Ветроэнергетика — это один из самых экологически чистых способов производства энергии. Суть ее работы проста и заключается в преобразовании энергии ветра в электричество. Сегодня около 75 стан мира стараются повсеместно развивать этот вид альтернативной энергетики. Если сравнивать с другими возобновляемыми источниками (солнце и вода), то ветрогенерация безусловно лидирует и по объему введённых мощностей, и по инвестициям.
Ветроэнергетика сейчас проигрывает ТЕС, АЭС и СЕС только по высокой стоимости капиталовложений, однако расходы на ее эксплуатацию и ремонт значительно ниже других. Если подсчитать все расходы ТЕС и АЭС с учетом скрытых, которые, как правило, не включают в цену электроэнергии, например, затраты, связанные с загрязнением окружающей среды, то ветроэлектростанции (ВЭС) безусловно выигрывают.
Еще одна проблема, которая пугает энергетические компании – это непостоянность ветра в тех регионах, которые действительно нуждаются в ветрогенерации. Так есть ли будущее у этого альтернативного источника и каким оно будет? Обо всем по порядку в материале Валерии Кузнецовой.
Как это работает?
Энергию ветра люди использовали с давних пор. Первое документальное свидетельство об изобретении ветряка для помола зерна принадлежит греческому ученому Герону Александрийскому, жившему в I век н. э. А вот идея использовать ветер для выработки электричества появилась только в 19 веке. За основу как раз и взяли аэродинамический механизм, за счет которого производится работа обычной ветряной мельницы. Сегодня работа ветроэлектростанции – это уже сложнейший технический процесс двойного преобразования энергии. Сначала ветер преобразуется в движение, а потом движение преобразуется в электричество.
Современный ветряк с горизонтальной осью представляет собой стальную башню высотой от 70 до 125 м. На вершине установлены генератор с ротором, имеющим специальные лопасти. Поток ветра приводит лопасти турбины ветряка в движение, которые поворачивают ось, соединяющуюся с ротором генератора. Внутри генератора происходит превращение энергии вращения в переменный ток. Однако такой ток хранить в батареях для накопления энергии нельзя, поэтому далее специальная электронная цепь внутри турбины прообразовывает его в постоянный.
Чтобы максимально использовать силу ветра, ученые разработали различные формы лопастей — поверхность одной закруглена, а поверхность другой – плоская. Это позволяет увеличить скорость ветра и направить поток воздуха на другую лопасть.
При сильном ветре турбина может сломаться, поэтому она снабжена тормозной системой, которая при необходимости может замедлить или остановить работу ветряка.
Какие виды ветроэнергетики бывают?
Задача у всех видов ветрогенераторов одна – преобразование энергии ветра в электричество. Но выполнять эту задачу можно разными способами.
Существуют ветряки с горизонтальной и вертикальной осью. Работу первого типа, который, кстати, является самым распространённым, мы разобрали выше. Такие ветрогенераторы имеют много минусов: создают много шума, ультразвук, вибрацию, мелкие животные покидают территории близ установок.
Но наука на месте не стоит. Ученые активно взялись за разработку механизмов ветряков с вертикальной осью. Их основная особенность заключается в том, что у таких ВЭС нет необходимости ориентироваться на ветер. А их главный недостаток – небольшая мощность, которую эффективно использовать только для обеспечения частных хозяйств.
Вот 5 самых распространенных вертикальных ВЭС, которые используются частниками по всему миру. (под каждым пунктом фотография)
Ортогональный вертикальный ветрогенератор.
- Плюсы — работает независимо от направления ветра и может располагаться на уровне земли.
- Минусы – короткий срок эксплуатации опорных узлов из-за высоких нагрузок на ротор ВЭУ.
Ветрогенератор с механизмом Дарье.
- Плюсы – нет ориентации на ветер, легко собрать и установить самому для хозяйственного использования.
- Минусы – низкая эффективность работы лопастей, высокие динамические нагрузки.
Ветрогенератор с механизмом Савониуса.
- Плюсы — работа при относительно низких скоростях и высокая технологичность производства энергии.
- Минусы – высокая материалоемкость.
Ветрогенераторы многолопастные с направляющим аппаратом (модификация ортогонального ротора).
- Плюсы – высокая эфективность по сравнению с другими вертикальными ветряками, работает при слабом ветре.
