В качестве бесплатного источника энергии ветер доступен в неограниченных количествах. Энергия ветра относится к возобновляемым источникам энергии и, следовательно, является экологически чистой и регенеративной, то есть самовозобновляемой формой производства энергии. Другими формами возобновляемых источников энергии являются производство электроэнергии из воды, солнца или биомассы.
Какие типы ветрогенераторов существуют?
В настоящее время существуют различные типы ветряных турбин, очень грубое различие проводится между ветряными турбинами с горизонтальной или вертикальной осью.
Ветрогенераторы с горизонтальной осью
Наиболее широко используемый тип ветряных турбин сегодня устанавливается во всем мире, от небольших домашних электростанций до огромных ветряных электростанций промышленного исполнения.
Ветрогенераторы с горизонтальной осью используют для своей работы принцип плавучести, то же самое физическое явление, которое удерживает в воздухе современные самолеты.
В ветроэнергетической установке с горизонтальной осью кинетическая энергия обтекаемых воздушных масс преобразуется в механическую энергию вращающихся лопастей ротора.
В случае тихоходных роторов последний соединен через редуктор с электрическим генератором, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую на основе электромагнитной индукции.
В новых типах ветроэлектрических установок (ВЭУ) с горизонтальной осью редуктор с обычным генератором может быть заменен тихоходным многополюсным генератором, установленным непосредственно на валу ротора. Вес редуктора для ветрогенератора мощностью 2 МВт составляет примерно 15000 кг.
Основной частью ветряка являются лопасти ветроколеса. К ним предъявляются немалые требования, так как они должны выдерживать не только силу ветра, но и центробежную силу вращающегося винта.
Правильный профиль и вращение лопасти против ветра является основным условием максимальной эффективности использования энергии ветра. Лопасти роторов крупных электростанций изготавливаются из композиционных материалов методом ламинирования.
Минимальная скорость ветра, при которой начинают работать ветрогенераторы, составляет около 3-4 м/с. Оптимальная производительность достигается при скорости 15 м/с, а при скорости ветра выше 25 м/с ветрогенераторы останавливаются для предотвращения повреждений.
Ветряные турбины с горизонтальной осью составляют большую часть промышленного оборудования. Диаметр ротора самого крупного из них достигает 160 метров, КПД примерно 45%.
Они состоят из двухлопастного, но чаще трехлопастного гребного винта, вала, редуктора и электрогенератора. Все это оборудование находится во вращающейся гондоле на вершине стальной или железобетонной башни.
Для небольших турбин поворот против ветра осуществляется с помощью небольшой лопасти, более крупные и мощные турбины поворачиваются против ветра с помощью серводвигателей, управляемых управляющей электроникой в соответствии с датчиками направления ветра.
Большинство ветряных турбин с горизонтальной осью направлено против ветра по отношению к башне, потому что сама башня вызывает нежелательную турбулентность, когда воздух обтекает ее. Несмотря на этот недостаток, строились и турбины с рабочими лопастями за опорной башней, поскольку они не нуждались в системе поворота всей гондолы в рабочее положение, параллельное направлению ветра, и могли лучше справляться с сильными ветрами.
Производительность современных ВЭУ с горизонтальной осью порядка единиц МВт, для увеличения общей мощности электростанции их объединяют в ветропарки или ветропарки. Расчетный срок службы ветряной турбины составляет от 20 до 25 лет, а время работы составляет около 120000 часов.
Ветрогенераторы с вертикальной осью
Однако существует также тип ветряных турбин с вертикальной осью. Среди них турбины с ротором Дарье являются одной из доминирующих моделей. Они могут быть увеличены до среднего диапазона мощности и очень характерны с чисто визуальной точки зрения.
Ветряная турбина Дарье обычно состоит из двух или трех лопаток аэродинамического профиля, вращающихся вокруг вертикальной оси, образующих цилиндрическую, сферическую или параболическую поверхность.
