Фото вверху FOTOBANK.COM/GETTY IMAGES
К началу прошедшего века в вопросе использования энергии ветра Наша родина была в числе самых передовых государств. У нас вертелось более 250 тыщ ветряных мельниц, а их общая мощность зашкаливала за гигаватт. В 1918 году российский доктор В. Залевский сделал «полную теорию ветряных мельниц». Хотя вернее было бы именовать эту работу «теорией ветровых двигателей», так как фактически мельничного дела, другими словами процесса помола зерна, доктор в ней не касался.
Зато в теории был сформулирован ряд требований к действенной ветроустановке. Чуток позднее другой узнаваемый российский ученый, Николай Жуковский, организовал в основанном им Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) отдел ветровых движков. К этому времени уже стало ясно, что из ветра можно извлекать не только лишь механическую, да и электронную энергию.
Нефтяной излом
Совместно с эпохой электричества начиналась и эра нефти. С течением времени стало понятно, что и пшеницу молоть, и воду качать еще удобнее и прибыльнее при помощи установок, работающих не на переменном ветре, а на надежных и дешевеньких угле и солярке. К середине 1920-х годов в СССР численность ветряных мельниц сократилась втрое.
Вобщем, совершенно отрешиться от энергии ветра человек был еще не готов. В 1931 году неподалеку от Ялты заработала спроектированная ЦАГИ наикрупнейшая в мире промышленная ветровая электрическая станция (ВЭС) Д-30 мощностью 100 кВт. В 1934 году под управлением Ю.В. Кондратюка был подготовлен проект огромной 12-мегаваттной ВЭС на горе Ай-Петри с башней высотой 165 метров и 2-мя 80-метровыми ветроколесами, размещенными на 2-ух уровнях. Идею поддержал лично нарком Орджоникидзе, и уже в 1936 году в Крыму начались строй работы. Но на последующий год, после кончины Орджоникидзе, противники Кондратюка достигнули сокращения проекта до одноуровневой 5-мегаваттной установки, а в 1938 году Главэнерго воспринимает решение закончить строительство и вообщем свернуть любые работы по созданию массивных ВЭС. Все, что осталось от плана крымской ветровой суперэлектростанции — опыт проектирования большой железобетонной башни, удерживаемой изнутри натянутыми железными тросами. Спустя три 10-ка лет эти расчеты понадобились в процессе проектирования Останкинской телебашни.
И хотя эта история не лишена политической интриги, принятое в конечном итоге решение разъяснялось не только лишь ею: энтузиазм к ветру слабел везде. Так, в США в 1940 году выстроили ветроэнергетическую установку мощностью 1250 кВт, которая проработала пару лет. Когда же одна из лопастей на ней повредилась, чинить ее не стали. Оказалось, что установка дизельной электростанции обойдется дешевле. Все же малые ветрогенераторы (до 30 кВт) продолжали создавать. В СССР в 1950-е годы их делали по 9000 штук в год, в главном для северных поселков и целинных земель. Тогда же на целине была построена 1-ая ветродизельная электрическая станция (ВДЭС) мощностью 400 кВт.
Совсем энтузиазм энергетиков к ветру пропал к началу 1960-х. «Нефтяное» электричество было так дешевеньким и комфортным, что тягаться с ним стало трудно. Хотя ветер и оставался бесплатным энергоресурсом, создание из него электричества совсем не отличалось дешевизной. С учетом 20— 30-летнего срока службы ветроустановок себестоимость электроэнергии доходила на рубеже 1970-х и 1980-х годов до 40 центов за киловатт-час. А тот же киловатт-час, снимаемый с обыкновенной теплоэлектростанции (ТЭС), стоил наименее 4 центов.
Меж тем еще сначала 1970-х население земли испытало 1-ый нефтяной кризис. Случилось это 16 октября 1973 года во время конфликта Израиля с Сирией и Египтом, получившего заглавие Войны Судного денька. В тот денек арабские страны объявили, что не будут продавать нефть государствам, поддерживающим Израиль. И уже к вечеру цены на «черное золото» подпрыгнули с 3 до 5 баксов за баррель (чуток меньше 160 л.), а за последующий год цены выросли до 12 баксов. В итоге, хотя Израиль одолел в вооруженном конфликте, оказалось нелегко найти, кто же в конечном итоге извлек из него больше выгоды. Ведь вот тогда арабские страны ощутили, что, используя цены на нефть, могут управлять практически всем миром.
