Как устроена ветровая электростанция
Современные ветряные станции имеют 3 лопасти, длина которых может достигать 55 метров.
Чтобы понять, как работает станция нужно знать как она устроена:
- Ветрогенератор. Основная его задача преобразовывать энергию в электричество. Состоит из винта и генератора переменного тока.
- Контроллер. Преобразует переменный ток в постоянный и регулирует обороты ветрогенератора.
- Аккумуляторы накапливают энергию во время работы ветряка.
- Инвертор, преобразует постоянный ток в бытовой, который поступает в дом для использования.
Особенности бытовых ветрогенераторов
Так как ветроэнергетика — это неисчерпаемый ресурс, то многие задумываются об установке ветряка у себя дома. Раньше ветровые генераторы использовались больше в промышленной сфере. Но с развитием этой технологии появились и бытовые модели.
Чаще всего их применяют в местах, где нет централизованной электросети. Современные установки на 3-5 генераторов, смогут полностью обеспечить дом энергией. Однако, перед тем как покупать ветряки, стоит изучить насколько эффективно они будут работать конкретной местности.
Обзор цен на популярные модели
Стоимость ветрогенераторов высока. Этот момент является самым труднопреодолимым для распространения ветроэнергетических технологий. Многие владельцы домов с удовольствием установили бы у себя на участке ветряки, но не имеют средств на их приобретение. Установка, способная обеспечить освещение участка, стоит около 100 тыс руб.
ВЭС, способная обеспечить небольшое фермерское хозяйство, стоит около 500 тыс. руб. И это еще не предел. При таких ценах ожидать быстрого распространения ветрогенераторов не приходится, поэтому вся надежда на появление отечественных моделей, способных решить вопрос дороговизны оборудования. Как вариант, можно купить относительно недорогую китайскую модель. Такие устройства не поддаются ремонту, являясь, по сути, одноразовыми, но их цена намного ниже, чем стоимость аналогичных по мощности западных образцов.
Ветровые электростанции преимущества и недостатки
Преимущества установки ветровых электростанций:
- Экологичность. Сегодня этот фактор играет большую роль. А добыча энергии с помощью ветряков это экологичный способ, который никак не влияет на окружающую природу.
- Экономичность. По сравнению с другими источниками получения энергии, ветровые станции в строительстве обходятся намного экономичнее.
- Нескончаемый источник энергии.
- Эффективность работы — электростанция вырабатывает в 80 раз больше энергии, чем потребляет.
- Местоположение. Ветряк можно поставить в любом месте, в отличие от традиционных станций.
- Современные ветряки могут работать при скорости от 3,5 м/с.
- Технологическое развитие.
Минусы ветроэнергетики:
- Работа ветряка зависит от силы потока ветра, которого может и не быть.
- Изменение ландшафта местности из-за строительства ветряных парков.
- Затраты на поиск и изучение местности для ветряков и их строительство.
- Турбины станций создают низкочастотные шумы, которые оказывают негативное влияние на человека.
- Создают опасность для птиц.
- Менее продуктивны по сравнению с другими станциями.
У ветроэнергетики есть свои сторонники, которые считаю применение ветрогенераторов экологичным способом решения проблемы с энергетикой. Но также есть люди, которые выступают против строительства ветряных парков, так как они приносят вред здоровью человека, птицам. Недостатки ветроэнергетики не сопоставимы с большим потенциалом, который кроется в этой отрасли.
Ложные теории
Самые распространенные мифы про ветроэнергетику:
- Ветряки убивают птиц. Сложно отрицать, что птицы иногда врезаются в лопасти или мачту ветрогенератора и погибают. Но не меньше птиц погибает от электропроводов. По статистики больше всего умирает птиц из-за нападения кошек.
- Самый распространенная ложная теория — это то, что шум от ветряного генератора может негативно сказаться на здоровье человека, в том числе дать осложнения на органы слуха.
- Не экологичный источник, так как рост количества ВЭС увеличивает выброс углекислого газа. Да, но в сравнение с угольными или газовыми электростанциями этот показатель в 50 раз меньше.
- Безработица. Ходит мнение, что получение энергии таким способом сократит рабочие места, однако этот миф легко развеять. В любом развивающемся секторе не может возникнуть безработица, так как ветроэнергетика всегда нуждается в новых кадрах — исследователи, разработчики.
