Ветряная электростанция (ВЭС): что такое

Привлекательность ветряных электростанций (ВЭС) как одного из наиболее эффективных и широко используемых альтернативных источников энергии обусловлена уникальным сочетанием двух ключевых факторов.

В первую очередь, их значимость заключается в историческом наследии. Исходя из первоначальных потребностей человека в энергии, была открыта возможность использования силы движущихся воздушных потоков. Примерами такого использования служат ветряные мельницы и паруса, широко применявшиеся на кораблях, что дает ВЭС особое значение, тесно связанное с эволюцией человеческой технологии.

Во-вторых, уникальность ветряных электростанций обусловлена распространением ветров по всей поверхности планеты. Ветры изменяют свое направление и силу, создавая движение воздуха от слабого до полного отсутствия в различных регионах мира. Эта постоянная изменчивость ветров позволяет максимально эффективно использовать ВЭС в различных климатических условиях, делая их надежным источником возобновляемой энергии.

Что такое ВЭС?

Ветряные электростанции (ВЭС) представляют собой важный элемент современного энергетического комплекса, использующий ветер в качестве бесплатного источника энергии для производства электроэнергии. В различных странах мира ветроэнергетика активно развивается, стремясь диверсифицировать источники электроэнергии и снизить негативное воздействие на окружающую среду.

Ветряные электростанции обладают рядом преимуществ, таких как экологическая чистота, бесплатный источник энергии, увеличение энергетической независимости и стабильность цен. Однако существуют и недостатки, такие как шумовое воздействие, воздействие на фауну, высокие затраты на оборудование и длительный срок окупаемости.

В России ветроэнергетика имеет определенные перспективы, несмотря на некоторые ограничения, такие как недостаточная стабильность ветровых потоков. Развитие данной отрасли может способствовать устойчивости энергетического комплекса и снижению зависимости от традиционных источников энергии.

Исследование и внедрение новых технологий, улучшение конструкции ветрогенераторов и оптимизация эксплуатации ветряных электростанций являются ключевыми направлениями развития данной области. С учетом прогресса в области ветроэнергетики, можно ожидать, что ВЭС станут еще более эффективными, экологически чистыми и широко распространенными источниками энергии в будущем.

Ветровая электростанция: назначение и устройство

Ветрогенерационный комплекс – это совокупность ветряных турбин, разработанных для эффективного преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию. Эта механическая энергия затем используется для запуска генератора, производящего электричество. В зависимости от масштаба проекта, в состав одного комплекса может входить различное количество ветрогенераторов, и масштабные системы могут включать сотни таких установок.

Работа каждой установки базируется на использовании кинетической энергии ветра, которая запускает вращение части ветряной турбины, связанной с ротором генератора. Механизм редуктора увеличивает скорость вращения вала, создавая трехфазный переменный ток.

Эффективное преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с использованием контроллера. Когда постоянный ток заряжает аккумуляторы, он также передает энергию в инвертор. При обратном преобразовании постоянного тока в переменный ток инвертор готов к использованию в электрических устройствах, предоставляя стабильное напряжение 220 В и частоту 50 Гц.

История

Первым впечатляющим примером ветрогенератора, который впервые заработал, была 9-метровая «мельница», созданная британским изобретателем Блитом в далеком 1887 году на его участке в Мэрикирке, Англия. Однако идея использовать избыточную энергию этой «мельницы» для освещения главной улицы была отклонена местными жителями, которые, считая электроэнергию проявлением дьявольской деятельности, высказали свое неодобрение. В ответ Блит разработал ветряную турбину с целью обеспечения аварийного энергоснабжения больницы, психиатрической клиники и амбулатории. Однако технологию Блита считали экономически нецелесообразной, и только в 1951 году в Великобритании была запущена первая ветроэлектростанция.

Первой автоматизированной ветроустановкой, которая появилась в 1888 году, была разработана американцем Чарльзом Брашем. Её ротор имел внушительный диаметр в 17 метров, представляя собой значительный шаг в развитии ветроэнергетики.

Современная эра ветроэнергетики наступила в 1980-х годах с появлением турбин, способных производить около полусотни киловатт энергии. Это время стало отправной точкой для инноваций в области ветроэнергии, открыв новые горизонты для устойчивого и экологически чистого производства электроэнергии.

