Ветряная электростанция (ВЭС): что такое, отличие от ТЭЦ

Популярность ветряных электростанций (ВЭС) как одного из наиболее эффективных и часто используемых альтернативных источников энергии объясняется двумя основными факторами.

Во-первых, это историческое наследие. Впервые, для получения энергии, человеком была использована сила движущихся воздушных потоков. В качестве примера можно привести ветряные мельницы и паруса, которые используются на кораблях.

Во-вторых, ветры можно встретить практически везде на планете. При изменении направления или силы, вплоть до полного отсутствия ветра, движение воздуха сохраняется на всей территории земного шара.

Что такое ВЭС?

Ветряная электростанция (ВЭС) представляет собой совокупность нескольких ветрогенераторов, которые установлены на одном или нескольких местах и интегрированных в общую энергетическую сеть. Крупные ВЭС могут включать в себя сто и более ветрогенераторов. Такие установки называют ветряными парками или ветропарками.

Ветровая электростанция: назначение и устройство

Ветровая электростанция представляет собой совокупность ветряных турбин, которые разработаны для преобразования кинетической энергии движения воздушных потоков в механическую энергию, которая потом применяется для работы генератора, производящего электричество. В состав одного комплекса может входить различное количество ветрогенераторов. В состав больших систем входят сотни таких установок.

Принцип действия каждой установки основан на применении кинетической энергии ветра для запуска вращения части ветряной турбины, которая соединена с ротором генератора. Применение механизма редуктора позволяет повысить скорость вращения вала и тем самым создать трехфазный переменный ток.

Наиболее эффективным способом преобразования переменного тока в постоянный является использование контроллера. В момент, когда постоянный ток заряжает аккумуляторы, он также передает энергию в инвертор.

В момент, когда инвертор производит обратное преобразование постоянного тока в переменный ток, он уже становится пригодным для использования в электрических устройствах. Его напряжение составляет 220В, а частота – 50Гц.

История

Первый образец ветродвигателя, который можно было наблюдать в действии, представлял собой 9-метровую «мельницу», которая была создана британцем Блитом в 1887 году на его участке в Мэрикирке, Англия. Он предложил применять излишнюю энергию данной «мельницы» для освещения главной улицы в Мэрикирке, но был отвергнут жителями, которые считали электроэнергию проявлением дьявольской работы. Затем он спроектировал и изготовил ветряную турбину, которая была предназначена для обеспечения аварийного питания больницы, психиатрической клиники и амбулатории. Но технологию Блита считали экономически нецелесообразной, и в результате последующая ветроэлектростанция в Великобритании была запущена только в 1951 году.

Первая автоматизированная ветровая установка, созданная американцем Чарльзом Брашем, появилась в 1888 году и имела ротор диаметром 17 метров.

Современная ветроэнергетика начала своё развитие в 1980-е годы с турбин, которые производили около полусотни кВт энергии.

Типы ветровых электростанций

Наземная

В настоящее время самые популярные виды ветряных электростанций находятся в наземных установках. Они могут быть размещены на холмах или в возвышенных местах.

Процесс возведения промышленной ветроустановки требует около 7-10 дней на подготовку площадки для установки. Срок получения разрешений регулирующих органов может достигать года.

При строительстве необходимо иметь дорогу до места установки, а также тяжелое оборудование для строительства, с высотой стрелы более 50 метров, так как генераторы располагаются на высоте около 50 метров.

После установки, электростанция соединяется кабелем с передающей электрической сетью.

Самой крупной на данный момент является электростанция Ганьсу, расположенная в китайской провинции Ганьсу, в городском округе Цзюцюань. Показатель ее полной мощности составляет 7965 МВт.

Прибрежная

На сравнительно небольшом расстоянии от берега моря или океана могут быть построены прибрежные ветряные электростанции. На побережье ветер меняется в течение дня: днем он дует от воды к суше, а ночью – от остывшего побережья к водоемам.