Она относится к быстроходным ветроустановкам — окружная скорость лопастей ротора в несколько раз превышает скорость ветра. Это предъявляет высокие требования к материалу листов и их креплению, так как на них действует значительная центробежная сила.
Одним из вариантов турбины Дарье является ветряк с Н-образным ротором, он проще в изготовлении, так как использует прямые вертикальные лопасти, но их крепление должно быть более прочным для значительных центробежных сил.
Чтобы избежать неприятных пульсаций, турбины Дарье иногда строят с лопастями ротора, наклоненными по спирали. Это создает равномерный крутящий момент.
Ее работа основана на принципе плавучести. Профили движутся в обтекаемом воздухе вокруг оси несущего винта по круговой траектории с нулевым углом атаки.
Скорость воздуха относительно вращения крыла векторно добавляется к скорости ветра так, что результирующий воздушный поток создает небольшой положительный угол атаки на крыло. Результирующая подъемная сила направлена внутрь вне оси турбины и создает крутящий момент, приводящий в движение турбину.
Преимуществом вертикальных турбин Дарье является простота обслуживания, так как все механизмы расположены низко к земле. Ему также не нужен механизм поворота на направление ветра, он практически не зависит от направления ветра. Однако, с другой стороны, для первичного вращения ротора требуется внешний источник.
К недостаткам этого типа ветродвигателя можно отнести худшую управляемость, пульсирующий цикл мощности, приводящий к резонансам, и большие центробежные силы, действующие на ротор. Из-за этого они гораздо более динамически нагружены, чем турбины с горизонтальной осью, что в конечном итоге сокращает срок их службы.
Еще один варинат — ветряные турбины с ротором Савониуса, которые могут использоваться только в качестве воздушных насосов из-за их низкой скорости и малой мощности.
Ветряная турбина Савониуса чаще всего состоит из двух взаимно вращающихся полуцилиндров, продольно прикрепленных к вертикальной оси, образующих в поперечном сечении букву S.
Исходя из разного коэффициента сопротивления вогнутой и выпуклой поверхности полуцилиндров, ветер оказывает значительно большее давление на выпуклую лопатку (полуцилиндр) и таким образом раскручивает ротор турбины.
Ось вращения перпендикулярна направлению воздушного потока. Внутренние края лопастей слегка перекрываются в центре вращения, позволяя воздуху проходить между ними.
Ротор турбины Савониуса вращается относительно медленно, но обеспечивает высокий крутящий момент. Эти свойства предопределяют его в первую очередь для перекачки воды и помола зерна, а не для производства электроэнергии.
В исторической машине "ветряном насосе сопротивления" ветер упирается в поверхность соответствующим образом повернутых лопастей рабочего колеса, и аэродинамическое сопротивление вращает вал машины. Затем вращательное движение вала преобразуется в вертикальное движение поршня насоса. Эти турбины не так эффективны, как турбины, основанные на принципе плавучести, но их производство не так сложно и дорого.
Подобные ветряные машины, которые не производили электричество, часто использовались в прошлом. Турбина выполняла непосредственную механическую работу – ветряная мельница молотила зерно, воду перекачивали ветряными машинами или приводили в движение паровозы. Водяные насосы, работающие от ветра, все еще можно увидеть сегодня в некоторых странах, таких как США или Австралия.
Смотрите также:
История ветроэнергетических установок
Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы
Оценка энергоэффективности объектов на основе возобновляемых источников энергии
Разные ветряки от разных производителей
Двумя крупнейшими производителями ветряных турбин являются компании VESTAS, ENERCON и SIEMENS. Каждый производитель строит свои ветряные турбины по-разному с разной специализацией, из чего логически следует, что ветряные турбины различаются от производителя к производителю. Есть также несколько более мелких производителей, которые специализируются на определенных специальных технологиях, а не полагаются на большие продажи.
Как и когда ветроэнергетика совершила прорыв?