Ложные теории появляются из-за незнания тема, однако все их легко опровергнуть, что было сделано многократно.
Ветроэнергетика США
США – один из лидеров мировой ветроэнергетики как по размерам имеющихся ветряных электростанций (40 ГВт), так и по темпам роста установленных мощностей. Pacific Northwest Laboratory в 2001 г. оценила потенциал ветроэнергетики 20 штатов США на уровне 10 777 млрд кВт·ч электроэнергии в год, что в три раза больше потребления США в 2001 г.
Основным толчком к реализации программы, направленной на развитие ветроэнергетики в США, стало введение в 1973 г. эмбарго на нефть.
Попытки использовать энергию ветра для производства электроэнергии предпринимались и раньше. В 1940 г. в штатах построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт, через 5 лет одна из его лопастей получила повреждение. По экономическим расчетам заниматься ремонтом было невыгодно, и взамен ВЭУ построили обычную дизельную электростанцию. В дальнейшем развитием ветроэнергетики в США стала заниматься компания Westinghouse Electric, которая первой разработала электрогенерирующие установки мощностью 200 кВт.
Коммерческое развитие ветроэнергетической промышленности США началось после принятия в 1978 г. государственного акта по регулированию политики страны в области коммунального хозяйства (PURPA) и введенных налоговых льгот для инвесторов в производство ВЭУ. В результате только за период 1981-1984 гг. в Калифорнии было установлено 6870 ветряков. Однако после 31 декабря 1985 г., когда закончилось предоставление налоговых льгот, а цена на нефть упала до 10 долл. США за баррель, множество мелких компаний – производителей ветряков исчезло с рынка. Смогли «выжить» только наиболее надежные и перспективные.
Интерес к ветроэнергетике в США возобновился лишь в 1998 г. В представленном на рассмотрение американскому Конгрессу бюджете на 2000 г. администрация Клинтона предложила увеличить расходы на финансирование различных программ развития альтернативных источников энергии, а также энергосбережения. Федеральное правительство начало предоставлять кредиты, налоговые льготы, однако происходило это неравномерно, с долгими перерывами, что привело к столь же неравномерному приросту мощностей: 400 МВт в 2002 и 2004 гг. и приблизительно 1700 МВт в 2001 и 2003 гг. Это, в свою очередь, препятствовало вливанию в отрасль долгосрочных инвестиций.
В августе 2005 г. в США был принят закон «Об энергетической политике». Закон установил приоритет ВИЭ и вопросам энергетической эффективности, ввел значительные налоговые льготы для поощрения мер в области энергосбережения. Принятые меры вызвали очередной подъем активности: в 2005 г. в стране были установлены рекордные 2431 МВт новых ветроэнергетических мощностей, таким образом, США впервые за последние десять лет удалось выйти в мировые лидеры по этому показателю.
ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ
Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу на 1800 тонн СО2, 9 тонн – SO2, 4 тонны – оксидов азота. По оценкам Global Wind Energy Council, к 2050 г. мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 млрд тонн.
В 2007 г. ветряные электростанции США выработали более 48 млрд кВт·ч электроэнергии, что составило примерно 1% от всей электроэнергии, произведенной в США за 2007 г.
По данным Американской ассоциации ветряной энергетики (AWEA) в 2008 г. США вышли на первое место в мире по мощностям построенных ветряных электростанций. За год было построено 8358 МВт новых ВЭС. На конец 2008 г. суммарные мощности ВЭС США составляли 25170 МВт.
Новая ветряная электростанция в США получает налоговые льготы в размере 0,015 долл. США за каждый произведенный кВт·ч электроэнергии. Налоговая льгота действует в течение 10 лет. Государство субсидирует только исследовательские работы и производство оборудования для ветряной энергетики.
Американские фермеры, предоставившие часть земли под размещение ВУ получают ежегодно 3000-5000 долл. США арендных платежей за одну установку, построенную на их участке. Некоторые фермы от сдачи земли в аренду ветряным электростанциям получают доходов больше, чем от основной деятельности.
