Электростанции ветряные: планирование и типы ветряных электростанций

Как работают ветряные электрогенераторы? Принцип работы

Все ветряные генераторы работают по одному принципу: преобразуют кинетическую энергию воздушного потока во вращательное движение турбины. А затем механическая энергия вращения превращается в электрическую: при движении магнитов ротора внутри статорной обмотки вырабатывается переменный электрический ток. Его характеристики — стандартное напряжение 220 вольт — обеспечивают устройства стабилизации, расположенные внутри турбины или на мачте. Излишки тока накапливаются в аккумуляторных батареях.

Количество генерируемых ветростанций киловатт определят ту нагрузку, на которую можно рассчитывать. В паспорте каждого электроприбора указана его активная мощность. Зная, какие приборы и устройства планируется подключить, можно подсчитать необходимую производительность домашней ветростанции. Полученную цифру стоит увеличить на 30% — не будем забывать о реактивной мощности устройств при включении в сеть, о том, что бывает штиль и порывистый ветер. Для электроснабжения фермы, придорожного кафе, кемпинга необходима станция, которая вырабатывает 2-10 кВт. Небольшая ветроустановка производительностью 1 кВт и более, покроет потребности в электроэнергии загородного дома и дачи. Если же нужно обеспечить электроэнергией насос или время от времени подзаряжать аккумулятор, следует остановиться на самых маленьких моделях мощностью 20-500 Вт.

Классификация

Основными критериями, определяющими типы ветряных установок, являются следующие:

• Различие по количеству лопастей. Быстроходные и малолопастные имеют до 4 лопастей, а 4 и выше относятся к тихоходным многолопастным устройствам. Чем меньше количество лопастей, тем выше обороты двигателя.
• Величина номинальной мощности. Бытовые – до 15 кВт, полупромышленные – от 15 до 100 кВт, промышленные – от 100 кВт до 1 Мвт. Границы между показателями довольно условные, поэтому установки применяются там, где это действительно необходимо.
• Направление оси. В конструкциях используются два типа. В первом случае это горизонтальная ось, расположенная перпендикулярно относительно движения воздуха, напоминающая обычный флюгер. Такие генераторы отличаются более высоким КПД и приемлемой стоимостью. Второй вариант – это вертикальная ось, благодаря которой конструкция генератора становится более компактной. Она не зависит от направления ветра, а ее лопасти изготовлены в виде турбин. Нагрузка на ось значительно снижена, поэтому и мощность таких установок гораздо меньше. В некоторых электростанциях одновременно используется несколько генераторов с различными осями, объединенными в сеть, что позволяет получить высокую мощность на сравнительно небольшой площади.

Существует отдельная классификация ветровых электростанций по месту их расположения. Среди них можно выделить три основных типа:

• Наземные установки, получившие наиболее широкое распространение. Они монтируются на холмах и высотах, а также на специально подготовленных площадках. Строительство ведется с использованием дорогостоящей подъемной техники, поскольку все основные конструкции устанавливаются на большую высоту. Несколько устройств объединяются в общую систему с помощью электрических кабелей.
• Прибрежные ветровые электростанции. Строятся неподалеку от берегов морей и океанов. Работа системы зависит от морского бриза, который создает воздушные потоки с определенной периодичностью. Сам бриз возникает в результате неравномерного нагрева поверхностей водоемов и суши. Днем движение воздуха осуществляется в направлении с воды на сушу, а ночью, наоборот, с побережья к водоему. Таким образом, получение электроэнергии происходит круглосуточно, без каких-либо перерывов.
• Шельфовые ветряные электростанции. Устанавливаются в море далеко от берега, на расстоянии 10-12 км. В этом случае генераторы используют энергию, создаваемую регулярными морскими ветрами. Для установки используются участки морского дна, расположенные на незначительной глубине. Фундамент конструкции представляет собой сваи, забиваемые в грунт на глубину до 30 м. Передача электроэнергии на берег, осуществляется при помощи подводного кабеля.

Альтернативные источники энергии в России

В России в разных регионах интегрируется практическое использования следующих альтернативных источников энергии:

• Солнечная энергия. Самая большая трудность – это законодательное и финансовое обеспечение станций, собирающих солнечную энергию. Наибольший потенциал такого способа получения энергии сосредоточен в южных регионах, а также на севере – в Якутии и Магаданской области.
• Гидроэнергетика. ГЭС после АЭС занимают 2 место по способам производства электроэнергии, и перспективы у этого метода достаточно большие.
• Геотермальная энергетика. Геотермальные ресурсы России в 10 раз богаче, чем залежи нереализованного угля. Самый перспективный край – Камчатка, где на глубине чуть больше 3 км заложен пар температурой 200 градусов. Большим потенциалом также обладает Кавказ и Краснодарский край.
• Биогаз. Активно развивающаяся отрасль энергетики, востребованная в России. Есть даже предприятия, которые начали производство установок.
• Приливная энергетика. Наиболее перспективны города, расположенные на побережье.
• Ветроэнергетика. На территории России ветрогенные установки используются со времен СССР: на территории Калининграда, в заполярье, Башкортостане и Чувашии. Потенциал у этого метода в РФ обширен, поэтому ветроэнергетика активно развивается.

