Average Growth Rate . Worldwatch.org. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
- Renewables . eirgrid.com. Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
- «Wind Energy Update » (PDF). Wind Engineering : 191–200.
- 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.
- "Design and Operation of Power Systems with Large Amounts of Wind Power", IEA Wind Summary Paper (PDF). Архивировано из первоисточника 26 августа 2011.
- Claverton-Energy.com (28 августа 2009). Архивировано из первоисточника 26 августа 2011. Проверено 29 августа 2010.
- Alan Wyatt, Electric Power: Challenges and Choices, (1986), Book Press Ltd., Toronto, ISBN 0-920650-00-7 ,
- http://www.tuuliatlas.fi/tuulisuus/tuulisuus_4.html Пограничный слой в атмосфере
- http://www.tuuliatlas.fi/tuulivoima/index.html Размеры генераторов по годам
- http://www.hyotytuuli.fi/index.php?page=617d54bf53ca71f7983067d430c49b7 Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия
- Clipper Windpower Announces Groundbreaking for Offshore Wind Blade Factory
- Edward Milford BTM Wind Market Report 20 Июль 2010 г.
- Jorn Madslien . Floating wind turbine launched , BBC NEWS , London: BBC , стр. 5 June 2009. Проверено 23 декабря 2012.
- Annual installed global capacity 1996-2011
- Half-year report 2012
- US and China in race to the top of global wind industry
- http://www.gwec.net/fileadmin/documents/PressReleases/PR_2010/Annex%20stats%20PR%202009.pdf
- «Wind in power. 2011 European statistics »
- «Global Wind Statistics 2011 »
- Die Energiewende in Deutschland
- The Danish Market
- БИКИ, 25.07.09г., «На рынке ветроэнергетического оборудования КНР»
- Wind power - clean and reliable
- Испания получила рекордную долю электричества от ветра
- Использование энергии ветра в СССР \\ Бурят-Монгольская правда. № 109 (782) 18 мая 1926 года. стр. 7
- Энергетический портал. Вопросы производства, сохранения и переработки энергии
- http://www.riarealty.ru/ru/article/34636.html «РусГидро» определяет перспективные площадки в РФ для строительства ветроэлектростанций
- =1&cHash=EU will exceed renewable energy goal of 20 percent by 2020] (англ.) . Проверено 21 января 2011.
- Denmark aims to get 50% of all electricity from wind power
- EWEA: 180 GW of Wind Power Possible in Europe by 2020 | Renewable Energy World
- 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
- China’s Galloping Wind Market (англ.) . Проверено 21 января 2011.
- India to add 6,000 MW wind power by 2012 (англ.) . Архивировано из первоисточника 26 августа 2011. Проверено 21 января 2011.
- Venezuela, Dominican Republic Step into Wind 9 Сентябрь 2010 г.
- John Blau France Could Be Next Offshore Wind Powerhouse 26 Январь 2011 г.
- American Wind Energy Association. The Economics of Wind Energy
- Wind Energy and Wildlife: The Three C’s
- Wind Energy Could Reduce CO2 Emissions 10B Tons by 2020
- 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.
- 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.
- http://www.canwea.ca/images/uploads/File/CanWEA_Wind_Turbine_Sound_Study_-_Final.pdf
- Wind Energy in Cold Climates
- Wind energy Frequently Asked Questions
- Энергия ветра: мифы против фактов
- MEMBRANA | Мировые новости | Ветровые турбины убивают летучих мышей без единого прикосновения
- Устаревшие РЛС тормозят развитие ветровой энергетики 06 сентября 2010 года
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.
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:
- Уже в III–II веках до н. э. жители Месопотамии изобрели первые прототипы ветряных мельниц для размола зерна. Лопасти таких устройств, вращаясь под действием ветра, приводили в движение массивный жернов. Он, в свою очередь, растирал зерно в муку. Так энергия ветра позволила сэкономить силы и время нескольких сотен рабочих.
- В Древнем Египте ветряные мельницы появились примерно в тот же период.
- В Древнем Китае с помощью ветра производилась откачка водных масс с рисовых полей.
- В XII веке технологии, базирующиеся на использовании воздушных потоков, стали распространяться по Европе.