Шельфовая

Шельфовые электростанции строятся в море, на расстоянии от 10 до 60 километров от берега. Они обладают следующими преимуществами:

• На берегу они практически невидимы.
• Они не занимают сушу.
• Из-за постоянного воздействия морских ветров, они обладают более высокой эффективностью.

Шельфовые электростанции строят на участках моря с небольшой глубиной. Башни ветрогенераторов крепятся на фундамент, который должен быть забит на глубину до 30 метров. При помощи подводных кабелей энергия передается на берег. Для строительства и обслуживания данных станций используются специальные самоподъемные суда.

Шельфовые электростанции требуют больше затрат в строительстве, чем наземные. Для создания мощных генераторов необходимы более высокие башни и крепкие фундаменты. Кроме того, морская вода может привести к коррозии металлических конструкций. К началу 2008 года по всему миру суммарная мощность шельфовых электростанций составила 1471 МВт. В 2013 году самым крупным из них стала London Array (Великобритания) с установленной мощностью 630 МВт.

Плавающая

Первый экспериментальный образец плавучей ветротурбины был разработан компанией Technologies BV в 2007 году. Данная конструкция представляет собой ветрогенератор с мощностью 80 кВт, который установлен на плавучей платформе в пределах 10.6 морских миль от берега Южной Италии, на глубине моря в 108 метров.

Норвежская компания StatoilHydro занимается разработкой плавучих ветрогенераторов для морских станций в глубоких водах. В 2009 году в сентябре была построена демонстрационная версия, мощностью 2,3 МВт. Данная турбина, известная как Hywind, обладает массой 5300 тонн и высоту 65 метров. Она расположена в 10 километрах от острова Кармой, который находится на берегу у юго-западного побережья Норвегии.

В результате погружения башни этого ветрогенератора в морскую пучину на глубину 100 метров, она возвышается над водой на 65 метров. Поперечник ротора равен 82,4 метра. Для обеспечения стабильности ветротурбины и для того, чтобы погрузить ее на требуемую глубину, в нижней части используется балласт — гравий и камни. Три троса с якорями, закрепленные на дне, удерживают башню от смещения. Электроэнергия передается на берег по подводному кабелю.

В 2017 году компания увеличила мощность турбины до 6 МВт, а диаметр ротора — до 154 метров.

Парящая

Парящими называют ветряные турбины, которые могут быть размещены на высоте над землей для создания более сильных и устойчивых ветров. Данная концепция была разработана инженером Егоровым в 1930-х годах в СССР.

Горные

Первый в истории запуск горной ветроэлектростанции на постсоветском пространстве с мощностью 1,5 МВт осуществлен на Кордайском перевале в Жамбылской области Казахстана в 2011 году.

Преимущества и недостатки ветряных электростанций

Возможности, которые предоставляют ветряные электростанции, заключаются в использовании ветра как абсолютно бесплатного источника энергии. Они не зависят от топлива и в целом не наносят особого вреда окружающей среде (за исключением шума и редких случаев воздействия на птиц и насекомых).

Но присутствуют все же следующие недостатки:

• Шумовое воздействие.
• Низкий КПД, который обычно находится в диапазоне 30-45%.
• Стоимость оборудования и запасных частей очень высока.
• Долгий срок окупаемости, который повышается с увеличением установленной мощности.

Плюсы и минусы ВЭС частично взаимно компенсируются в различных ситуациях эксплуатации. Устойчивые и мощные потоки ветра в России не являются чем-то обыденным, что сдерживает развитие ветроэнергетики по сравнению с Европой и Азией.

Экономическое обоснование строительства ВЭС

Плюсы и минусы современных ветроэнергетических установок, в совокупности с их недостатками, указывают на то, что в России они имеют ограниченное применение в данный момент. Высокие издержки на оборудование, постоянные затраты на эксплуатацию и ограниченный срок службы поглощают большую часть получаемой прибыли. Однако, это утверждение не всегда верно.