Глобальный прорыв в области ветроэнергетики начался в конце 1980-х годов в Калифорнии, США: благоприятные налоговые условия для инвестиций, кризис цен на энергоносители и растущая забота об окружающей среде способствовали быстрому развитию.
С начала 1990-х годов в Европе крутилось все больше и больше ветряков. Политические рамочные условия также сыграли здесь важную роль для увеличения строительства электростанций: так в Германии с 1991 года применялся Закон о поставке электроэнергии (StromEinspG), за которым последовал Закон о возобновляемых источниках энергии (EEG) с 2000 года.
Сколько электроэнергии производит ветряк?
В хороших условиях, то есть в ветреной местности, например, на холме или на побережье, современный ветряк может вырабатывать в среднем 15 миллионов кВтч электроэнергии в год.
Насколько высоки ветряные турбины?
Ветродвигатель имеет высоту в среднем от 90 до 130 м (высота ступицы), диаметр ротора до 90 м и номинальную мощность от 2 до 5 мегаватт (МВт), на море (в море) до 15 МВт. Ветрогенераторы нового поколения иногда достигают внушительных размеров: они могут достигать 240 м в высоту, включая лопасти ротора.
Ветрогенераторы-рекордсмены:
Наземные и морские ветряные электростанции
Наибольшее распространение получили наземные ветрогенераторы, в силу более простого монтажа. Наземные ветрогенераторы, потомки ветряных мельниц, устанавливаются на естественных возвышенностях. Причем ветрогенератор промышленного уровня можно собрать и запустить за 10 дней. Правда, получение необходимых разрешений на его эксплуатацию требует намного больше времени.
Все большую популярность получают наземные ветрогенераторы, устанавливаемые не некотором удалении от береговой линии океана либо моря.
За счет разности температур земной и водной поверхностей на побережье в течение суток дважды дует сильный бриз. Днем морской бриз направлен в сторону берега, а ночью бриз движется с остывшего берега к воде.
Равно как и другие направления альтернативной энергетики, использующие энергию приливов и геотермальные процессы, ветряная энергетика продолжает развиваться.
Довольно перспективными решением являются оффшорные ветряные электростанции, которые строят в море примерно в 10 километрах от берега.
Такое размещение втерогенераторов не требует использования значительных земельных ресурсов и обеспечивает высокий КПД за счет регулярных и сильных морских ветров. Данные электростанции возводят на шельфовых участках моря, имеющих малую глубину.
Ветрогенераторы монтируют на свайных фундаментах. Естественно, что подобная конструкция обходится значительно дороже, чем традиционная наземная.
Плавающие ветряные электростанции открывают новую страницу в истории альтернативной энергетики. Первый крупный проект такого рода был реализован в Норвегии летом 2009 года.
Норвежская компания StatoilHydro сконструировала плавающие ветрогенераторы для большой глубины. Демонстрационная версию мощностью 2,3 МВт была представлена в сентябре 2009 года. Турбина под названием Hywind с весом 5300 тонн и высотой 65 метров находится в 10 километрах от юго-западного берега Норвегии.
Высота башни ветрогенератора составляет 65 метров, а его подводная часть уходит на глубину в 100 метров. Для устойчивости башни ветрогенератора и его погружения на нужную глубину применяется балласт. С целью предотвращения свободного дрейфа вся конструкция заякорена тремя тросами.
Какое место идеально подходит для ветряных турбин?
Неспециалисту кажется, что там, где дует сильный ветер, оптимально расположить ветряк. Однако часто приходится принимать во внимание широкий спектр факторов: инфраструктура электросети и дорог или неблагоприятные климатические условия, такие как экстремальные температуры, могут обесценить ветреное место.
Определение оптимального места для одной или нескольких ветряных турбин изначально включает в себя точное обследование площадки.
Для равнинной местности и прибрежных районов такие отчеты могут быть рассчитаны по усредненным данным, которые часто доступны. Основой для этого служат данные обычных измерений ветра районных метеослужб.
