Ветрогенераторы мельничного типа широко используются во многих странах мира: от Западной Европы (19% общего энергопотребления) и США (10%) до Индии (10%), Бразилии (9%) и Китая (7,8%). В России вклад ветрогенераторов в энергосистему всего 1%. Возможно, альтернативные конструкции ветрогенераторов могли бы использовать энергию ветра в нашей стране более эффективно? Давайте попробуем разобраться.
Проблемы применения ветрогенераторов в России
Сложность постройки и утилизации. Современные ветрогенераторы представляют собой массивные конструкции высотой до ста метров. Их строительство требует значительных вложений в фундамент, а лопасти изготавливаются из дорогостоящих композитных материалов, утилизация которых затруднена.
Наличие сильного ветра. Для эффективного функционирования ветряных электростанций требуется ветер со скоростью как минимум 5 м/с, а лучше больше. Именно поэтому так популярны океанические парки ветряных электростанций — ветер там сильнее, чем на суше.
Нестабильность генерации. Ветрогенераторы не способны вырабатывать электричество круглосуточно, поэтому они используются как дополнительный источник энергии. Однако океанические ветряные электростанции работают практически непрерывно. Для сравнения: коэффициент использования установленной мощности для наземных ветрогенераторов в России составляет примерно 27%, в то время как для океанических может достигать 50%.
Шум. Крупные ветрогенераторы во время работы создают небольшой, но стабильный шум, что ограничивает их размещение рядом с жилыми домами. Кроме того, их энергия для передачи потребителю на расстоянии должна быть преобразована в более высоковольтную, что неизбежно приводит к дополнительным потерям.
Во время работы ветрогенераторов возникает инфразвук с частотой до 20 Гц. При длительном воздействии инфразвук может оказывать негативное воздействие на живые организмы, нарушая работу некоторых внутренних органов, особенно слуховых. Согласно исследованию, проведенному в 2012 г. американскими учеными, расположение ветрогенератора ближе, чем в 5 тысячах метров от жилья негативно влияет на сон.
Малая теплогенерация. Ветрогенераторы способны успешно работать в условиях морозной зимы, но, в отличие от ТЭС и АЭС, они не производят тепло самостоятельно. Для получения тепла необходимо преобразовывать выработанное электричество, что приводит к существенным потерям энергии.
Россия — это страна с холодным континентальным климатом. Большая часть её территорий не подходит для постройки ветрогенераторов мельничного типа из-за низкой скорости ветра. Однако, такие генераторы успешно устанавливаются на побережьях Северно-Ледовитого и Тихого океанов, а также на юге России.
Согласно оценкам Российской ассоциации ветроиндустрии, себестоимость электроэнергии, производимой ветрогенераторами в России, составляет всего 3,5 рублей за киловатт в час. Это значительно ниже, чем стоимость электроэнергии ТЭЦ (порядка 5 рублей за киловатт в час). Капитальные затраты на ветрогенератор окупаются в течение 7–8 лет.
Однако ветрогенераторы мельничного типа — это лишь один из вариантов использования силы ветра. Возможно, существуют и другие, более удобные и выгодные технологии?
Ротор Савониуса — вертикальный ветрогенератор
Впервые эта конструкция была предложена и запатентована в 1926 году финским изобретателем Сигурдом Савониусом. Благодаря своей кривизне, лопасти создают меньшее сопротивление при движении против ветра, чем при движении вместе с ним. Именно эта разница в сопротивлении и приводит к вращению. У ротора Савониуса есть несколько преимуществ:
- работает при слабом ветре (от 1,3 м/с);
- прост в изготовлении — его ротор можно распечатать на 3D-принтере;
- малошумен — можно устанавливать рядом с потребителями без потерь энергии на передачу;
- независим от направления ветра;
- не представляет угрозы для птиц.
Однако, несмотря на множество преимуществ, у ветрогенераторов Савониуса есть один существенный недостаток — они вырабатывают мало энергии. Тем не менее, эти устройства находят широкое применение в местах, где надёжность и стабильность важнее эффективности. Например, их используют для энергопитания буёв вдали от берега. В Твери налажено производство раскладных ветрогенераторов Савониуса, которые предложены для оснащения российской армии.