С того времени нефтяные кризисы сотрясают планетку с завидной регулярностью: в 1979 году — в связи с войной меж 2-мя большими нефтедобытчиками Ираном и Ираком; в 1990 году — в связи с нападением Ирака на Кувейт; в 2000 году — когда оказалось, что глобальная транспортная инфраструктура не совладевает с возрастающими потребностями в нефти. С тех пор стоимость на нефть упрямо ползет ввысь.
Тот факт, что от нефтяной зависимости нужно освобождаться, стал очевиден уже во время первых кризисов, потому к началу 1980-х годов исследования и разработки в области другой энергетики были расконсервированы и продолжены.
Промышленные альпинисты инспектируют состояние ротора ветродвигателя на ВЭС в земле Бранденбург, Германия. Фото: LAIF/VOSTOCK PHOTO
По горизонтали и по вертикали
Основным источником ветровой энергии на нашей планетке, как и движком большинства других земных процессов, служит самая близкая к нам звезда — желтоватый лилипут по имени Солнце. Конкретно его излучение, неравномерно нагревая планетку, делает в ее атмосфере зоны различного давления. Воздух стремится перетечь из зоны высочайшего давления в зону низкого. Эти перемещения образуют крупномасштабные воздушные течения, которые именуются ветром. Принято считать, что он «начинается» со скорости движения воздуха 0,6 м/с. Все, что находится ниже этой черты, определяется как штиль. Но ветровая энергетика более требовательна, для нее нужна скорость ветра не ниже 5—6 м/с. Только при таковой скорости ветрогенераторы начинают производить энергию соответствующего свойства. Хорошей считается сила ветра 14—17 м/с. У поверхности земли такие скорости бывают нечасто, потому ветряки инсталлируются на башни высотой 10-ки метров.
Современные ветродвигатели делятся на два главных типа: карусельные, с вертикальной осью вращения, и крыльчатые — с горизонтальной. Последние имеют более обычный вид, напоминающий старенькые мельницы, только лопастей у их меньше. Строители древних нерасторопно вращающихся ветряков старались сделать побольше «крыльев», чтоб лучше использовать силу ветра. Но эффективность вырастает с числом лопастей нелинейно: четыре лопасти не будут в два раза эффективнее, чем две. А с ростом скорости вращения эффективность больше находится в зависимости от аэродинамических характеристик, а не от числа лопастей. Если учитывать, что в массивных ветроустановках до 40% цены может приходиться на ротор, то становится понятным, почему сейчас практически у всех массивных ветряков только две-три лопасти (а в неких случаях, правда достаточно изредка, — всего одна с противовесом). Главным параметром, влияющим на мощность установки, является длина лопастей. Она доходит до 60 метров, а то и больше в отдельных случаях. Их длина ограничена скоростью движения концов лопастей, которая не должна превосходить приблизительно третья часть скорости звука. К тому же по расчетам инженеров компании Boeing, ведущей компании по производству лопастей для промышленных ветрогенераторов, при поперечнике ротора более 120 метров вырастает риск того, что разновысотные ветры просто разнесут дорогую установку.
Чтоб эффективность установки была наибольшей, ее нужно разворачивать перпендикулярно ветру. В малеханьких бытовых ветрогенераторах с этой задачей совладевает хвостовой стабилизатор, действующий по принципу флюгера. Но повернуть промышленный ветрогенератор общим весом в 10-ки, а то и сотки тонн таковой стабилизатор уже не способен, и эти функции возложены на специальную систему электрического управления рысканьем (поворотами по азимуту).
В карусельных ветряках такая система не нужна, и это одно из основных их преимуществ. Работа таковой установки не находится в зависимости от направления ветра, а высота не ограничена теми наивысшими 120 метрами, что останавливают проектировщиков крыльчатых установок. Вприбавок карусельные ветряки начинают работать при существенно наименьшей скорости ветра, чем крыльчатые.
