Энергия ветра – это кинетическая энергия движущегося воздуха. Ветер, обладающий энергией, появляется из-за неравномерного нагрева атмосферы солнцем, неровностей поверхности земли и вращения Земли. Использование энергии ветра – одно из перспективных направлений современной энергетики. Ветроэнергетика в мире становится всё более востребованной, над развитием этой отрасли работают учёные различных специальностей.

Ветроэнергетика – отрасль энергетики, которая специализируется на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в энергию любой формы (электрическая, механическая, тепловая и др.), удобной для использования в народном хозяйстве.

Использование ветровой энергии осуществляется с помощью ветроэнергетических установок. Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) – это комплекс технических устройств, предназначенных для преобразования кинетической энергии ветрового потока в какой-либо другой вид энергии. ВЭУ состоит из следующих элементов:

- ветроагрегат (ветродвигатель в комплекте с одной или несколькими рабочим машинами);

- устройства, которые аккумулируют энергию или резервируют мощность;

- дублирующий двигатель;

- системы автоматического управления и регулирования режимов работы установки [45].

Ветродвигатель – двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии.

Несколько ВЭУ объединенные в единую сеть представляют собой ветровую электростанцию (ВЭС). Крупные ВЭС могут состоять из сотен ветрогенераторов. Такие станции вырабатывают энергию достаточную для питания населенных пунктов (поселка, города и т.п.). Тогда как более мелкие ВЭС обеспечивают электричеством небольшие жилые массивы и отдельные дома.

В зависимости от особенностей конструкции ВЭС делятся следующие типы:

- роторные (рисунок 4 а);

- крыльчатые (рисунок 4 б).

а – роторная;

б – крыльчатая.

Рисунок 4 – Типы ВЭС

Роторные станции, как правило, имеют устройства с вертикальной осью вращения. Они во многом удобнее, чем крыльчатые т.к. при работе не создают сильный шум, а также не требуют установки по направлению ветра. Однако роторные конструкции менее эффективны и могут использоваться для энергоснабжения небольших частных станций.

Наибольшее распространение в мире получили крыльчатые ВЭС. Они имеют большую эффективность и способны производить достаточно больгое количество электроэнергии, чтобы обеспечить ее потребителей в масштабах целой энергетической отрасли. Несмотря на то, что крыльчатые станции используют получаемую энергию во много раз эффективнее, чем роторные образцы, они нуждаются в правильном ориентировании по отношению к потоку ветра, что означает присутствие дополнительного оборудования.

Оба типа ВЭС работают по одному принципу – поток ветра раскручивает подвижный элемент, передающий вращение на генератор, в результате в системе образуется электроток. С помощью электротока заряжаются аккумуляторы, от которых питаются инверторы, преобразующие полученный ток в стандартное напряжение и частоту, подходящие для приборов потребления.

Развитие ветроэнергетики.

Первое упоминание о создании ветроэнергетической установки (ВЭУ) для получения электрической энергии относится к 1887 году. Она была разработана Джеймсом Блайтом в Шотландии и обеспечивала зарядку аккумуляторных батарей, используемых в домохозяйстве. Первая автоматизированная ВЭУ для производства электроэнергии мощностью 12 кВт была создана Чарльзом Брашем в 1888 году в США в Кливленде, Огайо (рисунок 5). ВЭУ использовалась для подзарядки аккумуляторных батарей, а также для питания осветительных ламп и различных двигателей в лаборатории Браша [46].

Рисунок 5 – ВЭУ Чарльза Браша

Построена же первая ветроэлектростанция была в Дании в 1890 году. К 1908 году в мире насчитывалось порядка 72 станций, мощность которых варьировалась от 5 до 25 кВт. В те года высота башен ветрогенераторов достигала 24 метров, а максимальный диаметр четырехлопастных роторов составлял 23 метра.

Предшественница современных ветряных электростанций с горизонтальной осью появилась в 1931 году недалеко от Ялты. Данная ВЭУ с мощностью 100 кВт и 30 метровой башней была настоящим гигантом своего времени (рисунок 6) [47].

Рисунок 6 – ВЭУ Ялты (1931 г.)

В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги.

Как и в случае с солнечной энергетикой интерес к ветряной энергетике резко возрос после нефтяного кризиса 1973 года. Дело в том, что кризис продемонстрировал сильную зависимость многих стран от импорта нефти. Обеспокоенность развитых стран побудило их искать варианты снижения от подобной зависимости. Так в середине 1970-х в Дании начались испытания предшественников современных ветрогенераторов. В штате США и была осуществлена одна из первых программ стимулирования ветроэнергетики, в рамках которой предоставлялись налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра [48].

Динамику развития ветроэнергетики можно проследить на диаграмме ниже [44].

Рисунок 7 – Тенденция мощности ветроэнергетики с 2010 по 2019 год

Таким образом, ветроэнергетика – одна из самых быстроразвивающихся отраслей электроэнергетики. Суммарная установленная мощность всех ВЭУ в 2019 году в мире достигла 622,704 ГВт, что обеспечивает 6% от мирового электропотребления, и составляет 25% от общей мощности возобновляемой энергетики. В частности, в Дании, ВЭУ производят более 43% потребляемой электроэнергии.

