Способы применения энергии ветра

Применение энергии ветра: виды, история использования и современные способы производства

Обновлено: 3 января 2021

Виды ветряной энергии

Рост потребления энергоресурсов ускоряется с каждым годом. Появление новых устройств, бытовой техники, компьютерного оборудования способствуют повышению потребностей населения и вынуждает к увеличению мощностей централизованных линий. Их состояние, и так достаточно ветхое, от таких нагрузок становится еще более плачевным. Изношенность электросетей в некоторых регионах достигает 70-80 %, что заставляет задуматься о завтрашнем дне.

С другой стороны, имеется немало регионов, куда линии электропередач д сих пор не проведены. Это отдаленные районы Крайнего Севера, труднодоступные горные населенные пункты и т.д. Надеяться на скорую электрификацию таких мест не приходится, так как важных промышленных или оборонных объектов там нет, а вести линию «в никуда» нерационально, она никогда не окупится.

Выходом из складывающейся ситуации может стать использование альтернативных методов производства электроэнергии. Рассмотрим один из наиболее перспективных вариантов.

Воздушный поток

По сути, энергия ветра одна — кинетическая. Воздушный поток обладает огромной мощью, действие которой можно наблюдать на видео или фотографиях последствий ураганов или просто шквальных порывов. Гораздо больше существует устройств, так или иначе использующих ветряную энергию для выполнения какой-нибудь работы, производства электрического тока и прочих нужд. Так, насосы, действующие от ветряка, известны с незапамятных времен, а современные ветроэлектростанции обеспечивают электрической энергией целые страны и регионы.

Особенностью энергии ветра является ее доступность. Для создания гидроэлектростанции необходимо найти подходящий по рельефу участок русла реки, построить запруду, которая затопит большую площадь полезной поверхности земли. Страдают и исчезают пахотные земли, нарушается естественный ареал обитания животных, изменяется климат в регионе.

Для атомной энергетики надо получить ядерное топливо, построить АЭС, все время ее работы существует ощутимый риск возникновения аварии, угрожающей крупной катастрофой. Использование ветра практически безопасно, не имеет отрицательного воздействия на природу или человека.

Противники ветроэнергетики декларируют различные проблемы, создаваемые использованием ВЭС, но фактов, подтверждающих эти проблемы, не привели ни разу. Практика же опровергает все домыслы относительно вреда от ветростанций, подтверждая лишь полезные свойства.

История использования

Начало использования ветра человеком уходит корнями в далекое прошлое. Прежде всего, это мореплавание. Изобретение паруса намного облегчило навигацию и позволило добираться до места назначения гораздо быстрее. В 200 гг до н.э. в Персии уже существовали ветряные мельницы для изготовления муки.

Первая ветроэлектростанция была выстроена в Дании в XIX веке. Место появления первой станции не случайно, так как в Дании издавна использовались ветряные мельницы, а обычных на то время возможностей для производства электричества при помощи гидростанций не было. Западная Европа является одним из лидеров в развитии ветроэнергетики, хотя с ней весьма сильно конкурируют Китай и Индия.

В России ветровые установки не распространены в должной степени, так как обилие рек способствует развитию гидроэнергетики. Учитывая более высокую производительность ГЭС, это вполне оправдано, но в последнее время интерес к энергии ветра проявляется с новой силой.

Ресурсы энергии солнца и ветра на Земле

Альтернативные источники, к которым относятся солнечная и ветровая энергия, обладают огромным потенциалом. Их количество практически неисчерпаемо, во всяком случае при нынешнем уровне технических возможностей. Особенностями этих видов является периодический характер пользования — для солнца характерен перерыв в ночное время, а ветровые потока не имеют определенной системы и движутся хаотично.

Исключением являются прибрежные регионы, где направление потока изменяет только знак — либо с моря на сушу, либо наоборот. В остальном оба источника бесконечны. Ветер не теряет своей энергии даже при использовании больших станций, состоящих из сотни и более установок, что выгодно отличает его от тех же углеводородов, которые сгорают, загрязняя атмосферу и убывают при этом.

Количество солнечной энергии, доступной на поверхности Земли, во многом зависит от климата и состояния атмосферы в регионе. Районы с обычно затянутым тучами небом в этом отношении бесперспективны. То же касается и регионов со слабыми ветрами в отношении ветроэлектростанций. При этом, энергия ветра доступна в любое время дня и ночи, что делает ее позиции несколько более предпочтительными.