А что если компенсировать малую мощность количеством? Американская компания Airiva предлагает модульные блоки с турбинами Савониуса, которые могут стать не только источником энергии, но и украшением городского ландшафта.
Планируется, что один блок из четырех турбин будет вырабатывать до 1100 кВт*час в год. При этом ветрогенератор будет на 80% состоять из полностью перерабатываемых материалов и работать совершенно бесшумно. Производитель считает, что это техническое решение лучше солнечных панелей, так как ветрогенераторы Савониуса могут вырабатывать энергию круглосуточно и в любую погоду.
Похожую идею предлагает ООО «Проект», но в их случае ветрогенератор будет использоваться как элемент дорожного ограждения. Обычно территория вдоль шоссе уже очищена и свободна для ветра, а проезжающие машины создают дополнительную турбулентность.
Для повышения эффективности работы ветрогенераторов Савониуса можно использовать техническое решение Aeromine Technologies.
Эта установка, предназначенная для краёв плоских крыш зданий, оснащена двумя вертикальными крыльями, которые ориентированы по направлению господствующего ветра. Благодаря такой конструкции, скорость ветра между крыльями значительно увеличивается.
При использовании ротора Савониуса, мы получим бесшумный городской ветрогенератор мощностью до 5 кВт. Даже если подобная установка будет работать, как в среднем по России, на 27% мощности, то:
5 кВт * 24 часа * 27% = 32,4 кВт*час.
Если принять суточный расход электроэнергии одним домохозяйством в 4,55 кВт*час, то одной такой установки хватит на 7 квартир. А на крыше можно установить и больше одной. Хорошо ли это?
Исследования показали, что ветрогенераторы могут снижать силу ветра до 60% на расстоянии до 55 километров. Поэтому устанавливать турбины Савониуса в многоэтажных городах можно, но не стоит слишком увлекаться этим. Свежий воздух для горожан важнее.
Солнечно-ветряные электростанции
Чтобы обеспечить надёжное и стабильное энергоснабжение, можно объединить ветряную и солнечную электростанции, придав им для надежности генератор на основе двигателя внутреннего сгорания. Такие установки, известные как гибридные электростанции, особенно востребованы в условиях Арктики.
Когда светит солнце — работают солнечные панели, дует ветер — работает ветрогенератор, накапливая излишки энергии в аккумуляторе. Если же энергии не хватает, включается бензиновый генератор.
В районе Выборга установка стабильно работала без потребления топлива 210 дней летом и 12 дней зимой. Автономная установка питания, способная обеспечить бесперебойную работу компьютера и освещение, весит 300 килограммов.
Идею более глубокой интеграции солнца и ветра в виде гелиоаэродинамической электростанции запатентовал испанский полковник Исидоро Кабаньес в 1903 году. Установка включает в себя три ключевых элемента: вертикальную трубу, размещённый вокруг её основания солнечный коллектор и турбогенератор.
Роль коллектора играет перекрытие из полимерной плёнки, похожее на оранжерейное. Эта плёнка отлично пропускает солнечные лучи, но задерживает инфракрасное излучение, испускаемое нагретой земной поверхностью. В результате, как в любой теплице, возникает парниковый эффект.
Воздух в коллекторе нагревается сильнее, чем окружающая атмосфера, что приводит к образованию мощного восходящего потока. Чем выше труба, тем больше перепад давления, который, в свою очередь, способствует дополнительному увеличению скорости ветра.
Построенная по такому принципу электростанция, расположенная возле испанского города Мансанарес, обладает впечатляющими размерами: диаметр солнечного коллектора составляет 250 м, а высота башни достигает 200 метров, что обеспечивает мощность в 50 кВт.
В тёплом климате эта гелиоаэродинамическая электростанция может работать стабильно и круглосуточно. Конструкция электростанции не требует сложных в изготовлении материалов, однако её окупаемость возможна только при капитальном строительстве и в тепле. По мере потепления климата таких районов, как пустыни на границе с Казахстаном, будет становиться больше, и гелиоаэродинамические электростанции могут найти своё место в России.