Атласы ветра также можно использовать для планирования ветряной турбины или ветряной электростанции. При расчете необходимо учитывать дома, деревья, насыпи земли или другие местные препятствия. Они могут оказать решающее влияние на скорость и направление ветра и, следовательно, на количество вырабатываемой зеленой электроэнергии.
Как правило, расстояние от ветряной турбины должно быть как минимум в 15-20 раз больше, чем высота существующего препятствия. В качестве альтернативы возможно, что ветряк находится выше препятствия.
Для внутренних районов чисто математическое определение скорости ветра обычно слишком неточно, так как этот метод почти не учитывает влияние холмов и пересеченной местности. Здесь только непосредственное измерение на самом месте помогает определить точное местонахождение ветряка, точнее ветроснабжение.
После того, как значения ветра определены, данные о погоде с ближайших измерительных станций или данные из атласов ветра сравниваются и преобразуются в типичный год ветра.
Поскольку неровная местность замедляет ветер, чем выше над землей измеряется скорость ветра. Чтобы правильно записать ветер, эффективный для использования энергии, важно измерить высоту ступицы планируемого ветряного двигателя.
Оффшорные ветряные турбины наиболее эффективны
Морские ветряные турбины, расположенные на некотором расстоянии от берега, не имеют препятствий или других неопределенностей, которые ограничивали бы максимальное использование ветра.
Оффшорные ветряные турбины используют значительно лучший ветер и космические условия на море для выработки регенеративной энергии.
Так, например, в Германии обычно выбирают расстояние около 30 км от берега, точнее: в Северном море ВЭУ размещают на расстоянии от 30 до 90 км от берега, в Балтийском море ВЭУ размещают на расстоянии от 15 до 35 км от берега.
Открытые места для производства энергии ветра выбраны сознательно по нескольким причинам. С одной стороны, для защиты природы, а с другой стороны, чтобы не мешать другим видам использования прибрежных вод, таким как судоходство или военные учения.
Зарубежные проекты уже набираются опыта с оффшорными ветряными турбинами. Системы крепятся к морскому дну в месте их расположения с использованием различных методов. Из-за расстояния они обычно не видны с материка и островов.
Оффшорная ветроэнергетика обеспечивает высокий выход электроэнергии, и есть хорошие перспективы того, что в течение следующих нескольких лет она внесет решающий вклад в ориентированное на будущее, устойчивое производство энергии и сокращение выбросов CO2. Так что это возможность остановить изменение климата.
Поскольку постоянно установленные морские ветряные электростанции явно мешают застроенной морской территории, в этом контексте также обсуждаются вопросы защиты окружающей среды. Опасения, например, что эти ветряки посреди моря могут представлять угрозу жизни птиц, пока не оправдались. Животные адаптируют свое поведение.
В настоящее время проводятся дальнейшие исследования, такие как нарушение рыбных запасов, точнее их чувства направления и других возможных последствий для окружающей среды.
Любые результаты должны быть учтены в будущих планах по оффшорным ветряным турбинам. Кроме того, раздаются голоса, особенно со стороны ассоциаций, о том, что наземные ветряные турбины, то есть наземные, могут быть построены с меньшими затратами. В настоящее время это самый дешевый способ получения электроэнергии из возобновляемых источников энергии.
Оффшорная ветроэнергетика обладает огромным потенциалом, который, однако, пока не может быть полностью использован во всем мире, поскольку в настоящее время морские ветряные электростанции могут быть установлены только на морском дне на максимальной глубине воды 50 метров при экономически оправданных затратах. Это ограничивает количество подходящих морских районов.
Будущее за ветровой энергией
Во времена нехватки сырья и серьезных проблем энергетической политики теперь всем ясно: энергия будущего производится в основном из ветра. Новые технологии и инновации показывают, что мы только в начале пути использования энергии ветра.
Необычные конструкции для оффшорной ветроэнергетики:
Плавающие турбины с вертикальной осью вращения в противоположных направлениях
Ветряная электростанция Windcatcher WCS выше Эйфелевой башни