Устанавливаемый на крыше бытовой ветряк дает мощность до 1,5 кВт. При цены устройства около 5 тыщ фунтов стерлингов электричество выходит в пару раз дороже промышленного. Фото: SPL/EAST NEWS
Простой карусельный ветряк употребляется в приборе для измерения скорости ветра — анемометре. На концах горизонтальной перекладины закреплены чашечки. В одну из их ветер «задувает», а другую «обдувает» со дна. Ясно, что давление воздуха на первую чашечку будет больше, чем на вторую. Перекладина начинает крутиться вокруг вертикальной оси, и чем посильнее ветер, тем резвее. На ось можно насадить много таких перекладин, а еще удобнее прикрепить к ней высочайшие корытообразные лопасти. На теоретическом уровне их высота может измеряться хоть километрами.
Но при всех плюсах карусельных ветряков коэффициент полезного использования силы ветра у крыльчатых конструкций пока существенно выше, потому и всераспространены они еще обширнее. На данный момент на их долю приходится более 90% всех промышленных энергоустановок в мире. Положение могут поменять ортогональные карусельные ветряки. В их лопасти-полубочки изменены вертикальными крыльями, изготовленными по принципу самолетных. Таковой ветродвигатель поначалу нужно закрутить при помощи какого-либо постороннего агрегата, зато, выйдя на рабочий режим, он на теоретическом уровне способен развить мощность в 20 МВт, в то время как самые массивные «крыльчатки» выдают 5—6 МВт.
Ветровых генераторов выстроено уже много. Одна только датская компания Vestas Danich Wind Technology с начала 1980-х годов построила по всему миру более 11 тыщ ВЭС. На Западе ветровая энергетика заходит в число самых быстрорастущих отраслей энергодобычи. По данным Глобальной ветроэнергетической ассоциации (WWEA), суммарная установленная мощность ВЭС в мире возрастает на 25—27% в год и в конце 2007-го достигнула 94 ГВт — это приблизительно 1,3% от всего объема потребляемой человеком энергии. Здесь, правда, нужно учесть, что из-за неравномерности ветровой нагрузки настоящая энергоотдача ВЭС оказывается в 2—6 раз ниже установленной мощности. Все же в неких странах, к примеру в Дании, толика ветровой энергетики составляет более 20%. А в Испании 22 марта 2008 года дули такие сильные ветра, что местные ВЭС обеспечили в тот денек 40,6% всего энергопотребления страны.
Бесспорным фаворитом ветроэнергетики является Германия, где установлено более 22 ГВт ветровых мощностей. Тут работают и самые большие в мире ветрогенераторы мощностью 6 МВт (компания Enercon, 2005 год) и 5 МВт (REpower Systems, 2004 год). Высота башни 5-мегаваттного великана составляет 120 метров, поперечник ротора — 126 метров, а гондола (высшая часть установки, включающая турбину и генератор) весит более 200 тонн. В пятерку фаворитов ветроэнергетики входят также США (16,8 ГВт), Испания (15,1 ГВт), Индия (7,9 ГВт) и Китай (6 ГВт).
Змей-мореход
В феврале 2008 года в свое 1-ое плавание по маршруту Германия — Венесуэла отправилось грузовое судно Beluga SkySails. В этом не было бы ничего приметного, если б судно это не оказалось первым океанским «грузовиком», приводимым в движение реальным воздушным змеем. Правда, кайт, как на технологическом языке именуется змей, тащит корабль не в одиночку, а совместно с судовыми движками, но его применение позволяет сберегать около 20% горючего. Проекты использования в помощь мореплавателям ветра существовали и ранее, но идеи новых парусников разбивались о необходимость оборудовать их циклопическими мачтами. Парусу этого корабля мачты не требуются, а управление им стопроцентно компьютеризировано. Даже точка крепления буксировочного троса к корпусу выбирается программкой зависимо от того, куда и с какой скоростью должен идти корабль и как дует ветер.
Трудности незапятнанного источника
Применение современных технологий, постройка новых массивных генераторов и муниципальная поддержка позволили существенно понизить себестоимость электричества, производимого на ветряках. К примеру, в США она составляет 5 центов за киловатт-час при средней скорости ветра 7 м/с и 3 цента при скорости ветра 9 м/с. Это меньше себестоимости электричества, производимого на ТЭС (в тех же США — 4,5—6 центов за киловатт-час). Но перед ветроэнергетикой стоят к тому же другие трудности неэкономического нрава. Главный ее недочет — непостоянство. Ветер, как понятно, то дует, то нет. И дует никак не умеренно: то слабо, то очень, то порывами. Выходит, что сейчас генератор выдает одну мощность, завтра — другую, а послезавтра ветер затих и электричество совсем пропало. Потому если ветряк обслуживает некий определенный объект, к нему приходится добавлять целый комплекс аппаратуры. Во-1-х — инвертор, который конвертирует полученную энергию в ток промышленного свойства (для Рф — 220 В, 50 Гц). Во-2-х — батарею аккумов для выравнивания мощности. В-3-х — запасный дизель-генератор на случай долгого безветрия. Добавление всех этих агрегатов, которые значительную часть времени будут простаивать, наращивает себестоимость производимой энергии в 2—3 раза. Потому наилучший выход — подключение ветрогенераторов к единой энергетической системе. Тогда нехватка электричества от 1-го ветрогенератора будет компенсироваться излишком от другого, а в случае широкого штиля — усиленной работой иных участников процесса энергопроизводства.
Два типа экспериментальных карусельных ветряков в Южном Уэльсе, Англия. Фото: SPL/EAST NEWS
2-ая неувязка — относительно низкая интенсивность. Средний промышленный ветрогенератор выдает порядка 1 МВт электронной мощности. На площади в 1 км2 можно расположить десяток-другой таких установок, только тогда они не будут мешать работе друг дружку. С учетом непостоянства ветров с 1 км2 можно снимать в среднем 5—10 МВт электроэнергии, а для получения 1 ГВт пригодится площадь 100—200 км2. Для сопоставления: Курская АЭС мощностью 4 ГВт совместно со всеми вспомогательными сооружениями и даже с рабочим поселком занимает площадь 30 км2. Стандартный метод решения этой трудности — отведение под ВЭС пустующих земель или внедрение пустующей местности ВЭС для выкармливания сельскохозяйственных культур. Проще говоря, сдача их в аренду фермерам по сниженным ценам. Не считая того, многие страны стали создавать «морские ветропарки», застраивая ветряками прибрежные шельфовые зоны.
Находиться рядом с действующим ветряком не очень комфортабельно, так как он значительно шумит. В этом и состоит 3-я неувязка. Конкретно рядом с гондолой массивного ветрогенератора интенсивность шума может достигать 100 дБ, как на станции метро, на которую прибывают сходу два поезда. У подножия башни шум составляет около 60 дБ, как на улице огромного городка. Чтоб понизить его до применимого уровня в 35—45 дБ, соответствующего для тихой улицы либо городского двора, фактически во всех странах, где используются промышленные ветряки, законом установлено, что расстояние от их до наиблежайшего жилища должно быть более 300 метров.
Не считая шума есть и другие трудности, связанные с близким соседством ветрогенераторов и населенных пт. Когда в 1986 году британцы установили на Оркнейских островах экспериментальный ветродвигатель, местные обитатели стали сетовать на то, что он мешает им глядеть телек. Снабженные металлическими молниеотводами лопасти генератора делали мощнейшие помехи для телевизионного сигнала. Пришлось устанавливать на полуострове дополнительный телевизионный ретранслятор. А обитатели городка Бун (США), около которого в 1980 году выстроили ВЭС мощностью 2 МВт, стали сетовать, что у их в шкафах гремит посуда, а с полок падают горшки с цветами. Оказалось, что станция при работе, не считая обыденного акустического шума, производила к тому же инфразвук частотой 6—7 Гц, неощутимый человечьим ухом, но создающий вибрацию и вообщем опасный для организма. От этой трудности практически стопроцентно удалось избавиться методом доработки лопастей генераторов.
Меж иным, ремонт ВЭС — тоже сложная задачка. Лопасти и генератор весом в 10-ки и сотки тонн нужно подымать на башню высотой 80 метров — практически 30-этажный дом. Помогают в данном деле особые краны, вначале интегрированные в башни многих современных ветроэнергетических установок. Есть и другие трудности: попадание птиц в лопасти работающих агрегатов, маленькие конфигурации локального климата в районах больших ВЭС, опасность пожара установки от трения деталей, привлекательность башен для молний и, в конце концов, изменение пейзажа. Но невзирая на все это, генераторы продолжают строить. И не только лишь поэтому, что дорожает нефть. Не так издавна для их использования появился новый стимул — Киотский протокол. ВЭС, в отличие от ТЭС, не выбрасывают в атмосферу ни 1-го грамма углекислого газа, а означает, не содействуют «глобальному потеплению». На научном языке это именуется «нулевой эмиссией» парниковых газов. Для развитых стран, которым протокол предписывает сокращать эмиссию, перевод части энергетики на экологически незапятнанные источники, каковыми являются Солнце и ветер, — достойное и комфортное решение.
ВЭС в Рф не необходимы?!
Сейчас в почти всех продвинутых странах приняты особые законы, поддерживающие дело строительства ветрогенераторов. Для компаний, которые решаются вложить средства в это полезное дело, предусмотрены льготное налогообложение и высочайшая стоимость покупки электричества государством, снижена арендная ставка на землю, облегчена процедура подключения к общей энергетической системе. В итоге подавляющее большая часть ВЭС в мире строится сейчас на средства личных инвесторов.
Другое дело в Рф. К огорчению, от былого лидерства нашей страны в использовании энергии ветра не осталось и следа. В перечне 75 государств, в энергосистемы которых входят ВЭС, Наша родина занимает пятидесятое место. На конец прошедшего года общая мощность ВЭС в стране исчислялась 16,5 МВт. Это в 1350 раз меньше, чем в Германии, в 5,5 раза меньше, чем на Украине (89 МВт) и даже в 2 раза меньше мощностей миниатюрного страны Люксембург (35,3 МВт), по площади сопоставимого с городским округом Сочи. Следом за Россией в этом перечне обозначены Кооперативная Республика Гайана (13,5 МВт) и заокеанская территория Нидерландов в Карибском море — Кюрасао (12 МВт). Еще годом ранее мы занимали 49-ю строку, но в прошедшем году Россию обошла Республика Чили, запустившая 18-мегаваттную ВЭС.
Это тем паче грустно, что экономический потенциал у русской ветроэнергетики громаден. По подсчетам профессионалов, он составляет 260 млрд киловатт-часов в год, другими словами практически третья часть производства электроэнергии, вырабатываемой всеми электрическими станциями страны. Наикрупнейшая в Рф Куликовская ВЭС в Калининградской области была запущена в 2002 году. Ее мощность сейчас составляет 5,1 МВт, за год она выдает в среднем 6 миллионов киловатт-часов электроэнергии. Не считая того, работают Анадырская ВЭС (2,5 МВт), ВЭС у деревни Тюпкильды (Башкортостан, 2,2 МВт) и несколько маленьких электрических станций мощностью до 1,5 МВт.
Существует и специально принятая «Программа развития ветроэнергетики РАО ЕЭС России», проработаны и приняты программки строительства больших ВЭС. Некие из их даже начали строить. В 20 километрах от Элисты заложена площадка Калмыцкой ВЭС с планируемой мощностью 22 МВт, есть проекты Ленинградской ВЭС (75 МВт), Морской ВЭС (Карелия, 30 МВт), Приморской ВЭС (30 МВт), Магаданской ВЭС (30 МВт), Чуйской ВЭС (Алтай, 24 МВт), Усть-Камчатской ВДЭС (16 МВт) и т.д.. В 2005 году вместе с датской компанией Ramboll и Датским энергетическим управлением было начато строительство Морского ветропарка мощностью 50 МВт в Калининградской области. В планах была установка на морском побережье 25 мачт высотой по 60 метров с 2-мегаваттными ветрогенераторами. Но в прошедшем году реализация этих проектов была приостановлена из-за отсутствия гос поддержки. По нашим законам экологически незапятнанные ВЭС ничем не отличаются от ТЭС либо АЭС. Они облагаются теми же налогами, их совершенно не просто встроить в общую энергосистему, а хозяева должны сами обустраивать инфраструктуру, подводить ЛЭП, оборудовать подъездные пути и прочее. В итоге ВЭС в Рф употребляется недостаточно отлично (пример тому Куликовская ВЭС со средней энергоотдачей 13% от установленной мощности), и, как следствие, ветровой киловатт-час обходится в полтора раза дороже атомного. А раз так, то лучше пустить средства на строительство АЭС. Что у нас пока и делают.
