С древних эпох человечество научилось использовать энергию ветра во всевозможных областях своей жизни. Ветряные мельницы, к примеру, вращали жернова и перемалывали зерно в муку, корабли передвигались по водной глади благодаря ветру в парусах. Но пытливый человеческий ум не знает покоя в деле постижения тайн природы. И оказалось, что ветер в состоянии производить огромное количество архиполезной энергии благодаря своему потенциалу и природной мощи. В современном мире энергию ветра применяют для выработки электричества. Даже существует отрасль, занимающаяся преобразованием кинетической энергии ветра в электрический ток и называется она ветроэнергетика. Вот об этом интересном научно-техническом направлении мы сегодня и поговорим.
Для начала немного статистики. Всемирная метеорологическая организация оценила потенциал энергии ветра очень высоко. Цифра выглядит внушительно: 170 триллионов кВт/ч в год.
Сейчас по всей планете работают десятки тысяч ветроэнергоустановок (ВЭУ) различных размеров и мощности. Например, ФРГ получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дарит целых 2500 МВт. Европейские государства благоприятствуют эксплуатации ВЭУ частными лицами. Сеть центрального электроснабжения этих стран устроена так, что частник, имеющий во владении ветряк, оплачивает государству только разницу между потребляемым им электричеством и производимой полезным ветряком энергией. Использование экономического стимула в деле формирования экологической безопасности, на наш взгляд, весьма мудрое решение, и перенять его у западных соседей шаг не менее мудрый.
Что же касается России, то обжитая её часть, к сожалению, бедна ветровыми ресурсами. Для большинства развитых промышленных районов свойственна средняя скорость ветра 4 - 5 м/с. То есть очевидно, что невысокая скорость ветра даёт малую мощность потока. Прибавьте к этому существенное количество безветренных дней в году. Следовательно, ВЭУ в России будут функционировать треть или в лучшем случае половину годового цикла. "Богатые" ветром районы у нас в стране - это находящиеся вдоль морей и крупных озер прибрежные территории. Побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов имеют достойный ветровой потенциал, но мало обжиты и поэтому создание комплексов ВЭУ на этих территориях представляет большие сложности и ставит под вопрос саму целесообразность их возведения. К зонам, перспективным для обустройства ветряков, следует отнести морское побережье Ростовской области и Краснодарского края, а также несколько километров побережья в Ленинградской области в районе Финского залива и Ладожского озера. Ветрозапасы в Архангельской и Мурманской областях в целом актуальны, но там имеют место более суровые условия для реализации проектов ВЭУ.
Есть мнение, что на производство, установку и обслуживание ветряка уходит больше энергии, чем он вырабатывает. Однако дело обстоит несколько иначе. Фактически же, при удовлетворительной работе всю затраченную на вышеперечисленные задачи энергию ветряк возвращает за 2-5 месяцев при сроке службы как минимум 20 лет. Хорошая работа ВЭУ обеспечивается только при условии привязки к электросети. Вероятно, в дальнейшем удастся довести до практического и дешевого применения водородную энергетику, что позволит без проблем запасать энергию, произведенную ветроустановками. А пока эти ВЭУ остаются во взаимосвязи с линиями электропередач.
Следует отметить, что наибольшей популярностью на сегодняшний день пользуется эксплуатация ветрогенераторов. Они распространены как в больших масштабах, а это крупные электростанции, так и в малых, для частного пользования. Ветрогенератор сам по себе является полноценной электростанцией. Он не требует сырья и, что очень важно, не даёт отходов. В этом заключается главное отличие ветрогенератора от традиционных (атомных и тепловых) электростанций. Лишь бы соблюдалось одно необходимое требование - оптимальный уровень средней скорости ветра в течение года.
Если описывать вкратце, то принцип действия ветрогенератора таков. Ветер вращает ветровое колесо, генератор вырабатывает электроэнергию. Этой энергией через выпрямительно-зарядное устройство заряжается аккумуляторная станция. Ток из аккумуляторной станции через инвертор (устройство, преобразующее постоянный ток в переменный) поступает к потребителю. Ветрогенератор дополнительно может быть доукомплектован солнечным модулем и тепловым генератором, что повышает его мощность и функциональность.
Как любая движущаяся масса, ветер имеет кинетическую энергию, которая непостоянна и меняется в зависимости от изменения его скорости. Секундная энергия, или мощность потока, пропорциональна кубу величины (коэффициента) изменения скорости. Иными словами, если скорость ветра увеличилась, например в 2 раза, то энергия воздушного потока возрастет в 23 = 8 раз, невероятно! Таковы математические выкладки динамической метеорологии, поэтому ветровое колесо необходимо поднимать на максимально возможную высоту для получения большей мощности.
Укажем следующие преимущества использования ВЭУ:
1. Высокий КПД
2. Автономность
3. Экологическая безопасность
4. Длительный срок службы
5. Простота в эксплуатации
Как видим, этих преимуществ немало и каждое из них весьма заманчиво. Экологическая и экономическая выгоды идут рука об руку. Тем не менее, у энергии ветра есть некоторое количество существенных недостатков, которые затрудняют ее использование, но нисколько не умаляют её достоинств:
§ Энергия ветра в пространстве сильно рассеяна, поэтому требуются ВЭУ, которые могут постоянно функционировать с высоким КПД. Решением этой проблемы могут служить циклонные электростанции мощностью до 100 тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в особой 15-метровой башне и смешиваясь с воздушным потоком, создает искусственный «циклон», который вращает турбину. Такие установки разработаны и действуют, намного превосходя в эффективности и обычные ветряки, и солнечные батареи.
§ Для ветра характерна непредсказуемость – частые смены направления, неожиданные затишья, или порывы чрезмерной силы. С целью компенсировать эту изменчивость создают огромные «ветряные фермы». Ветряки там выстроены рядами на обширном пространстве, поскольку их нельзя располагать слишком тесно, в противном случае они будут загораживать друг друга. Такие «фермы» созданы в Англии, США, Франции, однако они занимают много места. А в Дании, например, «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где она никому не мешает, да и ветер там устойчивее, чем на суше.
§ Имеет место проблема с ухудшением принятия радио- и телевизионных сигналов в расположенных поблизости домах. Эта проблема актуальна в том случае, если турбина стоит на пути прохождения такого сигнала. Но данную трудность можно устранить через установку дополнительных ретрансляторов в обход ветровых ферм. К разряду мифов относится то, что якобы от турбин погибает множество птиц. Согласно статистике, которую собрали датские ученые, на 10 000 смертей птиц меньше одной происходит из-за ветровой турбины.
Таким образом, трудности при использовании энергии ветра не являются неразрешимыми, а вот положительные аспекты весьма многообещающи.
Прогрессор А. Сергеев
02.2024 (13566)