В условиях отсутствия других источников энергии или при наличии стабильных условий для работы ветряных станций, их использование будет оправдано. Здесь важное значение имеют ветродизельные электростанции, которые сочетают в себе ветрогенераторы и дизель-генераторы. Данные станции могут обеспечить непрерывное снабжение электроэнергией и теплом, что позволяет экономить на использовании топлива. При этом использование ветряных электростанций в жилых домах и частных хозяйствах экономически оправдано. 

Известно о том, что влияние ветряных электростанций на окружающую среду в целом считается значительно ниже влияния других источников энергии, таких как уголь или нефть. Тем не менее, необходимо принимать во внимание все эти аспекты при планировании и строительстве ветряных электростанций и предпринимать меры для минимизирования их негативного воздействия на окружающую среду и животных.

Перспективы развития ветряной электростанции

В сфере возобновляемых источников энергии, сектор ветроэнергетики стремительно развивается, и его перспективы имеют большие возможности для того, чтобы обеспечить энергией все сферы жизнедеятельности общества. Несколько ключевых моментов говорят о перспективах данной отрасли:

• Возможность быстрого роста. В соответствии прогнозам Международной ассоциации ветроэнергетики (GWEC), к 2050 году доля энергии, вырабатываемой ветром, в мировом энергетическом балансе может достигнуть 20%. Следовательно, использование ветряных установок станет важным фактором в обеспечении электроэнергией промышленных предприятий и населения.
• Снижение стоимости. Затраты на производство энергии от ветровых электростанций снижаются год от года благодаря развитию технологий, масштабированию производства и оптимизации процессов. Такой подход позволяет сделать энергию ветра более конкурентоспособной на рынке, по сравнению с традиционными источниками энергии.
• Инновации в технологиях. Сфера ветровой энергии в настоящее время находится в стадии активного исследования и совершенствования. Создаются новые концепции, такие как плавающие ветряные станции и турбины с вертикальной осью вращения, а также объединение ветра с другими источниками энергии, такими как солнечные батареи и аккумуляторы.
• Экологическая чистота. Природная энергия, получаемая из ветра, является экологически чистой и не загрязняет атмосферу выбросами газов и другими вредными веществами. Данный факт делает ее привлекательным инструментом для борьбы с изменением климата и улучшения экологии.
• Содействие местной экономике. Строительство и эксплуатация ветровых станций способствуют развитию местной экономики, созданию рабочих мест и привлечению инвестиций, способствуя общему росту региональной инфраструктуры.

В общем, можно сказать, что перспективы развития ветроэнергетики достаточно благоприятны. По своей сути она представляет собой эффективный и экологически безопасный источник энергии, который может играть значимую роль в обеспечении энергетической безопасности общества и его устойчивого развития.

Различия между ветряными и тепловыми электростанциями

Необходимо учитывать множество факторов при выборе между тепловыми электростанциями (ТЭЦ) и ветряными электростанциями. Однако, существуют аргументы в пользу использования ТЭЦ в определенных обстоятельствах. В отличие от ветродвигателей, ТЭЦ не зависят от природных явлений, таких как ветер. Это позволяет обеспечить более стабильное производство энергии в сравнении с ветряными электростанциями. Это может быть особенно важно для регионов, где надежное энергоснабжение играет ключевую роль. Также ТЭЦ имеют более высокий коэффициент использования топлива, что позволяет использовать ресурсы более эффективно.

Заключение

Одним из наиболее перспективных и высокоэффективных методов генерации электроэнергии из возобновляемых источников является использование ветрогенераторов. Несмотря на это, у них есть недостатки. Они могут создавать вибрацию и шум, что может негативно сказаться на окружающей среде. Для их успешной работы необходим постоянный ветер, что ограничивает их применение в некоторых регионах. Несмотря на это, в настоящее время ветрогенераторы продолжают совершенствоваться и получать все большее распространение. Ожидается, что их использование будет продолжать увеличиваться в будущем. По прогнозам в ближайшее время они будут играть все более важную роль в производстве электроэнергии, а их значимость будет только увеличиваться.