Электростанции

Ветроэлектростанции

Запасы  ветровой энергии, по сути дела, безграничны. Эта энергия возобновляема, и  в отличие от тепловых станций  ветроэнергетика не использует богатства  недр, а ведь добыча угля, нефти, газа связана с огромными затратами  труда.

К тому же тепловые станции загрязняют окружающую среду, а плотины ГЭС создают  на реках искусственные моря, нарушая  природное равновесие. С другой стороны, ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС или АЭС, по сравнению с ними занимает гораздо большую площадь. И справедливости ради надо сказать, что ветроэлектростанции не совсем безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Обычно  рабочим органом ветродвигателя служат лопасти воздушного винта, который  и называют ветроколесом. Теорию его  еще в начале XX века разработал известный русский учёный Н.Е. Жуковский. Для описания явлений, связанных с прохождением воздушного потока через колесо, он применил теорию подъемной силы крыла самолета и определил значение максимально возможного коэффициента использования энергии ветра идеальным колесом. Коэффициент полезного действия оказался равным 59,3 процента.

Ветер —  стихия весьма капризная: то он дует с  одной стороны, через некоторое  время — с другой. Чтобы колесо эффективно использовало энергию воздушною потока, его необходимо каждый раз разворачивать против ветра. Для пой цели служат специальные устройства — хвостовая пластина (флюгер) и ни небольшое ветровое колесо (виндроза).

Ветер редко  дует с постоянной скоростью. Изменилась его скорость — замедлилось или  ускорилось вращение колеса и связанного с ним вала, через Который вращение колеса передается электрическому генератору. Чтобы вал нращался с постоянной частотой, применяют разные приспособления.

Для получения  энергии ветра используются разные конструкции. Это мпоголопастные «ромашки» и винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью. Вертикальные конструкции хороши тем, ЧТО улавливают ветер любого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Такой вертикальный ротор напоминает разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку. Встречаются и оригинальные решения. Например, тележка с парусом ездит по кольцу из рельсов, а ее колеса приходят в действие электрогенератор.

Наиболее  распространенным типом ветровых энергоустановок (ВЭУ) Является турбина с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3. Турбина, мультипликатор и электрогенератор размещаются в гондоле, усыновленной на верху мачты. В последних моделях  ВЭУ используются асинхронные генераторы переменной скорости, а задачу кондиционирования  им обрабатываемой электроэнергии выполняет электроника.

Ветровые  электростанции выгодны, как правило, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топ-нива очень дорога. В России это, в первую очередь, Сахалин, Камчатка, Арктика, Крайний Север и т.д.

При среднегодовой  скорости ветра около 7 метров в секунду  и среднем числе часов работы на полной мощности 2500 часов в год  такая установка вырабатывает электроэнергию стоимостью 7—8 центов/кВч. Сегодня наиболее распространены ВЭУ единичной мощностью 100—500 кВт, хотя построены и эксплуатируются агрегаты единичной мощностью в несколько мегаватт.

Малые ВЭУ (мощностью менее 100 кВт) обычно предназначаются  для автономной работы. Системы, которым  они выдают энергию, привередливы, требуют  подачи энергии более высокого качества и не допускают перерывов в  питании, например, в периоды безветрия. Поэтому им необходим «дублер», то есть резервные источники энергии, например, дизельные двигатели той же, как у ветроустановок, или меньшей мощности.

Что касается более мощных ветроустановок (свыше 100 кВт), то они применяются как электростанции и включаются обычно в энергосистемы. Обычно на одной площадке устанавливается достаточно большое количество ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому «ферма» занимает много места. Такие «фермы» есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше. В Калифорнии (США) на одной из них размещено около тысячи ветроустановок, так что суммарная установленная мощность фермы превышает 100 МВт.

Обычно  для снижения зависимости от капризов ветра в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и  разного рода аккумуляторы, в основном электрические. Но вместе с тем используют и воздушные. В этом случае ветряк нагнетает воздух в баллоны. Выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором. Еще один вариант — гидравлические аккумуляторы. Здесь силой ветра вода поднимается на определенную высоту, затем, падая вниз, она вращает турбину. Ставят даже электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на водород и кислород. Их запасают в баллонах. Потом по мере необходимости водород и кислород сжигают в топливном элементе либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанных с капризами ветра.

В Испании  довольно долго работала удивительная ветроустановка, сама создававшая для себя ветер! Обширный круг земли в основании выстроенной высокой трубы покрыли полиэтиленовой пленкой на каркасных опорах. Жаркое испанское солнце нагревало и землю, и воздух под пленкой. В результате в трубе возникала ровная постоянная тяга, а встроенная в трубу крыльчатка вращала генератор. Тяга не прекращалась даже в пасмурные дни и ночью: земля долго хранит тепло. Однако эксплуатация такой установки оказалась довольно дорогой. Постепенно металлическая труба проржавела, а пленка разрушилась. После очередного урагана ремонтировать систему не стали.

ВЭУ занимались и занимаются и в России. В начале 1990-х годов была создана ветроустановка небольшой мощности «Конвет-1Э» двух модификаций — с асинхронным генератором (2 кВт, 230 В) и индукторным генератором постоянного тока (12 или 24 В). Ветроколесо с двумя лопастями вращает генератор. Благодаря применению инвертора или выпрямителя можно обеспечивать энергией телевизор, холодильник, радиоприемник, заряжать аккумуляторную батарею. В зонах со среднегодовыми скоростями ветра 5—6 метров в секунду стоимость 1 кВт-ч от такой ВЭУ в 1,4— 1,7 раза ниже, чем от равноценного по мощности бензинового агрегата. Масса установки — 460 килограммов.

Как известно, беда многих ветряков — мощные воздушные  потоки, под действием которых  они нередко ломаются. В «Конвет-1Э» применили различные автоматические устройства, чтобы не дать колесу чрезмерно  раскрутиться при сильном ветре. Конструкторам удалось добиться аэродинамического КПД в 46—48 процентов. Это достигнуто за счет применения высококачественных неметаллических лопастей с более совершенным, крученным по длине профилем.

Быстроходные  ветроустановки иностранных фирм работают главным Образом, начиная со скоростей ветра 5—6 метров в секунду. Особая конструкция лопастей и специальные приспособления позволяют «Конвету-1Э» эффективно начинать работать уже при силе ветра 4 метра в секунду.

Суммарная мощность ветроустановок в мире быстро возрастает. По использованию ВЭУ в мире лидируют США, в Европе — Германия, Англия, Дания и Нидерланды.

Германия  получает от ветра десятую часть  своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена «воздушного» электричества падает. Так, в 1993 году во Франции се-(ч-стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза.