Нетрадиционные источники энергии - Превращение энергии ветра в электроэнергию

Основным условием превращения ветра в универсальный источник энергии является его использование для производства электроэнергии. Начиная с 70-х годов интерес к ветряным генераторам вновь возрос. Вполне возможно, что к концу XX в. малогабаритные ветряные турбины станут частью сельского пейзажа. Ветряные турбины, возможно, станут первым в своем роде видом оборудования, позволяющим производить значительную часть требуемой электроэнергии на местах.
Малогабаритные ветряные турбины весьма разнообразны по форме и размерам; они, как правило, выпускаются с мощностью от 1 до 15 кВт и диаметром лопастей менее 12 м. Жители обычного дома, расположенного в местности со средней скоростью ветра, превышающей 5,5 м/с, успешно удовлетворяют большинство своих потребностей в электроэнергии с помощью ветряной турбины мощностью от 3 до 5 кВт.
Несмотря на то, что в последние годы процесс усовершенствования малогабаритных турбин ускорился, все же большая часть имеющегося ассортимента мало отличается от более ранних прототипов. За редким исключением, это горизонтально-осевые турбины, снабженные 2—4 тонкими лопастями пропеллерного типа, вращающимися с переменной скоростью в зависимости от силы ветра. Большинство турбин ориентированы против ветра, хвостовик монтируется позади ротора. Некоторые модели ориентируются по ветру, при этом устраняется необходимость в хвостовике, но может возникнуть проблема турбулентности (неупорядоченные, вихревые движения ветра), поскольку ветер входит в соприкосновение с башней (опорой) до контакта с лопастями. Основными материалами для лопастей являются металл, дерево и стекловолокно.
До начала 70-х годов большинство малогабаритных ветряных турбин использовалось в отдаленных и труднодоступных для электрификации районах. Установки такого типа были небольшими по размеру, прочными, вырабатывали постоянный ток, который аккумулировался в батареях для использования в период безветрия. В настоящее время в мире функционирует около 20 тыс. турбин такого типа. Их можно увидеть на отдаленных постах пожарной охраны, аэродромах, затерянных ранчо в Австралии, буях у побережья Чили, вблизи высокогорных швейцарских коттеджей. Предприятия, производящие этот вид турбин, можно найти в Австралии, Дании, Нидерландах, Швеции, США и т. д.
Спрос на турбины продолжает расти, особенно в развивающихся странах с неполной электрификацией. В тех местах, где потребности в электроэнергии невелики, использование ветряных турбин обходится дешевле дизельных электродвигателей, но значительно дороже, чем стоимость энергии в странах с централизованной системой подачи электроэнергии. Эти установки производятся в ограниченном количестве, их энергию необходимо хранить в батареях, а это обходится дорого.
В последние годы разработана система, которая может использоваться в сочетании с традиционными энергоустановками. Вместо выработки постоянного тока эти ветряные турбины нового типа подсоединяются к генератору переменного тока характерному для большинства электросетей. Другие установки для той же цели используют синхронный преобразователь. Этот принцип позволяет использовать центральные электросети наряду с ветряными электроэнергетическими установками. Электроэнергия в батареях не хранится, а при отсутствии ветра используется центральная электросеть. При достаточной же силе ветра и малой потребности избыточная электроэнергия возвращается в электросеть. Владелец ветроэнергетической установки становится как бы производителем электроэнергии, а электросеть служит в качестве батареи для хранения электроэнергии.
Малогабаритные вертикально-осевые ветряные двигатели, несколько напоминающие по своей форме карусель, выпускаются одной английской фирмой и одной американской компанией. Распространены парусообразные турбины. Они снабжены двумя закругленными лопастями, выполненными из проволоки и ткани. Их считают перспективными. Испытываются и другие конструкции.
Использование ветряных турбин для подогрева воды с целью отопления представляет собой еще одну весьма перспективную идею, которой до сих пор уделялось недостаточно внимания. Недавно разработанные устройства, получившие название тепловых мешалок, непосредственно используют механическую энергию для подогрева воды. Они дешевле электрогенератора и хорошо функционируют в комплексе с вращающейся ветряной турбиной. Исследования показали, что в районах с интенсивным ветром подобные устройства дешевле электроотопления. Выгодно использовать их в Канаде и Северной Европе, где зимой наблюдаются сильные ветры, а система отопления является одним из основных потребителей энергии.
Хотя сам ветер может показаться, по сути, децентрализованным источником энергии, крупные централизованные ветроэнергетические системы смогут вырабатывать значительное количество энергии в грядущих десятилетиях. С начала 70-х годов инженеры в различных странах работают над созданием крупных ветряных турбин сложной конструкции. К концу нашего века целые комплексы, состоящие из 50 или более крупных ветряных турбин и называемые «ветряными фермами», возможно станут привычным зрелищем в некоторых районах мира.
Существует несколько причин, обусловливающих перспективность «ветряных ферм». Малогабаритные ветряные турбины, хотя и способны успешно функционировать в некоторых районах, оказываются малоэкономичными в других. Близлежащие холмы, деревья и иные препятствия значительно снижают их эффективность. Даже наиболее активные приверженцы малогабаритных турбин признают, что они никогда не будут устанавливаться, например, на крышах большинства домов в крупных городах и их пригородах.  Ветер в таких местах зачастую недостаточно силен, а стоимость строительства высоких опор для его захвата слишком велика. И все же города и их пригороды могли бы получать электроэнергию с помощью комплекса крупных ветряных турбин, смонтированных на близлежащем горном хребте или другом открытом месте, где сила ветра достаточно велика. Ветряные фермы, быть может, — единственное средство полного освоения энергетического потенциала таких районов.
