Ветроэнергетика

Из различных альтернативных технологий производства энергии, наилучшие перспективы в среднесрочном плане просматриваются у ветроэнергетических систем. На протяжении большей части прошлого столетия их использовали, главным образом, в отдаленных районах, не подключенных к центральной сети энергоснабжения. Ситуация резко изменилась в начале 70-тых, когда разразился "энергетический кризис" и цены на нефть буквально взлетели. Именно в те времена отношение к ветряным электростанциям радикально изменилось - их стали воспринимать как серьезный источник энергии. Это создало стимул для развития технологий, появились новые конструкции ветряных турбин, и самое главное - снизилась стоимость их производства. Дополнительную мотивацию для дальнейшего развития отрасли обеспечили власти Калифорнии - в этом штате была введена льготная система налогообложения. В настоящее время суммарная мощность всех ветряных электростанций в мире составляет уже около 25 ГВт. Большая их часть расположена в Калифорнии и в Дании. В Канаде их использование по-прежнему сосредоточено в отдаленных районах, однако на юге Альберты уже начинается реализация проектов строительства ветряных электростанций, которые будут включены в общую сеть поставок электроэнергии.

Прогресс в сфере технологий обеспечивает быстрое снижение стоимости таких систем - одновременно увеличивается и их надежность в эксплуатации. Средняя стоимость энергии, генерируемой ветряными турбинами, уменьшилась с 15-20 цент/кВт-ч в 80-тых до 7-9 цент/кВт-ч в настоящее время. Это уже сопоставимо с уровнем затрат электростанций, использующих ископаемое топливо, и дешевле, чем производство энергии западными атомными электростанциями. Такого резкого снижения затрат удалось добиться, главным образом, за счет увеличения надежности ветряных турбин - современные установки можно эксплуатировать 95-98% времени.

В современных турбинах используются два типа конструкции - на горизонтальной или вертикальной осях. Несмотря на различную форму, основные механизмы этих двух систем не имеют различий принципиального характера. Кинетическая энергия ветра передается лопастям турбин, а затем через трансмиссию - электрическому генератору. Трансмиссия нужна для того, чтобы обеспечить наиболее эффективное функционирование генератора во всем диапазоне изменения скорости ветра. В соответствии с новейшими тенденциями, оптимальной считается классическая датская концепция - конструкция с тремя лопастями и ротором, размещенным с той стороны башни, откуда дует ветер. Перемещение системы в нужное положение при изменении направления ветра осуществляется электродвигателями.

Размеры современных турбин варьируются в широком диапазоне: от небольших - мощностью 100 Вт, предназначенных для энергоснабжения отдельных жилых домов или коттеджей, до огромных установок с диаметром лопастей до 50 м, способных генерировать более 1МВт электроэнергии. В настоящее время промышленность преимущественно выпускает турбины, установленные на горизонтальных осях, с тремя лопастями диаметром 15-30 м. Мощность таких турбин составляет 50-350 кВт; их часто группируют в "ветряные фермы", поставляющие энергию в централизованную сеть. В Канаде, где имеются обширные территории с весьма умеренной скоростью ветра, предпочитают использовать турбины на вертикальных осях - при слабых ветрах они функционируют эффективнее.
Для эффективного функционирования турбин огромное значение имеет место их размещения. В общем случае, скорость ветра увеличивается с высотой. Поэтому большую часть турбин располагают на вышках, хотя их высота обычно не превышает 30 м - из-за ограничений, которые связаны с прочностью доступных материалов. На ветряных электростанциях турбины обычно располагают друг от друга на расстоянии 5-15 диаметров лопастей. Эта дистанция необходима, чтобы избежать воздействия турбулентности, возникающей при прохождении ветра через каждую из турбин, на функционирование остальных.

В настоящее время ветряные электростанции интенсивно используются в четырех основных сферах:

* Энергоснабжение в отдаленных районах, в которых маленькие ветряные установки часто оказываются самыми недорогими источниками энергии. Турбины для этих систем имеют весьма простую конструкцию и могут долгое время функционировать без человеческого вмешательства даже в суровых климатических условиях. Обычно их применяют для поддержки телекоммуникаций, энергоснабжения жителей сельской местности и на водонасосных станциях. В отдаленных районах более чем 70 стран установлены маленькие ветряные турбины американского производства.

* Централизованная сеть местного уровня, где ее функции состоят в обеспечении энергией расположенных поблизости жилых домов, ферм и предприятий. Поскольку в среднем ветряная турбина генерирует электричество только 25-30% времени, это важный источник энергии в регионах, где ветры зависят от сезона или где системы хранения энергии экономически нецелесообразно подключать к коммунальной сети.

* Энергоснабжение в регионах, где ветряные электростанции могут представлять важный источник энергии для централизованной сети. Например, на холмах Южной Калифорнии установлены тысячи таких турбин.

* Гибридные системы. В отдаленных районах ветряные электростанции часто включают в дополнительные системы генерирования энергии - дизельные генераторы и солнечные батареи. Такие гибридные системы обеспечивают повышенную надежность энергоснабжения и эксплуатационную гибкость.

* По оценкам промышленных экспертов, многие страны, включая США, Великобританию и Данию, легко могли бы обеспечивать 20-40% своих потребностей в электроэнергии за счет ветряных турбин. По мнению аналитиков, в течение ближайших нескольких лет суммарная по миру мощность ветряных электростанций будет увеличиваться со скоростью 20-25% в год. Этот рост будет происходить за счет реализации новых проектов. Перспективы рынка альтернативных источников этого типа становятся настолько привлекательными, что даже крупнейший в мире производитель газовых турбин - группа General Electric - приняла решение расширить свою деятельность в этом направлении. Недавно группа приобрела у обанкротившейся Enron ее дочернюю фирму, которая специализируется на производстве оборудования для ветряных электростанций. Эта компания занимает четвертое место в мире по объему производства ветряных турбин.