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:
- Дании – 42%;
- Португалии – 27%;
- Испании – 20%;
- Германии – 8,6%.
Перечисленные страны являются лидерами по получению электроэнергии из ветра. К данному списку стремятся примкнуть Индия, США, Китай.
Ведущие государства мира строят планы по увеличению количества ветропарков. В Китае и некоторых странах ЕС принимаются законы об использовании возобновляемых источников энергии и повышении мощностей. Всё это способствует развитию ветроэнергетики.
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:
- Крупные.Обеспечивают электричеством города и промышленные предприятия.
- Небольшие.
- Вырабатывают электроэнергию для удалённых жилых районов, частных ферм.
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:
- Общедоступность.
Ветер – возобновляемое «сырьё». Он будет существовать, пока есть солнце. - Безопасность для природы и человека.
Как и все альтернативные источники энергии, ветер экологически безопасен. Оборудование, преобразующее ветряную энергию, не создаёт выбросов в атмосферу, не является источником вредного излучения. Пути накопления, передачи и использования энергии ветра – экологичные. Производственная техника безопасна для человека, пока он использует её по прямому назначению, соблюдая при этом все правила безопасности. - Успешная конкурентоспособность.Ветряная энергия – хорошая альтернатива атомной. Эти отрасли борются за первенство в возобновляемой энергетике. Но АЭС несут серьёзную угрозу для человечества. В то же время ещё не зарегистрирован ни один случай неисправности ветряного энергокомплекса, сопровождающийся массовой смертностью рабочих и простых жителей.
- Обеспечение людей большим количеством рабочих мест.Статистика зафиксировала, что уже в 2015 году отрасль обслуживает 1 млн человек. Развитие ветроэнергетики всё ещё продолжается, поэтому данная сфера народного хозяйства ежегодно предоставляет людям тысячи рабочих мест по всему миру. Это повышает процент занятости населения и благотворно влияет на экономику отдельного региона, всей страны и целого мира.
- Лёгкость в работе и управлении.Оборудование требует лишь периодических ТО. Ремонт турбин или их замена – задача средней сложности. Хорошо обученные специалисты без труда обеспечивают работу ветрогенераторов, их исправность. Для этого нужны лишь базовые навыки.
- Перспективность.Ветроэнергетика находится только на середине своего пути. Потенциал данной отрасли не раскрыт на все 100%, а значит – всё ещё впереди. Современные научно-технические открытия позволят повысить эффективность ветровой энергетики, сделать ее более прибыльной.
- Экономическая выгода.Любое предприятие в начале своей работы требует больших вложений. И в отрасли ветроэнергетики расходы на оборудование стабильны, в то время как цены на электроэнергию увеличиваются. Следовательно, доходы производства постоянно растут.
Все эти характеристики способствуют развитию и глобализации ветроэнергетики.
Недостатки
Ветроэнергетика не имеет каких-либо серьёзных недостатков, но и в этом аспекте есть проблемы:
- Высокий стартовый капитал.Запустить такой бизнес очень сложно, ведь закупка и монтаж оборудования требуют больших инвестиций.
- Выбор территории.Не все регионы Земли подходят для строительства ветроэнергетических комплексов. Подбор местности осуществляется на основе высокоточных расчётов.
- При этом учитываются:
- количество ветреных дней;
- скорость воздушных потоков;
- частота их изменения;
- прочее.
- Отсутствие точных прогнозов.Невозможно точно предсказать, что характеристики ветра в данной местности останутся стабильными на 10/20/100 лет. Сложно рассчитать, какое количество энергии будут вырабатывать ветрогенераторы.
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:
- Шум, создаваемый ветрогенераторами, вредит экосистеме.Ветряные станции и правда издают шум, однако на расстоянии 30–40 метров он уже воспринимается как фон (естественный уровень шума), поэтому никакого ущерба экологии не наносит.
- Ветрогенераторы убивают птиц.Да, это действительно так. Однако от ветряных станций умирает столько же птиц, сколько от высоковольтных сетей и автомобилей.
- Вблизи ветряных комплексов портится сигнал ТВ. Оборудование никак не влияет на качество сигнала спутникового, цифрового и аналогового ТВ.
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.
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.