Альтернативные источники энергии – один из вопросов сохранения окружающей среды и ресурсов планеты, который изучается тысячами специалистов. Каждый день ищутся новые решения и разрабатываются методы для получения энергии из ветра, солнца, воды. Но сфера изучена недостаточно и многие задачи только предстоит решить.

Мне нравится1Не нравится

Как добраться и зачем туда ехать

Добраться да Загорской ГАЭС несложно, надо всего лишь проехать по Ярославскому шоссе до Сергиева Посада – это 54 км от МКАД. Доехав до Сергиева Посада, надо свернуть по направлению к Калязино, а от него через 20 км повернуть на Богородское, а дальше в зависимости от предпочтений или в сам поселок, или от заправки налево до водохранилища.

Рыбалка

Половить рыбу можно только в нижнем бассейне ГАЭС. Верхний считается закрытым объектом и находится под постоянной охраной. Рыбаков туда не пускают. Местные говорят, что есть какая-то секретная тропа, позволяющая пробраться к верхнему бассейну, но где она – не уточняют. По слухам в верхнем бассейне огромное количество рыбы.

Важно! Задумав порыбачить на водохранилище, надо уяснить для себя следующее:

1. Сброс воды из верхнего бассейна в нижний производится с 8 часов утра до 6 часов вечера.
2. Подъем воды из нижнего бассейна в верхний начинается в 20.00 и продолжается до 6 часов утра.
3. Уровень колебаний высоты воды в нижнем водоеме составляет до 25 метров вниз или вверх, а у берега до 80 метров.
4. Зимой водохранилище замерзает, и при сбросе или подъеме воды лед прыгает то вверх, то вниз.
5. Статичной рыбалки не получится. Надо постоянно или отодвигаться во время подъема или бежать с удочкой за уходящей водой.

Рыба ловится также в зависимости от режима работы ГАЭС. Иногда можно поймать окуня или щуку, иногда лезет только плотва и лещ. Отлавливали также налимов и пескарей. Имеются и раки.

В 2012 году в поселке Богородское на берегу водохранилища построили зону отдыха. Поначалу рыбаки жаловались на мор рыбы, но впоследствии рыбное поголовье восстановилось.

Поселок Богородский

В сам поселок тоже не грех заглянуть. Можно полюбоваться деревянной церковью и зайти в поселковый музей богородской резьбы и деревянных игрушек – давнего поселкового промысла. Правда, в самом Богородском местных изделий не купить. Их выносят на продажу в наиболее посещаемый туристами объект – Троицко-Сергиев монастырь, где торговцы располагают свои лотки поближе к месту прибытия туристических автобусов.

Особых достопримечательностей ни в Богородском, ни при самой Загорской ГАЭС нет. Зато есть красивая среднерусская природа, хорошая рыбалка, гостеприимные люди и просто новые места. А что еще нужно для хорошего и недорогого отдыха?