Какие преимущества имеет энергия ветра?

Ветер — абсолютно бесплатный источник энергии. Его не надо добывать, производить или приобретать. В этом состоит его основное преимущество, с которым нельзя спорить или опровергнуть. Кроме этого, есть и другие, не менее привлекательные качества:

• экологическая чистота
• доступность в любой точке земного шара
• неиссякаемость
• возможность использования как в промышленных масштабах, так и в индивидуальном порядке
• простота и надежность оборудования, нужного для производства энергии

Возможность самостоятельного изготовления ветряка из подручных материалов на своем садовом участке или в частном доме отличает этот источник от любого другого. Для самостоятельной сборки требуется некоторый опыт и навык работы со слесарным инструментом и хотя бы базовые познания в электротехнике. В настоящее время получить любую необходимую информацию — не проблема, поэтому задача создания своего собственного ветрогенератора многократно упростилась.

Недостатки ветряных электростанций

К основным недостаткам относят нестабильность воздушных потоков. Даже в прибрежных регионах с преобладающими бризами, имеющими относительно ровные параметры, случаются отклонения от обычных значений, а в континентальных регионах, с их особенностями климата, перепадами среднесуточных температур и влажности, движение воздушных масс имеет сложную и зачастую неожиданную систему. Кроме того, к недостаткам ВЭС принято относить:

• шум от работы установок
• мерцание от вращающихся лопастей
• вибрации, отрицательно воздействующие на мелких животных и, отчасти, на людей
• высокие инвестиционные расходы
• относительно короткий срок службы, не всегда обеспечивающий окупаемость проекта
• дороговизна электроэнергии

Некоторые из этих недостатков можно смело отнести к домыслам, например, высокий уровень шума или вибраций. Но относительно дороговизны и неокупаемости проектов — факт, спорить с которым нет смысла. Расходы на создание ветростанций обычно берутся на себя государствами, особенно если рассматривается крупный проект, способный в корне изменить энергообеспеченность страны, либо, если станция невелика, покрываются из частных инвестиций.

Следует отметить, что стоимость относительно небольших проектов на несколько порядков ниже, чем у гигантов энергетики, что намного увеличивает рентабельность вложений и способствует достаточно быстрой окупаемости.

Современные способы производства электричества из энергии ветра

На сегодня самым распространенным способом преобразования энергии потоков ветра является использование ветрогенераторов. Это устройства, преобразующие энергию потока во вращательное движение, передающееся на генератор, который производит электрический ток. С генератора производится заряд аккумуляторной батареи, которая, разряжаясь, через инвертор питает потребителей.

Примечательно, что все разнообразие конструкций и типов ветряков практически никак не сказывается на состоянии электроники — ее состав, начиная с генератора, одинаков для всех видов установок и различается только по мощности.

Все разнообразие конструкций относится лишь к вращающейся крыльчатке. Здесь имеются разные варианты конструкции:

Наименования этих групп означают расположение оси вращения ротора. Горизонтальные конструкции несколько эффективнее, что стало причиной использования их в крупных ветротурбинах. Вертикальные устройства, в свою очередь, более приспособлены к обслуживанию небольших частных хозяйств, домов, линий освещения или водоснабжения.

Возросший интерес к ветроэнергетическим установкам послужил толчком к росту разработок различных вариантов конструкции ветряка. Основным направлением поисков конструкторов является оптимальный вариант крыльчатки, способный вращаться при слабом ветре. Это актуально для условий России, так как преобладающие ветра в нашей стране относятся к слабым и, в меньшей степени, средним.

Помимо роторных установок рассматриваются и другие конструкции. Например, голландские конструкторы разработали ветряк, работающий на каплях воды. Они переносят заряд с одного электрода на другой, повышая его потенциал. Разработка совершенно новая, никаких характеристик в свободном доступе пока не имеется, но интерес к такой конструкции весьма высок.

Как сделать ветряную электростанцию?

Создание ветряной электростанции является сложным и затратным процессом. Необходимо установить большое количество ветряков и объединить их в единую энергосистему с общей производительностью. Это требует больших усилий по техническому, юридическому и финансовому сопровождению проекта, понадобятся тщательные предварительные разведочные работы, отвечающие на все вопросы эксплуатационного характера:

• преобладающая скорость ветра
• климатические условия, возможность ураганных ветров
• состав почв, стабильность, несущая способность
• особенности рельефа местности

Эти показатели дают почву для расчетов эффективности и возможности строительства станции в данном регионе. Использование ветроэлектростанций не создает проблем для сельского хозяйства, площади сокращаются только на размеры основания несущих мачт. Работа установок имеет достаточно плавный характер и не вредит окружающим людям или животным. Для местностей, не имеющих других вариантов, ветроэнергетические установки являются оптимальным выходом из положения.