Электроэнергия - уникальный ресурс. Ее можно вырабатывать в любых количествах, она неиссякаема и не базируется на ископаемых элементах. Такие свойства делают электроэнергию очень востребованной, распространенной и популярной. Существует и оборотная сторона - для производства электричества требуется достаточно мощное оборудование, требующее обслуживания, ремонта и прочих работ, которые могут производиться только квалифицированными людьми.
Электрические магистрали, разветвленная сеть которых охватывает всю страну, ведут только к густонаселенным районам, минуя отдаленные регионы. Это объяснимо, так как расходы на проведение ЛЭП очень велики, поэтому в первую очередь обеспечиваются электричеством только самые крупные пункты.
Способы автономного получения электроэнергии и их последствия
Решить проблему отсутствия электричества можно разными способами. Распространены дизельные и бензиновые генераторы, иногда встречаются мини-ГЭС, позволяющие обеспечить энергией небольшой поселок. Все эти способы имеют определенный недостаток - они отрицательно влияют на окружающую природу. Выбросы от двигателей бензиновых или дизельных генераторов губительно воздействуют на атмосферу, содержат пары свинца и прочих вредных химических соединений.
Дамбы, образуемые для создания мини-ГЭС создают искусственные водоемы, нарушающие естественное равновесие природных процессов в регионе, изменяют гидродинамический режим грунтовых водоносных пластов, объемы питания рек, расположенных ниже по течению. Все эти воздействия запускают процессы, уничтожающие природные богатства страны. Самое опасное в них - незаметность и постепенность действия. Все происходит очень медленно, исподволь, пока в один день не оказывается, что произошли необратимые изменения, полностью меняющие состояние экологии в регионе.
Альтернативные источники энергии
Кроме традиционных, наиболее распространенных способов получения электричества существуют другие, менее используемые, но вполне эффективные средства. К ним относятся солнечная энергия, приливные электростанции, АЭС и другие энергоблоки, способные вырабатывать электричество в промышленных масштабах или для нужд отдельного дома. Но существует один способ, имеющий массу преимуществ перед остальными.
Речь идет о , вполне эффективной и активно развивающейся отраслью энергетики в странах Запада. Потоки ветра, перемещающиеся по атмосфере, имеют огромную энергию, которая используется пока еще довольно скудно.
В России такими разработками занялись относительно недавно, так как в советское время ветроэнергетика считалась убыточной и непроизводительной отраслью. Упор делался на крупные гидроэлектростанции, позволяющие обеспечивать энергией индустриальные регионы, питать производственные цеха и металлургические комбинаты. В сравнении с потребностями промышленности, расходы энергии на бытовые нужды населения незначительны, поэтому обеспечивались практически по остаточному принципу. Поэтому и существуют до сих пор регионы, куда магистрали электроснабжения не проведены.
Ветроэнергетика - наиболее удачный выход из положения. Дело в том, что при помощи одного-двух ветряков можно обеспечить энергией всю усадьбу, не создавая крупную сеть с множеством дорогостоящего оборудования.
Плюсы и минусы ветровых электростанций
Имеют массу достоинств. В их числе:
- компактность. Ветряк занимает точечное положение и не требует какой-то территории для функционирования
- полная безопасность для окружающей среды. Ветрогенератор только получает энергию, ничего не отдавая взамен, поэтому внести в экологию какие-либо изменения он не может
- отсутствие потребностей в каком-либо топливе, вся работа системы производится абсолютно автономно
- высокая ремонтопригодность ветряков, особенно в сравнении с гидроэлектрстанциями
- расходы на получение энергии стабильны и поддаются прогнозированию
- минимальные потери энергии при передаче, возможность установки ветряков вблизи от потребителей
При таких значительных преимуществах, делающих ветроэнергетику весьма привлекательной отраслью, существует немало аргументов против нее. Если не считать различных утверждений о вреде для птиц или о сильном шуме, издаваемом ветряками, которые на проверку оказываются просто несостоятельными, можно выделить несколько действительно серьезных недостатков:
- высокие единовременные вложения, особенно если речь идет о ветроэлектростанции, объединяющей несколько десятков ветряков
- непостоянство скорости и направления потоков ветра, которые трудно предсказать или запланировать. Здесь же надо отметить случающиеся шквалы или штормы, способные вывести из строя высокие мачты с лопастями, не готовыми к таким нагрузкам
- в лучшем случае составляет 30%, а в среднем - гораздо меньше, что является самым серьезным аргументом против такого направления энергетики
Следует учитывать, что рассматривать ветроэнергетику в качестве альтернативы гидроэнергетике можно только с позиций полной недоступности последней.