Недостатки ветровых электростанций

• Инвестиционные затраты. Ветряные электростанции влекут за собой большие инвестиционные затраты. Однако в настоящее время цены на строительство ветряных электростанций постоянно снижаются благодаря новым достижениям в области технологий.
• Непостоянство. Сила энергии ветра не постоянна, это вызывает колебания в выработке энергии. Ветер не всегда предсказуем, его даже может не быть несколько дней. Это означает, что ветряные турбины не производят одинаковое количество электроэнергии на протяжении всего времени. Иногда это приводит к полному отсутствию электричества.
• Опасность для птиц. Ветряные электростанции неблагоприятно воздействуют на окружающую среду, и на живые организмы. Они имеют мощные движущиеся элементы, которые могут убивать птиц и летучих мышей. Особенно это опасно в периоды миграции птиц. Однако это происходит редко, а также существует правило, которое гласит, что нельзя строить ветряные электростанции на миграционных маршрутах.
• Шум. Ветряные электростанции могут создавать шумы. Они являются источниками постоянных низкочастотных шумов. Эти низкочастотные шумы, создаваемые турбинами (около 40 дБ) и неслышимый инфразвук, могут вызывать у человека усталость.
• Помехи. Некоторые ветряные электростанции с большим диаметром лопастей и высокой скоростью вращения могут вызывать радиолокационные помехи, а также влиять на телевизионный сигнал.
• Влияние на здоровье. Ветряные электростанции имеют негативное влияние на здоровье людей, живущих рядом с ними. Вследствие их влияния у человек может возникнуть так называемый синдром ветряных турбин (проблемы со сном, концентрацией, головные боли и головокружение), поэтому рекомендуется размещать ветряные электростанции на расстоянии не менее 2,5 — 3 км от жилых зданий;
• Затраты на размещении. Одно из наиболее подходящих мест для размещения ветряных электростанций это недалеко от берега. Но земля у побережья, как известно, обычно очень дорогая.
• Нуждаются в поддержке. Ветряные электростанции производят электроэнергию около 30% времени и должны поддерживаться электростанциями, работающими например, на угле, которые в свою очередь продуцируют вредные выбросы.
• Снижение стоимости земли и недвижимости. Исследования показали, что стоимость недвижимости, расположенной в радиусе 1,6 км от ветряных станций, может существенно снижаться;
• Последствия. Расходы, связанные с мелиорацией земель и ликвидацией фундамента ветряков после окончания работы станции.
• Рабочие места. Возведение станций влияет на сокращение количества рабочих мест, для обслуживания дюжины ветряных мельниц требуется всего один человек;

Применение в современной России

Солнечная электростанция на Урале

Ведущую роль в энергосистеме России играют нефть и газ, обеспечивающие 75% потребления страны. Еще 15% дает уголь, только 10% – ВИЭ и атомная энергетика. Высокая степень обеспеченности энергоресурсами делает отрасль маловосприимчивой к изменению текущего баланса. России располагает значительными запасами как возобновляемых, так и невозобновляемых ресурсов.

Из возобновляемых источников две трети – гидроэнергетика. Остальные виды в незначительных масштабах представлены в разных регионах страны:

Крупнейшие гидроаккумулирующие электростанции в мире

В следующей таблице показан ряд всемирных гидроаккумулирующих электростанций с номинальной мощностью, равной или более 1  ГВт (1000 МВт).

Ветряные электростанции

Ветровая, или ветряная, электростанция (рис. 12) преобразует вэлектричество кинетическую энергию ветра. В нее входят ветродвигатель той или иной формы, генератор электрического тока, автоматическое устройство управления имощные конструкции для установки и обслуживания этого оборудования. Зачастую используются и устройства, аккумулирующие электроэнергию.

Рис. 12. Ветряные электростанции 

Производство таких электростанций является довольно дешевым, но они имеют малую мощность, работают очень шумно иктомуже ихфункционирование зависит от наличия и силы ветра. Ветропарки часто занимают большие территории (примерно на два порядка больше, чем тепловые электростанции), создают помехи для воздушного сообщения и радиоволн,вызывают локальное ослабление силы воздушных потоков, повышают температуру поверхностного грунта под собой, что вызывает большее выделение углекислого газа почвенными микроорганизмами. То есть крупные ветропарки локально влияют на климат.Впрочем, такого вреда меньше, если используется отдельная установка для изолированно расположенного частного дома или хозяйства.

Рис. 13. Отдельная установка для изолированно расположенного частного дома не принесет такого локального вреда для экологии, как крупный ветропарк 

Принцип работы

Практически все ветровые установки имеют общий принцип работы. Под действием воздушного потока лопасти приходят в движение и, связанные специальным приводом с ротором, вызывают его вращение. Сам ротор помещен внутрь статорной обмотки, и в результате вращения происходит образование электрического тока. Лопасти ВЭС обладают особенными аэродинамическими свойствами, поэтому турбина вращается с высокой скоростью.

Каждая лопасть с одной стороны ровная, а с другой – закругленная. Когда воздух проходит закругленную сторону, на этом участке создается вакуум, засасывающий лопасть и уводящий ее в сторону. За счет этой энергии возникает общий крутящий момент. В этом состоит основной принцип работы станций.

Полученное электричество накапливается в аккумуляторной батарее. Количество произведенной энергии зависит от скорости вращения лопастей и от скорости воздушного потока. Частота произведенного электрического тока такая же как в домашней сети, поэтому энергия, полученная от ветровой электростанции, вполне пригодна для питания приборов и оборудования. Однако, полученный переменный ток не может сразу аккумулироваться, для этого он должен быть преобразован в постоянный ток. Подобное преобразование выполняется специальными электронными устройствами, расположенными в турбине.