Источник

Использование ветра как альтернативного источника энергии: виды, проблемы и возможности ветрогенераторных установок

Обновлено: 3 января 2021

Электроэнергия в России

Обеспеченность пользователей электроэнергией в России далеко не стопроцентная, хотя страна является энергоизбыточной и способна поставлять ресурс на экспорт. Причины такого положения в большой площади, создающей большие трудности в доставке электроэнергии.

Отдаленные регионы, труднодоступные участки до сих пор не имеют централизованного снабжения энергией и вынуждены использовать дизельные и бензиновые генераторы, обходящиеся дорого и требующие постоянного обслуживания, ремонта, снабжения топливом и прочих действий.

Для жителей таких районов крайне необходимо использование альтернативных источников, менее требовательных к топливным ресурсам и позволяющим получить автономные устройства, производящие электроэнергию. Среди этих источников наиболее предпочтительными являются ветровые электростанции или установки, имеющие большие возможности.

Важность освоения альтернативных источников энергии

Освоение и широкое использование альтернативных источников энергии крайне важно для всех современных людей, независимо от мест проживания и близости к действующим энергоресурсам. Причины этого:

• чем больше источников энергии, тем меньше загруженность магистральных линий
• состояние многих электростанций требует срочной модернизации, реконструкции или ремонта. Срок службы многих сооружений подходит к концу, вынуждая задумываться о способах замещения старых источников новыми
• возможность иметь свой, независимый источник электроэнергии освобождает пользователя от зависимости от ресурсоснабжающих компаний
• экологическая чистота альтернативных источников намного предпочтительнее, чем опасность радиоактивных загрязнений или прорыва плотины с непредсказуемыми последствиями

Кроме этих неоспоримых достоинств ветроэнергетики, существует еще одно важное обстоятельство: обеспеченность отдаленных и труднодоступных регионов есть и будет под большим вопросом. Экономическое обоснование возможности проведения линии электропередач в эти места крайне отрицательное, отсутствие промышленных объектов или важных военных, исследовательских центров низводит вероятность создания магистрали до нуля.

Вынужденный характер применения альтернативных вариантов усиливается постоянным ростом использования электроприборов как для связи, так и для прочих бытовых, медицинских или иных целей, необходимых для нормальной жизни в современном мире.

Перспективы и возможности ветрогенераторных установок

Ветроэнергетика переживает второе рождение. Из экзотических видов, применяемых в отдельных регионах планеты, где нет возможности применять другие способы производства электричества, ветроэнергетика становится полноценным видом добычи энергии.

Кроме того, весьма привлекателен сам источник. Потоки ветра обладают огромными запасами кинетической энергии, который никогда не иссякнет. В отличие от углеводородов или радиоактивных источников, ветер будет существовать всегда, пока на Земле есть атмосфера. Пользование таким источником абсолютно бесплатно, ограничивается только возможностями оборудования. Привлекательность источника, имеющего такие свойства, бесспорна и не требует никаких дополнительных аргументов.

Современные ветрогенераторы имеют достаточную производительность, чтобы обеспечивать большие количества потребителей. Такие страны, как Дания, Германия, США, Индия и Китай обладают крупными ветровыми электростанциями, играющими важную роль в энергообеспеченности этих стран.

Так, Китай имеет самую мощную на сегодня ВЭС, способную по производительности соперничать с гидроэлектростанциями, лидирующими среди всех разновидностей электростанций. Немного отстают индийские станции, имеющие несколько мощных станций с большим количеством ветроагрегатов.

Между тем активно ведутся разработки небольших установок, позволяющих снабжать энергией отдельные пункты, дома, экспедиционные отряды и т.д. Возможность автономного обеспечения энергией от устройства, перевозимого с собой или установленного рядом с домом, дает полную независимость от поставщиков энергии, роста тарифов и иных неудобств централизованного энергоснабжения.