При равных возможностях первенство ГЭС очевидно, поэтому речь не идет о замене одного типа станций на другой, а лишь о возможности получения энергии при отсутствии обычных методов.
Если рассуждать на бытовом уровне, то приобретение ветряка, даже недорогого, весьма сильно ударит по семейному бюджету. Учитывая реалии, можно вполне ответственно утверждать, что в большинстве регионов, где нет электричества, покупка промышленного ветряка людям не по карману. Другое дело - самостоятельное изготовление. Здесь картина иная, так как техническое творчество у русского человека в крови, а если к тому подталкивают жизненные обстоятельства, то самая серьезная мотивация обеспечена.
Виды ветрогенераторов
Существующие конструкции ветрогенератоов делятся в первую очередь на горизонтальные и вертикальные. Устройства с горизонтальной осью вращения являются более эффективными, стабильнее в работе и обеспечивают более ровные результаты, но нуждаются в постоянном наведении на ветер и более сложны в самостоятельном изготовлении.
Ветряки с вертикальной осью вращения просты и доступны для изготовления своими руками. Они не требовательны к направлению ветра или высоте подъема над землей, главным условие для них является отсутствие поблизости крупных зданий или сооружений, заслоняющих ветер.
Недостаток этих конструкций - относительно низкая эффективность, вызванная одновременным воздействием как на рабочую часть лопастей, так и на обратную, создавая усилие, уравновешивающее лопасти в состоянии покоя. Для решения этого вопроса созданы разные конструкции роторов, в число которых входят:
- ротор
- ротор Дарье
- ротор
- ортогональный
- геликоидный и т.д.
Разница между этими конструкциями заключается в конфигурации лопастей и в том, как решается вопрос с отрицательным воздействием на их обратную сторону. Наиболее простая и доступная конструкция Савониуса представляет собой две изогнутые по продольной оси лопасти, расположенные по диаметральной оси. Самая сложная на сегодняшний день - конструкция Третьякова , представляющая собой систему воздухозаборников и направляющих конструкций, организующих поток воздуха таким образом, чтобы полностью исключить потери от противонаправленных воздействий.
Выбор прототипа для самостоятельного изготовления обычно делается исходя из возможностей, наличия оборудования и материалов и прочих обстоятельств, способных повлиять на принятие решения. Необходимо понимать, что создание ветряка - это не решение вопроса, для того, чтобы включить лампочку, надо сначала изготовить собственно генератор, инвертор, подключить аккумуляторы, установить контроллер заряда, соединить все это должным образом и настроить работу комплекса.
Как самостоятельно сделать ветрогенератор
Ответ на этот вопрос лежит в плоскости подготовки человека в теоретическом или техническом плане. Обычный порядок работ примерно следующий:
- создание проекта
- произведение всех доступных расчетов
- подготовка материалов
- приобретение элементов системы, которые невозможно сделать самостоятельно (например, аккумуляторов)
- изготовление вращающихся частей (ротора)
- установка ротора, проверка рабочих качеств, внесение необходимых конструктивных изменений
- сборка генератора (если планируется собрать его самостоятельно, а не использование готовых образцов)
- соединение всей системы в комплекс, пробный запуск
- настройка системы, регулировочные работы
- эксплуатация
Полезное видео
Порядок работ определен условно, в каждом конкретном случае имеют место собственные условия или возможности. Некоторые пользователи обходятся без аппаратуры, подключая приборы потребления непосредственно к генератору. Это позволяют делать с собой далеко не все устройства или приборы, но, например, ТЭНы таким образом включить можно. Так делается, если дополнительного оборудования пока не имеется, а греть воду уже надо. Кроме того, необходимо, чтобы скорость ветра была более-менее постоянной и ровной.
Загрузка...