Американская ветроэнергетическая ассоциация (AWEA) прогнозирует, что к 2020 г. суммарная мощность малой ветроэнергетики США вырастет до 50 ГВт, что составит около 3% от суммарных мощностей страны.
В индустрии малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем 1 млрд долл. США.
Ноу-хау в Гайльдорф
В декабре 2017 г. немецкая компания Max Bögl Wind AG запустила в эксплуатацию самую высокую в мире ветряную турбину. Опора имеет высоту 178 м, а общая высота башни с учетом лопастей составляет 246,5 м.
Начало строительства ветрогенератора в в Гайльдорфе
Новый ветрогенератор расположен в немецком городе Гайльдорфе (земля Баден-Вюртемберг). Он является частью группы из четырех других башен высотой от 155 до 178 м, на каждой из которых установлен генератор мощностью 3,4 МВт.
В компании считают, что количество вырабатываемой энергии составит 10 500 МВт/ч в год. Стоимость проекта равна 75 млн евро, и, как ожидается, каждый год он будет приносить по 6,5 млн евро. Этот проект получил 7,15 млн евро субсидий от Федерального министерства окружающей среды, охраны природы, строительства и безопасности ядерных реакторов (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit, BMUB).
Ветропарк в Гайльдорфе
В сверхвысоких ветряках используется экспериментальная технология гидроаккумуляции энергии. Резервуаром служит водонапорная башня высотой 40 м, которая связана с ГЭС, расположенной на 200 м ниже ветрогенераторов. Излишек энергии ветра используется для перекачивания воды против силы тяжести и ее хранения в башне. При необходимости вода высвобождается для подачи электрического тока. Для переключения между режимами хранения энергии и ее подачи в сеть требуется всего 30 секунд. Как только мощность падает — вода поступает обратно и вращает дополнительные турбины, тем самым повышая выработку электричества.
«Таким образом инженеры решают одну из самых больших проблем, связанных с возобновляемыми источниками энергии — их нерегулярность и зависимость мощности от климатических особенностей. Мощности четырех ветряных турбин и гидроаккумулирующей электростанции достаточно для обеспечения энергией 12 тыс. жителей города Гайльдорф», — утверждает Александр Шехнер (Alexander Schechner) – инженер-разработчик проекта в Гайльдорфе.
Какой ветрогенератор самый большой
Самым большим ветрогенератором в мире на сегодняшний день считается детище немецких инженеров из Гамбурга Энеркон Е-126. Запуск первой турбины был осуществлен в Германии в 2007 году, неподалеку от Эмдена. Мощность ветряка составляла 6 Мвт, что на тот момент являлось максимумом, но уже в 2009 году была произведена частичная реконструкция, в результате которой мощность возросла до 7, 58 Мвт, что вывело турбину в мировые лидеры.
Это достижение было весьма значимым и поставило ветровую энергетику в ряд полноценных лидеров в мире. Отношение к ней изменилось, из разряда довольно робких попыток получить серьезные результаты отрасль перешла в категорию крупных производителей энергии, заставляя подсчитывать экономический эффект и перспективы ветроэнергетики в ближайшее время.
Пальму первенства перехватила MHI Vestas Offshore Wind, чьи турбины имеют заявленную мощность 9 Мвт. Установка первой такой турбины была закончена в конце 2021 года с рабочей мощностью 8 Мвт, но уже в 2021 году был зафиксирован 24-часовой режим работы на мощности в 9 Мвт, полученной на турбине Vestas V-164.
Такие ветряки имеют поистине колоссальные размеры и устанавливаются, чаще всего, на шельфе западного побережья Европы и в Великобритании, хотя отдельные экземпляры имеются и на Балтике. Объединенные в систему, такие ветрогенераторы создают суммарную мощность в 400-500 Мвт, составляя значительную конкуренцию гидроэлектростанциям.
Установка подобных турбин производится в местах с преобладанием достаточно сильных и ровных ветров, и таким условиям в максимальной степени соответствует морское побережье. Отсутствие естественных преград для ветра, постоянный и стабильный поток позволяют организовать наиболее благоприятный режим функционирования генераторов, повышая их эффективность до наиболее высоких значений.