Готовые решения

В качестве готовых устройств, предлагаемых для пользователя в настоящее время, могут быть использованы различные варианты ветроустановок. Они имеют массу вариантов конструкции, размеров, могут быть использованы для отдельных потребителей или обеспечивать энергией целые участки с множеством пользователей.

Виды ветрогенераторов

В первую очередь, все известные конструкции делятся на две большие группы:

• горизонтальные. Это устройства, ось вращения ротора у которых находится в горизонтальной плоскости. Они более эффективны, чем вертикальные ветряки, но нуждаются в постоянной коррекции положения в зависимости от направления ветра. Вследствие большей эффективности активно используются в качестве крупных промышленных моделей, способных вырабатывать большие объемы энергии. Все устройства, используемые в качестве элементов крупнейших ветроэлектростанций, имеют горизонтальный тип конструкции
• вертикальные. Ось вращения этих конструкций расположена по вертикали. Преимущество таких устройств в том, что необходимость установки на ветер у них отсутствует. При этом, особенностью конструкции является одновременное воздействие потока ветра на рабочую и обратную стороны лопастей, что создает как полезную, так и паразитную нагрузку, противодействующую вращению. Для устранения от останавливающих воздействий разработано множество вариантов конструкции, в той или иной степени снижающих вредное действие на задние части лопастей

Вертикальные конструкции, в силу меньшей эффективности, используются как небольшие ветроустановки для частного пользования. В этом качестве они оказались намного предпочтительнее, чем горизонтальные устройства, так как обладают большей независимостью от направления ветра и не нуждаются в подъеме на большую высоту.

Примечательно, что большинство самодельных конструкций, создаваемых для личного пользования, имеют вертикальный тип. Они просты и устойчивы к различным нагрузкам, позволяют в широких пределах изменять конструкцию, добавлять или удалять элементы, менять форму лопастей и т.д.

Существует большое количество типов вертикальных турбин:

Это только некоторые из множества типов вертикальных конструкций. Одни существуют уже очень давно, другие появились в течение последнего десятилетия. Постоянно ведется поиск новых, более удачных конструкций, невосприимчивых к отрицательному воздействию потока и способных развивать большую мощность. Большинство из них известны только как теоретически существующие разновидности, используемые самодеятельными производителями как основа для собственных разработок и устройств, собранных для обеспечения своих нужд.

Выбор оборудования

Выбор готового устройства — непростая задача, требующая серьезных исследований. Для того, чтобы приобрести оптимальный вариант, надо узнать направление и силу преобладающего в регионе ветра, выяснить возможность шквальных порывов, их частоту и силу потока.

Кроме того, надо подсчитать собственные потребности, сложив потребляемую мощность всех приборов в доме или на определенном участке и увеличив полученное значение на 15-20 %. Этот запас поможет организовать работу установки в более свободном режиме, обеспечивающем большую долговечность.

Сравнение возможностей устройства, потребностей пользователя и предоставляемых местностью параметров воздушных потоков дает значение наиболее предпочтительной мощности ветроустановки.

Все исследования и расчеты следует произвести как можно более тщательно, поскольку цены на ветрогенераторы весьма высоки, и приобретение неподходящего устройства крайне нежелательно. Долговечность агрегата в среднем составляет 20-25 лет, поэтому приобретать надо установку с некоторым запасом мощности. Количество потребляемой энергии из года в год возрастает, это надо учитывать и предвидеть рост требуемых мощностей на время службы устройства.

Проблемы, существующие в ветроэнергетике

Основная проблема, которая упоминается противниками ветроэнергетики в первую очередь — нестабильность и неравномерность воздушных потоков. Эта проблема — единственная, не поддающаяся регулированию или снижению какими-либо методами, техническими или научными. Мало того, территории многих стран, в частности — России, имеют огромный ветровой потенциал, но он базируется лишь на большой территории государства.

Показатели ветра в отдельно взятых регионах чаще всего тяготеют к средним и слабым, что создает некоторые сложности для конструкторов. Приходится проектировать модели, оптимизированные для слабых ветров, но имеющих большой запас прочности на случай редких, но возможных шквалистых порывов, грозящих разрушить неподготовленную конструкцию.

Еще одной проблемой является низкий КПД или, для ветроустановок, КИЭВ. Этот показатель ограничен, теоретические исследования показывают максимальное значение в 59,3 %. Большинство ныне ведущихся разработок призваны максимально увеличить КПД и, по возможности, перешагнуть расчетные пределы, опираясь на изменения в конструкции.

Источник