Парящие ветрогенераторы
Если посмотреть на карту ветров в Евразии, то можно увидеть, что сильные ветра преобладают в открытом море. На континенте же они значительно слабее.
Однако если подняться над землёй на высоту ста метров, картина изменится.
На такой высоте ветер дует со скоростью около 10 м/с почти на всей территории России. Однако, чтобы использовать его энергию, требуется построить огромный ветрогенератор с прочным фундаментом. А если подняться ещё выше?
На высоте 600 метров скорость ветра может достигать 16-17 м/с и больше. В отличие от приземных ветров, на этой высоте ветер дует постоянно и довольно стабильно. Чтобы построить фундамент конструкции высотой в полкилометра, потребуются значительные финансовые вложения. Однако, если использовать аэростат, то затраты могут быть гораздо меньше.
Впервые идея летающего ветрогенератора была предложена советским инженером Егоровым в 1938 году.
В советское время строительство такой электростанции, удерживаемой над землёй стальными тросами, бело экономически не выгодно. Дело в том, что для наполнения аэростата использовался взрывоопасный водород, запасы которого приходилось бы часто пополнять из-за его проницаемости через резинотканевую оболочку шара. Кроме того, возникли бы сложности с обслуживанием парящей электростанции.
В России сейчас производят лёгкий и слабопроницаемый полиуретан. Водород можно заменить на безопасный гелий, по производству которого наша страна занимает четвёртое место в мире. Парящие в небе ветрогенераторы обладают рядом преимуществ:
- стабильно вырабатывают энергию;
- не препятствуют движению воздушных масс у поверхности;
- шум не доходит до земли;
- легко перемещаются по мере надобности;
- могут выполнять функции вышек связи и раздавать интернет.
Однако обслуживание любых дирижаблей остаётся непростой задачей. Для посадки крупного дирижабля необходимо как минимум три специализированные машины или около ста человек. К счастью, техническое обслуживание парящего ветрогенератора требуется всего раз в 3–4 месяца.
Современной разработкой в этом направлении является «Парящая ветровая турбина Altaeros» (Altaeros Buoyant Airborne Turbine (BAT)). Она устанавливается на высоте 300 метров над землёй и обладает мощностью 30 кВт. Даже при средней в России эффективности используемой мощности ветрогенератора в 27%, такая электростанция может обеспечить:
(30 кВт * 24 часа * 27%) / 4,55 кВт*час = 42,7 квартиры
Если же увеличить коэффициент используемой мощности хотя бы до 50%, как у морских ветрогенераторов, получится вдвое больше. А ведь ветер на высоте сильнее и стабильнее, чем в море.
Теловой ветрогенератор
В красноярском ОКБ «Микрон» создан ветрогенератор «Терус», который позволяет конвертировать силу ветра в тепло, минуя стадию электричества.
Вращение ротора с постоянными магнитами «Теруса» создаёт магнитное поле. Возникающие вихревые токи нагревают статор, в котором циркулирует жидкость, забирающая тепло. Через систему трубопроводов эта жидкость поступает к оборудованию, которое снимает тепло для потребителей и аккумулирующих ёмкостей.
Благодаря использованию энергии ветра - система аккумулирования тепла позволяет комплексу автономно работать до 10 суток даже в условиях безветрия. Благодаря использованию энергии ветра, стоимость тепловой энергии, по предварительным расчётам, не превысит 1 тыс. рублей за Гкал.
Существует множество разновидностей ветрогенераторов. В настоящее время эта технология активно развивается, что открывает новые горизонты и позволяет пересмотреть уже существующие. Россия обладает огромным потенциалом для развития ветряной энергетики, в пять раз превышающим возможности Германии. Новые типы ветрогенераторов могут помочь реализовать этот потенциал с минимальным воздействием на окружающую среду.
Что думаете об этом?
Список использованных источников прилагается в закрепленном комментарии
