Энергия ветра может быть вначале преобразована в различные формы механического движения (вращение, поступательное или колебательное движение). Механическая энергия может быть использована для перекачивания жидкости, преобразования в тепловую или электрическую энергию или накапливания запасов топлива. В некоторых наиболее эффективных случаях накопленная энергия может быть использована без дальнейших преобразований. При необходимости для аккумулирования энергии можно использовать сжатие воздуха, гидравлические насосные установки, аккумуляторные батареи, процесс электролиза водорода, инерционные аккумуляторы, нагрев воды и др. (рис. 1).
Рис. 1. Использование энергии ветра.
Перекачивание воды и сжатие воздуха
Обычно для ветронасосной установки используется ветродвигатель с горизонтальной осью вращения. Примером его может служить старинный двигатель с парусными лопастями, который все еще используется для целей ирригации в долине Ласити на о. Крит (Греция), где их так много, что часто ее называют Долиной десяти тысяч ветряных мельниц. Большое число ветронасосных агрегатов использовалось на американских фермах.
Более современная высоконапорная ветронасосная система разработана для целей ирригации в Канаде научно-исследовательским институтом Brace Research Institute. В ряде случаев вода подается
в водопроводную систему или водохранилище. В водопроводных системах ветронасосные установки большой мощности могут подавать воду из основного резервуара во вспомогательный, расположенный в другой части системы. Это можно осуществить или путем: непосредственного механического привода насосов, или же с помощью ВЭУ, приводящих в действие насосы, подключенные к водопроводной системе.
На гидростанциях ветронасосные установки могут использоваться для перекачивания воды из вспомогательного водохранилища, расположенного ниже плотины станции, в главное водохранилище, находящееся выше плотины. Это дает возможность пополнять запас воды в нем при наличии ветра и, тем самыми увеличивать базовую мощность гидроэнергетической системы.
Энергия ветра может использоваться также на сжатие воздуха для различных целей, в том числе для работы газовой турбины для производства электрической энергии в периоды пиковых нагрузок энергосистемы. При такой схеме газовые турбины обычного типа могут быть модифицированы для соединения компрессора, генератора и многоступенчатой турбины с помощью муфты (рис. 2). В рассматриваемом случае двигатель-генератор, который работает как двигатель, получающий энергию от ветродвигателя, вращает воздушный компрессор. Сжатый воздух подается в аккумулирующий резервуар или подземное хранилище большой емкости или очищает скважины природного газа, при этом сама турбина отсоединяется и топливо на ее работу не расходуется.
Рис. 2. Ветрогазотурбинное устройство.
1 — компрессор; 2 — привод от ветродвигателя; 3 — муфта; 4 — электрический генератор; 5 — турбина; Б — форсунка; 7 — клапан регулирования расхода воздуха.
В другом режиме работы, когда мощность, требуемая для обеспечения основной нагрузки, подается от общей системы, компрессор отключается, а турбина соединяется с генератором. Топливо подается к форсунке, вращающей турбину, и сжатый воздух поступает в аккумулирующую емкость.
При адиабатическом сжатии воздуха, т. е. без потерь теплоты, его температура увеличивается. Если воздух аккумулировать в изолированных высокотемпературных контейнерах, то он хорошо сохраняет теплоту (так называемое адиабатическое аккумулирование). Если воздух используется для вращения турбины с заданной эффективностью, то к нему необходимо подводить меньшее количество теплоты, чем при нагреве без применения аккумулирующего контейнера и снижении температуры до температуры окружающей среды (так называемое изотермическое аккумулирование). Адиабатическое аккумулирование лучше изотермического в отношении сохранения энергии. Тепловой насос, приводимый в действие ветродвигателем, может быть использован также для отопления в целях экономии топлива и электроэнергии.
Выработка теплоты
Механическая энергия, получаемая за счет кинетической энергии ветра, может быть использована для получения теплоты путем трения твердых материалов, вихревого движения больших масс воды или других жидкостей или при использовании центробежных насосов. Эту теплоту можно затем аккумулировать в материалах с большой теплоемкостью, подобных камню, соли и т. п. Ее можно; также непосредственно использовать для отопления, в технологических процессах, для сушки сельскохозяйственных культур и т. п.
Производство электрической энергии
Энергия ветра может быть использована для вращения синхронного генератора переменного тока; получаемая электрическая энергия непосредственно подается в сеть энергосистемы через повышающий трансформатор. В других случаях энергия ветра используется для выработки электрической энергии в виде постоянного тока и в нагревательных или отопительных приборах постоянного тока, например реостатных, или она аккумулируется в батареях и потом преобразовывается при использовании нагрузки, работающей на переменном токе.
В этих случаях энергию можно аккумулировать в механической энергии вращающегося маховика или в виде газов — водорода и кислорода, полученных при электролитическом разложении воды. Газы можно аккумулировать в сжиженном виде в резервуарах или в газообразном в резервуарах или подземных хранилищах, оставшихся от использованных скважин природного газа, и т. п. (рис. 3).
Рис. 3. Варианты преобразования и аккумулирования энергии.
Водород можно непосредственно использовать в качестве топлива в системах отопления и промышленных процессах, преобразовывать в электрическую энергию при использовании емкостей для хранения топлива и газотурбинных генераторов, работающих на водороде, или другими способами.
Комбинированные ветроэнергетические системы
Представляется, что важное значение имеет использование энергии ветра совместно с другими источниками энергии, в частности традиционным топливом, энергией солнечного излучения, энергией, получаемой за счет разности температур в океане, биологическим преобразованием топлива и т. п.
Так как в большинстве мест ветер дует с перерывами, то для непрерывного получения энергии от автономно работающей установки необходимо аккумулировать ее на длительные периоды — 10 дней и более. Стоимость необходимого аккумулирующего устройства может быть снижена при комбинированном использовании энергии ветра с другими источниками энергии.
Например, в большинстве мест ветер часто дует в то время, когда не светит солнце, и наоборот, поэтому комбинированные системы с гелиоустройствами для преобразования энергии ветра и солнца, например фотоэлектрическими или термическими, потребуют меньшие емкости аккумулирующих устройств, чем системы, которые используют только один из этих типов приемников энергии.
Так как скорость ветра в данный момент времени может значительно изменяться на больших площадях, то большое число размещенных на них ВЭУ, работающих на общую сеть, также могут быть использованы для уменьшения емкости аккумуляторов при Данной базисной нагрузке энергосистемы.