- Минусы – высокая стоимость и дорогое обслуживание за счет колличества лопастей.
Генератор с геликоидной конструкцией.
- Плюсы – срок службы больше, чем у других ортогональных роторов.
- Минусы – высокая стоимость.
Самое перспективное направление ВЭС – это аэростаты. У летающих генераторов полно преимуществ: они экологичны, практичны и экономичны. Воздушные агрегаты, чаще всего похожие на кайты или шары. Они безопасны для птиц, не создают помех радиоволнам, не издают громких звуков и могут работать в любую погоду. Исследователи сегодня активно разрабатывают эту air-технологию, которая непременно займет свою нишу на энергетическом рынке будущего.
Ситуация в мире и России
На конец 2018 года, по данным Российской ассоциации ветроиндустрии, установленная ВЭС в России достигла 140 МВт. Большая часть мощностей сосредоточена в Крыму – 85 МВт, на втором месте Ульяновская область – 35 МВт, затем идут Калининградская область (5,1 МВт) и зоны децентрализованного энергоснабжения.
Будущее ветроэнергетики в России до 2024 года уже определено: Министерством энергетики был проведен конкурс и были разыграны почти все будущие ВЭС. Ставропольская область планирует выйти на мощности ветроустановок в 1,2 гигаватта. «В стране развитие ветроэнергетики нацелено на три гигаватта — почти половину из них мы хотим разместить у себя», — заявил губернатор края Владимир Владимиров в апреле 2019 года.
К слову, на рынке ветряков уже образовалась конкурентная борьба между тремя консорциумами с участием иностранных партнеров. Все они пытаются снизить минимальную стоимость установленной мощности. Эксперты индустрии отмечают значительное снижение конечных цен – до 7 рублей за кВт.ч, на электроэнергию сразу после того, как все ВЭС окупятся. Однако это все равно больше, чем тарифы на электроэнергию в Москве и Московской области – с учетом сетевого компонента потребители за 1 кВт.ч платят 4-6 рублей. Маловероятно, что в России ветровая энергетика сможет стать рентабельной в масштабах страны, так как потенциал снижения кап. затрат на ветроэнергетику уже ограничен.
На данный момент, ветровая энергетика уже дешевле традиционной газовой генерации только в тех странах, где газ дорогой. Лидерами по ВЭС сегодня считаются Китай, США, ФРГ, Индия и др. В целом, по всему миру установленная мощность ветрогенераторов составляет 539 ГВт. В Европе за 2018 год мощности составили 189 ГВт, которые смогли произвести 14% от всей электроэнергии. Это на 2 процента больше, чем в 2017 году.
Если возвращаться к России, то запасы ресурсов ВЭС настолько велики, что их можно приравнять ко всей электроэнергии, производимой в год. Простая математика: энергию ветра рентабельно использовать там, где среднегодовая скорость ветра свыше 3 м/с. А это значит, что к зонам ветровой активности относятся острова Северного ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, районы нижней и средней Волги и Каспийского моря, побережье Охотского, Баренцева, Балтийского и Азовского морей. Это как раз те зоны, где сосредоточены нефтегазовые месторождения, а значит – инфраструктура уже развита на достаточном уровне.
Экологическая сторона
Как и другие возобновляемые источники энергии, ветрогенераторы менее вредны для окружающей среды, чем традиционные (газ, нефть), так как не имеют выбросов углекислого газа. Однако во многих странах правительство отказывается поддерживать ветроэнергетику из-за сильного шума, повышенной смертности птиц, бьющихся о лопасти ветряков.
Строительство ВЭС неподалёку от жилых районов делает жить людей невыносимой. Дело в том, что ветряки отбрасывают постоянно мелькающие тени. Как правило, цены на жилье в таких районах падают вдвое. В Германии сегодня широко распространено движение активистов, выступающих против ветрогенераторов – просят законодателей ограничить строительство ВЭУ рядом с жилыми кварталами.
Решение проблемы существует и правительство некоторых стран уже взялось за его реализацию. В странах северной Европы идет активный перенос ветряков на шельфы или в море. Конечно, строительство офшорных ветряных электростанций обходится намного дороже, чем обычных наземных, поэтому компании стремятся получить всевозможные льготы от правительств. Сегодня лидерами офшорных ВЭС являются Германия, Дания и Исландия.
Валерия Кузнецова