Бурное развитие ветроэнергетики в некоторых стран, обусловлена рядом преимуществ, которыми обладает данная отрасль:

1) Ветер – возобновляемый источник энергии. Энергия ветров относится к возобновляемым видам энергии, т.к. она является результатом активности Солнца.

2) Отсутствие вредных выбросов. При работе ветряных электростанций не наблюдается поступлений загрязняющих веществ в атмосферный воздух, в частности главного парникового газа – диоксида углерода. Кроме того в процессе функционирования ВЭС не образуются производственные отходы.

3) Отсутствует нагрузка на водные ресурсы. В отличие от электростанций, работающих на традиционных видах топлива, ВЭС не используют воду.

4) ВЭС занимает относительно малую земельную площадь. Основные рабочие части ветрогенераторов расположены на высоте. Мачта, на которой установлена ветряная турбина, занимает небольшую площадь земельного участка (1% от всей территории ветряной фермы), поэтому окружающее пространство (примерно 99% территории) может быть использовано для хозяйственных нужд и строительства различных зданий и сооружений.

5) ВЭС может обеспечить электричеством населенные пункты, отдаленные от линий электропередач и других изолированные территории, где возможно лишь автономное электроснабжение.

6) Относительно низкая стоимость электроэнергии. После введения в эксплуатацию ВЭС, стоимость киловатт-часа генерируемой электроэнергии значительно снижается. Стоимость одного киловатта электроэнергии производимого ветрогенераторами сильно зависит от скорости ветра. Например, в США при скорости ветра 7,16 м/с один кВт*ч будет стоить 4,8 цента, а при скорости 9,32 м/с стоимость снижается до 2,6 цента за кВт*ч. Для сравнения себестоимость электричества, которое производит электростанция работающая на угле варьирует в районе 9-30 цента за один кВТ*ч. Но, подобные цены присущи не всем регионам, не редки случаи когда стоимость электричества от ВЭС значительно выше стоимости электричества, полученного на станциях, где используют ископаемое топливо. В вопросах себестоимости ВЭС важная роль отводится политике государства. Так в Германии с 2007 года сетевые компании платили владельцам ВЭС 0,0836 евро за киловатт-час электроэнергии в первые пять лет эксплуатации ВЭС. Данный тариф с каждым годом снижается на 2 %.

7) ВЭС требует минимальное техническое обслуживание в процессе эксплуатации.

Наряду с достоинствами, ветроэнергетике присуще следующие недостатки:

1) Нестабильность. Работа ВЭС сильно зависит от скорости ветра (таблица 1) [49].

 Таблица 1 – Сила ветра по шкале Бофорта и ее влияние на ветроустановки и условия их работы.

 Из таблицы 1 видно, что для оптимальной работы ВЭС скорость ветра должна быть не ниже 5,8 м/с, а чтобы мощность станции достигла максимального проектного значения – не ниже 14 м/с. Когда скорость ветра выше 17 м/с, происходят сбои в работе ВЭС. Для обеспечения непрерывной подачи электроэнергии потребителю условиях постоянно меняющейся скорости ветра, необходима система хранения электроэнергии значительной емкости и инфраструктура для передачи этой энергии.

2) Высокая стоимость. Для установки ВЭС требуются значительные первоначальные вложения, финансовые средства необходимы для приобретения оборудования, строительства станции и инфраструктуры, привлечения специалистов и т.д. В среднем, стоимость 1 кВт установленной мощности составляет 1000 долларов. Чтобы решить такую проблему, многие опытные специалисты рекомендуют привлекать инвесторов или же воспользоваться банковским кредитованием, тем более что впоследствии ветряные фермы смогут обеспечить постоянные доходы.

3) Шум. Ветряные установки производят аэродинамический шум, который причиняет дискомфорт населению. В некоторых европейских странах действует закон, в соответствии с которым уровень шума, создаваемый ветроэнергетическими установками не должен превышать 45 дБ днем и 35 дБ ночью, а также установки должны быть расположены на расстоянии не менее 300 метров от жилых домов.

4) Существует опасность для птиц и летучих мышей. Бывают редкие случаи попаданию птиц под вращающиеся лопасти. Однако практика показала, что количество пернатых, пострадавших от ВЭС, ничем не отличается от количества тех птиц, которые погибли при контакте с высоковольтными линиями. А вот летучие мыши более уязвимы, поскольку строение их легких, в отличие от строения легких птиц, способствует получению смертельной баротравмы, при попадании млекопитающего в область пониженного давления около края лопасти.

Все эти недостатки затрудняют развитее ветроэнергетики в некоторых регионах. Однако, несмотря на них, ветроэнергетика имеет существенное преимущество в области охраны окружающей среды в сравнении с традиционными источниками энергии. Для наглядности стоит отметить, что работа ветрогенератора мощностью 1 МВт позволяет сэкономить за 20 лет около 29000 тонн угля или 92000 баррелей нефти.