Типы ветровых электростанций

Наземная

В современности наиболее распространенные варианты ветряных электростанций представляют собой наземные установки, которые успешно размещаются как на холмах, так и в возвышенных местах.

Процесс возведения промышленной ветроустановки включает в себя тщательную подготовку площадки, что занимает около 7-10 дней. Получение необходимых разрешений от регулирующих органов – ключевой этап, который может потребовать до года.

Для успешного строительства требуется обеспечить доступ к месту установки и наличие высокотехнологичного строительного оборудования с высотой стрелы более 50 метров, поскольку генераторы размещаются на высоте приблизительно 50 метров.

Завершив установку, электростанция соединяется кабелем с электрической сетью. Одним из крупнейших объектов в мире на сегодняшний день является электростанция в Ганьсу, расположенная в провинции Ганьсу, в городском округе Цзюцюань, обладающая общей мощностью 7965 МВт. Этот впечатляющий проект подчеркивает важность ветроэнергии в обеспечении потребностей в чистой и устойчивой электроэнергии.

Прибрежная

В непосредственной близости от прибрежных зон морей и океанов возможно создание ветрогенераторных установок. Вдоль побережья наблюдается изменение направления ветра в различные периоды суток: днем ветер дует от водной поверхности к суше, а ночью – от остывшего берега к водным просторам.

Эта уникальная особенность прибрежных ветровых ресурсов предоставляет идеальные условия для развертывания ветрогенераторных систем. Ветрогенераторы, установленные вблизи берега, могут эффективно использовать периодически меняющееся направление ветра, обеспечивая стабильное производство электроэнергии в течение суток.

Этот инновационный подход к использованию прибрежных ветровых ресурсов открывает новые перспективы для устойчивого и эффективного производства ветроэнергии, при этом интегрируя природные циклы в процесс генерации электроэнергии.

Шельфовая

Морские ветроэлектростанции, размещенные на шельфах в пределах 10-60 километров от берега, обладают неоспоримыми преимуществами, делая их инновационным решением для устойчивого производства энергии:

• Незаметность с суши: Благодаря своему местоположению, морские электростанции практически незаметны с суши, минимизируя визуальное воздействие на прибрежные районы и сохраняя эстетику береговой линии.
• Эффективность за счет морских ветров: Из-за постоянного воздействия морских ветров эти станции обладают высокой эффективностью, что обеспечивает стабильное производство электроэнергии.
• Сохранение прибрежных территорий: За счет своего местоположения на шельфах, электростанции не занимают прибрежные территории, оставляя их доступными для других целей и сохраняя природные экосистемы.
• Глубоководные возможности: Шельфовые электростанции, установленные в морских участках с небольшой глубиной, открывают новые возможности для развертывания в глубоководных зонах.
• Несмотря на эти преимущества, шельфовые электростанции требуют значительных инвестиций в строительство, высокотехнологичные башни и устойчивые фундаменты. Специальные самоподъемные суда используются для строительства и обслуживания станций, обеспечивая их долгосрочную и эффективную эксплуатацию. На конец 2008 года общая установленная мощность шельфовых электростанций по всему миру достигла 1471 МВт, а к 2013 году London Array (Великобритания) стала крупнейшей с установленной мощностью 630 МВт.

Плавающая

В 2007 году Technologies BV представила революционный экспериментальный образец плавучей ветротурбины, заложив начало инновационному этапу в развитии ветроэнергетики. Этот ветрогенератор с мощностью 80 кВт установлен на плавучей платформе в 10.6 морских милях от берега Южной Италии, на глубине 108 метров, предоставляя надежный источник энергии в удаленных морских районах.

Компания StatoilHydro из Норвегии также активно вовлечена в разработку плавучих ветрогенераторов для использования в глубоких морских водах. В 2009 году они представили демонстрационную версию Hywind мощностью 2,3 МВт, установленную в 10 километрах от острова Кармой у юго-западного побережья Норвегии. Эта ветротурбина, весом 5300 тонн и высотой 65 метров, демонстрирует превосходную эффективность в глубоководных условиях.
Чтобы обеспечить стабильность и опустить башню в морскую пучину на глубину 100 метров, используется балласт в виде гравия и камней в нижней части. Три троса с якорями, закрепленные на дне, гарантируют надежную фиксацию башни в заданном положении. Электроэнергия, генерируемая ветрогенератором, передается на берег по подводному кабелю, обеспечивая эффективную передачу произведенной энергии.