Тягач доставляет лопасти крыльчатого ветряка для ВЭС в округах индийского городка Читрадурга. Фото: SPL/EAST NEWS
Ветры перемен
Вышеперечисленные русские проекты пока не закрыты, и их сторонники еще не отказались от собственных планов — и спонсоры, и разработчики ожидают принятия русскими законодателями «Закона о малой энергетике». А на Западе тем временем вводят новые мощности и делают новые конструкции.
По прогнозам WWEA, общие мощности мировой ветроэнергетики к 2010 году возрастут до 170 ГВт, другими словами практически в два раза по сопоставлению с 2007 годом. К этому времени Англия планирует выстроить 2000 ветряных ферм и довести долю ветровой энергии в собственном балансе до 10%. США намереваются за тот же период прирастить свои ветровые мощности в 5 раз.
В мае 2005 года климатологи Кристина Арчер и Марк Джекобсон из Института Стэнфорда составили глобальную планетную карту ветров на высоте 80 метров. По словам ученых, энергия ветров планетки более чем в 100 раз превосходит энергию ее рек. Пользуясь новейшей картой, современные ветроэнергетики могут сейчас выбирать самые ветреные участки для строительства собственных установок. В Рф более перспективны в этом смысле районы Обской губки, Кольского полуострова, прибрежная полоса Далекого Востока. Средняя скорость ветра тут держится на уровне 11—12 м/с. Есть у нас и поболее ветреные места. К примеру, на островах, расположенных рядом с Владивостоком, на высоте 150 метров скорость ветра никогда не опускается ниже 11 м/с. А ведь 150 метров — это 50-метровая башня на 100-метровом холмике.
Но ветряк можно поднять и выше. При этом для этого совсем не непременно строить огромные башни. Компания Magenn Power, к примеру, планирует для этого просто скрестить карусельный ветряк с дирижаблем. Другими словами использовать в качестве оси вращения ротора заполненный гелием аэростат. Предложенная конструкция, получившая рабочее заглавие MARS (Magenn Power Air Rotor System), подымается на высоту около 300 метров, где средняя скорость ветра может доходить до 20 м/с, и там уже крутится, передавая вырабатываемый ток по кабелю на землю. У таковой конструкции есть целый ряд преимуществ. Она фактически не занимает места на земле, мобильна, ну и шума от нее особенного нет. Компания планирует выстроить 1-ый гелиевый ветряк к концу следующего года. Заказы на воздушные генераторы уже принимаются. Мощность их будет пока маленький, от 10 до 25 кВт, чего, вобщем, с лихвой должно хватить, к примеру, для полного энергоснабжения средних размеров коттеджа. Приблизительная цена — от 3 до 5 тыщ баксов за кв мощности.
Да и 300 метров над землей для ветрогенераторов — далековато не предел. Доктор Брайан Робертс из Сиднейского технологического института и южноамериканская компания Sky WindPower предлагают поднять их еще выше — на 4,5 километра. Установка FEG (Flying Electric Generators) снаружи припоминает вертолет с 4-мя несущими винтами. Для полета она употребляет принцип воздушного змея, рабочую поверхность которого как раз и составляют эти четыре винта, они же — роторы ветрогенераторов. По расчетам, цена производимого FEG электричества не превзойдет 2 центов за киловатт-час. Уменьшенная модель аппарата уже прошла удачные тесты, и на данный момент разработчики отыскивают инвестора, готового заплатить 3 миллиона баксов за 1-ый промышленный экземпляр. Что именуется, кинуть средства на ветер. В самом прямом и удачном смысле.
Валерий Чумаков
ужс я даже не могу представить как это больно 