Самая крупная ветровая электростанция в России
На сегодняшний день самой крупной из действующих в России является Ульяновская ВЭС. Ее установленная мощность составляет 35 МВт, что относительно немного в сравнении с имеющимися ГЭС. Станция совсем новая, запущена в эксплуатацию в январе 2018 года. ВЭС принадлежит компании Фортум, строительство комплекса продолжалось два года. В состав станции входят 14 ветротурбин по 2,5 МВт мощностью.
Поставщиком комплекса является китайская компания DongFung, выигравшая тендер на поставку проектного оборудования. Проектные работы начались в феврале 2016 года, а непосредственное строительство стартовало в мае 2017. Примечательно, что основными участниками создания проекта и строительных работ являлись компании из России, хотя были и зарубежные представители. При этом, доля российского оборудования составляет 28 %, т.е. большинство технического обеспечения создано в Китае.
Данная ВЭС не долго будет являться самой крупной в России. В планах компании Фортум в партнерстве с компанией Вестас (мировым поставщиком ветротурбин и оборудования для ВЭС) строительство большого количества турбин суммарной мощностью до 1000 МВт. Предполагаемый процент российского оборудования в этих проектах — 65%.
Лидер среди стран, обладающих ВЭС
Однозначным лидером среди стран-обладателей большого количества ВЭС на сегодня является Китай. Он сумел продемонстрировать миру образец мгновенного роста в данном направлении — еще 10 лет назад в Китае практически не существовало ветроэлектростанций, а сегодня имеются такие монстры, как, например, ВЭС Ганьсу (7965 Мвт).
Общая установленная мощность ВЭС в мире на сегодняшний день оценивается в 500 Гвт, и доля Китая составляет 80 Гвт. Отрыв от остальных стран колоссальный, и объясняется это большими вложениями в ветроэнергетику, принятием государственных программ развития возобновляемой энергетики.
Кроме того, Китай удачно расположен в географическом отношении — длинная береговая линия позволяет размещать большое количество ВЭС, функционирующих в оптимальном режиме — стабильные ровные и сильные ветра, отсутствие периодов безветрия. Большое количество степных регионов в Китае также способствует развитию ветроэнергетики, так как кроме этого направления там никаких возможностей не просматривается.
Ветряные электростанции в Германии и их популярность.
Кто, как не внимательные и рачительные немцы, знают толк в современных технологиях? Именно в Германии рождаются самые качественные и надежные автомобили. А правительство всерьез беспокоится насчет финансовых затрат своих граждан. Так, в 2018 году Германия заняла 3 место (после Соединенных Штатов Америки и Китая) по выработке электричества с помощью…ветра! Немцы пропагандируют идею использования ветряных мельниц для получения электроэнергии уже не первый год. Маленькие и большие, высокие и низкие, их размещают по всей территории страны и позволяют государству отказаться от строительства более вредных и опасных электростанций.
Цифры и подробности
На севере Германии установлена целая долина ветряных электростанций, которую видно за много километров. Гигантские ветрогенераторы отличаются экологичностью и производительностью, недорогим обслуживанием и по праву считаются источником энергии будущего. Мощность оборудования напрямую зависит от его высоты! Чем выше находится турбина, тем большее количество электрической энергии она изготавливает. Именно поэтому разработчики не останавливаются на достигнутом: недавно в небольшом городе Хайдорф установили новый ветрогенератор с максимальной высотой в целых 247 метров! Кроме основной турбины, на электростанции установлено 3 дополнительных в 152 метров высотой каждая. В совокупности их мощности хватает для того, чтобы полноценно обеспечивать электричество целую тысячу домов.
Новая конструкция также отличается инновационной технологией хранение электричества. Практичные и умные немцы используют вместительные резервуары с запасом чистой воды, которые предупреждают падение мощности в случае отсутствия ветреной погоды. Технология будущего считается невероятно перспективной, поэтому многие страны пытаются брать пример с Германии. Однако перегнать эту страну вряд ли получится… На сегодняшний день мощность всех установленных ветрогенераторов превышает 56 ГВт, что составляет более 15% от общей доли ветроэнергетики на планете. По всей Германии можно насчитать более 17 000 ветряных мельниц, а их производство давно поставлено на конвейер.
Будущее – за силой ветра?