С последующим развитием технологии в 2017 году компания увеличила мощность турбины до впечатляющих 6 МВт, а диаметр ротора достиг значительных 154 метров, улучшая общую производительность и эффективность этой инновационной системы ветроэнергетики.

Парящая

Турбины, элегантно парящие в воздухе на высоких над землей высотах, представляют собой инновационный класс устройств, разработанный для максимизации силы и устойчивости под воздействием ветровых сил. Этот уникальный подход к созданию ветрогенераторов, известный как парящие турбины, имеет свое происхождение в творчестве инженера Егорова и зародился в Советском Союзе в 1930-х годах.

Парящие турбины представляют собой интригующее сочетание технологии и эстетики, поднимаясь в воздух и эффективно собирая энергию ветра даже на больших высотах. Идея Егорова, заложенная в основу этой концепции, стала отправной точкой для инноваций в области ветроэнергетики.

Горные

В истории Жамбылской области Казахстана в 2011 году был установлен важный миллениумский вехопробег – запуск первой горной ветроэлектростанции на Кордайском перевале. Эта технологическая мекка, с мощностью 1,5 МВт, стала символом стремления к инновациям и устойчивому энергетическому будущему в регионе.

Развертывание ветроэлектростанции на Кордайском перевале стало прецедентом для использования горных рельефов как потенциальных источников ветроэнергии. Этот подход не только обеспечил устойчивое энергоснабжение в регионе, но также стал примером для других районов с похожим ландшафтом.

Энергетический ландшафт Жамбылской области теперь воодушевляет и мотивирует на интеграцию современных технологий в горные районы, где ветроэнергия становится неотъемлемой частью экологически ответственного развития.

Преимущества и недостатки ветряных электростанций

Возможности, предоставляемые ветряными электростанциями, раскрываются в использовании ветра как абсолютно бесплатного источника энергии, лишенного зависимости от топлива и не причиняющего существенного вреда окружающей среде, за исключением некоторого шума и редких случаев воздействия на птиц и насекомых. Однако, наряду с этими выгодами, имеются определенные недостатки.

Среди недостатков выделяются шумовое воздействие и относительно низкий коэффициент полезного действия (КПД), обычно колеблющийся в пределах 30-45%. Высокая стоимость оборудования и запасных частей также является значимым фактором, влияющим на экономическую эффективность. Длительный срок окупаемости, особенно при увеличении установленной мощности, добавляет еще один слой вызовов.

Важно отметить, что плюсы и минусы ветряных электростанций в определенной степени взаимно компенсируются в различных эксплуатационных сценариях. В контексте России, развитие ветроэнергетики ограничено недостаточно стабильными и мощными потоками ветра по сравнению с Европой и Азией. Это создает уникальные вызовы, требующие инновационных решений для более эффективного использования потенциала ветровой энергии в стране.

Плюсы и минусы взаимно компенсируются в различных условиях и сценариях использования ветроэнергии.

Заключение

Заключение, ветряные электростанции (ВЭС) представляют собой ключевой элемент современной энергетики, играя важную роль в диверсификации источников электроэнергии. С развитием технологий и улучшением производительности ветрогенераторов, ВЭС становятся все более эффективными и экологически устойчивыми.

Преимущества ветряных электростанций включают в себя экологическую чистоту, бесплатный источник энергии и увеличение энергетической независимости. Однако, как и у любой технологии, есть и недостатки, такие как шумовое воздействие, влияние на животный мир и высокие затраты на оборудование.

Необходимость развития ветроэнергетики становится все более актуальной в свете стремления к устойчивому развитию и сокращению выбросов парниковых газов. Россия, несмотря на определенные ограничения, имеет потенциал для дальнейшего развития этой области, особенно с учетом новых технологий и оптимизации эксплуатации ветряных электростанций.

С учетом баланса преимуществ и недостатков, ветряные электростанции остаются важным компонентом энергетического ландшафта будущего, внося свой вклад в создание более устойчивого и экологически чистого энергетического будущего.