Технология производства крупных турбин сходна с аэрокосмической. Требуется тщательный технологический расчет. Лопасти турбин, как правило, должны иметь такую же длину, как крылья больших самолетов; их работой должны управлять ЭВМ. Напряжение на лопастях достигает громадных величин, поэтому необходима их прочность, способная противостоять наибольшей интенсивности ветра.
Крупногабаритный ветряной двигатель представляет собой установку мощностью 100 кВт и более. В настоящее время в трех странах (СССР, США и Канаде) разрабатываются несколько вариантов многомегаваттных ветряных двигателей, а также целый ряд установок мощностью от 200 до 1000 кВт. Ветряной двигатель мощностью 1 мВт способен обеспечить электроэнергией жителей около 400 девятиэтажных домов (10 тыс. жителей). Чтобы достичь мощности крупной, действующей ныне ТЭЦ, потребовалось бы 250 ветряных турбин мощностью 4000 кВт каждая.
Установки имеют различные размеры и сочетают разнообразные технологии изготовления в зависимости от местных условий и конструктивных особенностей.
Несмотря на то, что горизонтально-осевая конструкция является превалирующей, другой тип конструкции также заслуживает внимания. Разработан вертикальноосевой вариант, названный ветряной турбиной Дарриэуса. Установка снабжена двумя-тремя изогнутыми алюминиевыми лопастями, вращающимися вокруг вертикального вала, соединенного трансмиссией с генератором на земле. Данная конструкция отлично функционирует в районах с высокой интенсивностью ветра, и одно из ее преимуществ заключается в том, что ротор не нужно поворачивать по направлению ветра. Недостатком конструкции является низкое по отношению к земле расположение лопастей, что приводит к несколько заниженной утилизации ветра. Лопасти должны выдерживать постоянно меняющуюся нагрузку потока ветра.
Технология производства крупногабаритных ветряных турбин все еще находится в начальной стадии. Необходимо решить целый ряд технических проблем, поскольку ни одна конструкция не прошла долгосрочного апробирования. Специалисты все еще дискутируют о требуемом количестве лопастей, вариантах трансмиссий, о том, должны ли быть опоры гибкими или жесткими. Весьма важен вопрос об используемых при создании двигателей материалах, здесь на первом месте выступают надежность и экономичность. В настоящее время лопасти изготавливаются из стали, фанеры, стекловолокна или их сочетаний. Их стоимость составляет значительную долю общей стоимости установки.
Крупномасштабность проводимых в области строительства ветряных двигателей исследований является обнадеживающим фактором. Установки различной конструкции одновременно разрабатываются во многих странах, и временные неудачи никого не останавливают. Стимулирование развития этих исследований зависит от интенсивности обмена информацией и сравнений конструктивных особенностей двигателей.
Второе поколение ветряных двигателей сможет эффективно функционировать в районах со средней скоростью ветра, не превышающей 6 м/с. Это расширит круг районов, где возможна будет установка турбин. В некоторых странах мира количество мест, пригодных для установки «ветряных ферм», ограничено. Поэтому целесообразно устанавливать максимальное количество турбин на специально выбранных для этой цели площадках. Предварительные исследования в этой области были проведены в некоторых западноевропейских странах и СССР. Так, в Советском Союзе уже найдены исключительно благоприятно расположенные площадки для установки «ветряных ферм» в районе Баренцева моря и некоторых других местах.
Установка турбин в море является одним из целесообразных вариантов для прибрежных стран. Техническая осуществимость этого варианта изучалась в Великобритании. Район Северного моря имеет мелководный континентальный шельф. Средняя скорость ветра здесь достигает 9 м/с. Можно поставить плавучие платформы наподобие морских буровых и проложить подводный силовой кабель к релейной подстанции на берегу. Для Великобритании ветер Северного моря возможно станет в будущем соперником нефти, добываемой из моря. Кроме того, комплексы ветряных турбин имеют то преимущество, что могут быть созданы быстрее, чем обычная электростанция.
В конце 1985 г. состоялась встреча монгольских и советских специалистов в области практического использования ветровой энергии. На встрече были рассмотрены пути реализации совместно намеченной программы работ. Среднегодовая скорость ветра на большей части территории МНР составляет от 3 до 5 м/с, а в зоне Гоби превышает 5 м/с. В стране можно эффективно использовать небольшие ветряные двигатели и таким образом полностью обеспечить электроэнергией стойбища кочевников- животноводов. Эксперимент осуществлен в Южно-Гобийском аймаке. В 20 районах здесь установлены ветряные агрегаты, с помощью которых добывают воду из колодцев, подогревают ее, приводят в действие бытовую технику, освещают юрты. Во время работы двигателей часть энергии идет на зарядку аккумуляторов, которые включаются в безветренную погоду. Накопленный опыт будет широко применен и в других районах страны.
В ЧССР вскоре начнется серийное производство ветряных электростанций мощностью 100 Вт. От каждой такой установки будет заряжаться 12-вольтовая батарея, с которой ежегодно будут получать примерно 100 кВт-ч электроэнергии. Метеорологические условия для этого в Чехословакии достаточно благоприятные. Так, в Праге и Брно бывает только 50 безветренных дней за год, в Татрах — 25, в Северной Моравии — 21. Особенно необходимы новые агрегаты для труднодоступных районов.
Все шире в мировой практике используется установка вспомогательных парусов на судах торгового флота. В Японии, например, такие паруса установлены уже на восьми судах грузоподъемностью 600 т и более, планируется оснастить ими еще несколько кораблей, в том числе грузоподъемностью до 80 000 т. Намечается построить флот парусных судов-автоматов, караваны которых будут управляться с береговых станций и плавучих баз.