Впервые правительство Германии задумалось над установкой ветряных электростанций после страшной катастрофы, произошедшей в Чернобыле в 1986 году. Разрушение гигантской атомной электростанции, которое повлекло за собой ужасные последствия, заставило многих руководителей государств в мире задуматься над изменениями в сфере электроэнергетической промышленности. На сегодняшний день более 7% электроэнергии в Германии вырабатывается электрогенераторами.
Руководители страны также активно развивают оффшорную электроэнергетику. Первая ветряная турбина, расположенная в море, появилась у немцев еще 12 лет назад. Сегодня в Балтийском море действует полноценный, коммерческий ветропарк, а в ближайшее время запланировано открытие еще двух ветрополигонов на территории Северного моря.
Впрочем, не все так просто, как кажется на первый взгляд. Даже у такого экологически чистого метода получения электричества находятся ярые противники. Среди их основных аргументов – высокая стоимость подобных конструкций, что негативно влияет на состояние государственного бюджета. А еще их неэстетический внешний вид. Да-да, вы не ослышались! Некоторые люди считают, что установленные ветрогенераторы мешают им наслаждаться живописной красотой природы, что куда хуже по их мнению, чем отравление этой самой экологии обычными источниками электроэнергии. Есть и еще один аргумент у “недоброжелателей” ветряных станций! Их шумный гул мешает спокойной жизни людей, чьи дома расположены в непосредственной близости к полигонам.
Как бы то ни было, невозможно оспорить популярность ветряных станций в Германии и тенденцию к увеличению их количества. Правительство уверенно двигается в заданном направлении, планируя развивать как обычную, так и оффшорную ветроэнергетику.
Также интересно:
Самые большие ветряки в мире
Огромные ветрогенераторы можно классифицировать как по геометрическим размерам, так и по величине вырабатываемой мощности, ведь самый большой еще не означает самый мощный!
Ветрогенератор Enercon E-126 — диаметр лопастей 126 м
Высота башни этого огромного ветрогенератора Enercon E-126 составляет 135 метров, при этом диаметр размаха лопастей составляет 126 метров при общей высоте почти 200 метров над землей.
При оптимальном ветре промышленный ветрогенератор Enercon E-126 способен вырабатывать до 7,58 мегаватт электроэнергии.
Первый такой внушительный ветряк был установил еще в 2007 году в Германии. Стоит Enercon E-126 в районе 14 миллионов долларов (не считая стоимость доставки, монтажа и пусконаладочных работ).
Ветрогенератор Siemens SWT-6.0 — диаметр лопастей 154 метров
Огромный ветрогенератор Siemens SWT-6.0-154 при идеальной скорости ветра (13-15 м/с) способен генерировать мощность до 6 МВт.
На текущее время Siemens выпустил обновленную версию этой ВЭУ с таким же диаметром лопастей в 154 метра, но 1 мегаватт большей мощности.
Интересно, что при оптимальном ветре лопасти этого ветряка вращаются со скоростью всего лишь 5-11 оборотов в минуту.
Ветрогенератор LM 88.4 P — диаметр лопастей 180 метров
Огромный ветрогенератор LM 88.4 P разработан несколько лет назад в Голландии и при оптимальных условиях производит 8 мегаватт электроэнергии.
Заявленный срок службы одного комплекта лопастей этого ветряка составляет 25 лет. Такая установка способна в течении почти четверте века обеспечивать электроэнергией больше 10 000 частных домов.
При транспортировке лопастей для монтажа первого ветрогенератора LM 88.4 P привлекались корабли и огромные плавающие краны, с помощью которых эти морские ветряки устанавливаются в прибрежных водах.
Для создания ветрогенератора LM 88.4 P компания LM Wind Power воспользовалась разработками производителя ветрогенерационной техники Adven — именно турбина Adven AD8-180 (одну из самых крупнейших в мире) устанавливается на ветряке LM 88.4 P.
Ветрогенератор Haliade-X — диаметр лопастей 220 метров
А теперь расскажем про рекордсмена — самый большой в мире ветрогенератор Haliade-X 12 MW, создание которого было анонсировано американской корпорацией General Electric в 2021 году для британской компании Offshore Renewable Energy (ORE) Catapult.
В США для британских заказчиков General Electric начал создавать серию самых больших в мире ветряков, которые в количестве 24 штук способны генерировать до 288 мегаватт электроэнергии в сутки при оптимальной скорости ветра.
Уже в 2021 году GE планирует провести все необходимые тесты и получить сертификат на работу ветряной электростанции на базе 24 самых больших в мире ветряков Haliade-X 12 MW.
При этом General Electric уже сейчас анонсировал разработку еще более мощного ветрогенератора 13 MW GE Haliade-X. Планируется, что эти самые мощные в мире ветряки будут использованы для оснащения электростанции Dogger Bank Wind Farm в 2023 году.
Характеристики самого большого и мощного в мире ветрогенератора:
- Диаметр лопастей — 220 метров;
- Общая высота ветрогенератора — 260 метров;
- Генерируемая мощность — 13 мегаватт;
- Годовой объем генерируемой энергии — 71 гигаватт;
- Коэффициент использования установленной мощности — 60-64%.
Производство
Карта размещения ветряных электростанций. 2011 год.
В 2014 году ветряные электростанции Германии произвели 8,6 % от всей произведённой в Германии электроэнергии.
На конец 2014 года в Германии работали 24867 ветряных турбин суммарной мощностью 38116 МВт.
В 2006 году ветроэнергетика Германии произвела 20,6 млрд кВт·ч электроэнергии. Для сравнения: в том же году вся гидроэнергетика Германии произвела 21,6 млрд кВт·ч электроэнергии, что составляет 3,5 % от всего потребления электричества в Германии.
В 2006 году выручка германской индустрии ветроэнергетики составила 7,2 миллиарда евро, из них 5,6 миллиардов евро пришлось на стоимость ветряных турбин и компонентов (лопасти, башни и т. д.). По оценкам Германского Института Ветроэнергетики (DEWI) германские производители ветряных турбин и компонентов занимают 37 % доли мирового рынка. В 2006 году производство оборудования для ветроэнергетики выросло в Германии примерно на 50 %. В 2007 году в ветряной индустрии Германии было занято 80 000 человек, включая смежные отрасли: строительство, проектирование, консультации, продажи, финансы, образование и т. д. На экспорт было отправлено 71 % произведённого оборудования и услуг на общую сумму около 3,5 миллиардов евро.
В 2011 году 8 % электроэнергии Германии было получено из энергии ветра. Производство электричества ветроэлектростанциями сильно зависит от погодных условий. Так, в апреле 2011 года суммарная мощность ветроэнергетики Германии колебалась от менее 1000 МВт до 19000 МВт. Ночью 7 февраля 2011 года ветряные электростанции выработали около 1/3 электроэнергии Германии.
Факты и заблуждения
Малое распространение ветроэнергетических установок и отсутствие опыта общения с ними породили массу заблуждений относительно свойств и воздействия ВЭС на организм человека. Так, широко распространено мнение о необычайно высоком уровне шума, производимого работающим ветрогенератором. Действительно, определенный шум имеется, но его уровень гораздо ниже, чем принято считать. Так, шум от промышленных моделей на расстоянии 200-300 м воспринимается на слух так же, как звук от работающего бытового холодильника.
Другая проблема, которую необоснованно раздувают несведущие люди — создание непреодолимых помех радио и телевизионным сигналам. Этот вопрос был решен раньше, чем о нем узнали пользователи — каждый мощный промышленный ветряк снабжен качественным фильтром радиопомех, способным полностью исключить влияние устройства на эфир.
Люди, живущие поблизости от турбин, будут постоянно находиться в зоне мерцания тени. Это термин, обозначающий некомфортное ощущение от мигающих световых проявлений. Вращающиеся лопасти создают такой эффект, но его значение сильно преувеличено. Даже самые чувствительные люди всегда могут попросту отвернуться от турбины, если случилось оказаться поблизости от нее.
Существуют и другие, надуманные и вполне реально существующие факты, касающиеся работы ВЭС, их воздействия на организм человека и окружающую природу. Част из них является обычными слухами, другая часть настолько преувеличена, что не заслуживает даже обсуждения. Ветроэнергетика — полноценная отрасль, способная решать вопросы энергообеспечения как в солидных масштабах, так и в пределах маленького дачного домика.