Зарядка аккумуляторной батареи управляется контроллером. По мере накопления заряда, лопасти замедляют вращение, а при разрядке они вновь начинают крутиться. Такой режим работы дает возможность поддерживать заряд АКБ на заданном уровне.

Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции (ГеоЭС) вырабатывают электричество за счет преобразования внутреннего тепла Земли. Прежде всего это гидротермальные электростанции, которые работают за счет энергии горячих пароводяных источников. Ведь температура земных слоев с глубиной увеличивается в среднем на 1 град. по Цельсию на каждые 36 м и на глубине 2-3 км от поверхности она выше 100 град. Природный пар на ГеоЭС направляется из скважины или гейзера по трубам к турбинам, соединенным с электрогенераторами. (Этот пар иногда приходится очищать от газов, вызывающих коррозию труб, и/или ядовитых для живых существ.)

Стоимость такой электроэнергии относительно невысока (хотя велики первичные вложения в разведку и строительство). ГеоЭС могут работать стабильно и занимать мало места в отличие от ветряных и солнечных электростанций. Более того, на некоторых ГеоЭС добывают газы, металлы и другие вещества, растворенные в пароводяной смеси, поступающей из-под земли. Например, одна из итальянских геотермальных электростанций поставила на промышленную основу добычу борной кислоты.

Самые крупные в мире ГеоЭС находятся в Кении, США, Индонезии, Японии, Исландии, на Филиппинах. Есть такие станции и в России (на Камчатке и на Курилах). (Отметим, что горячая вода или пар из-под земли могут использоваться в быту или на производстве непосредственно, без выработки электроэнергии, как это делается, например, в Исландии или даже в некоторых населенных пунктах Северного Кавказа.)

Рис. 20. Геотермальная электростанция Palinpinon на Филиппинах 

У геотермальных электростанций тоже есть недостатки. Они пока не могут сравниться по мощности с ГЭС, АЭС и ТЭС. К тому же в ряде случаев велика опасность локального оседания грунтов в месте забора пара или горячей воды и даже инициирования сейсмической активности. Кроме того, как уже было отмечено, выходящий из земных недр пар (или вода) может содержать ядовитые для живых организмов вещества (свинец, кадмий, мышьяк, цинк, серу, бор, аммиак, фенол и др.). И выброс таких смесей в атмосферу или водоем вызовет локальную экологическую катастрофу. В случае очистки пара от поднимающихся с ним опасных веществ и закачки конденсата обратно под землю геотермальные электростанции наносят минимальный вред экологии (или вообще не наносят) и практически не имеют сейсмических рисков. Но риски нештатных ситуаций все-таки остаются.

И конечно, для строительства геотермальных электростанций необходимы определенные инженерно-геологические условия, поэтому их создание возможно только в особых регионах, где имеются горячие подземные воды.

Впрочем, если горячей воды и пара в недрах нет, то можно строить альтернативные петротермальные электростанции, на которых производится закачка воды в глубокую скважину с горячими породами, где эта вода превращается в пар, который возвращается по соседней скважине (скважинам) обратно и крутит турбину (турбины) электростанции (рис. 21). Пока такие системы создаются только на экспериментальном уровне (например, в Японии и Австралии). Но и тут нужны определенные условия – прежде всего наличие водоемов, не слишком дорогая буримость грунтов и отсутствие сейсмических рисков.

Рис. 21. Упрощенная схема работы петротермальной электростанции 

Как сделать ветряную электростанцию?

Дороговизна промышленных моделей вынуждает людей, способных пользоваться инструментами и обладающих определенными познаниями, создавать самодельные ветряки. Расходы на такое устройство несравнимы с тратами на заводские модели, а эффект, полученный от самоделок, зачастую превосходит показатели прославленных зарубежных изделий.

Для изготовления станции понадобится:

• комплект оборудования — контроллер заряда, инвертор, аккумулятор;
• генератор, способный работать на низких скоростях. Чаще всего используется автомобильный или тракторный генераторы, прошедшие некоторую модернизацию;
• ветряк — вращающийся ротор, установленный на мачте или основании нужных размеров.

Оборудование для станции может быть собрано самостоятельно или приобретено в готовом виде. Изготовление генератора из готового устройства занимает один день (если иметь представление о том, что надо делать). Ветряк делается из подручных материалов — металлических бочек, листового металла и т.п.

Все элементы конструкции собираются воедино, система запускается, производится оценка ее характеристик и, если надо, вносятся необходимые изменения. Ветряк, собранный своими руками, ремонтируется совершенно без проблем, так как вся его конструкция известна мастеру, что называется, до последнего винтика.

Как вам статья?

Мне нравитсяНе нравится

Что такое ветряная электростанция?

Ветропарк — это совокупность ветряных турбин, которые образуют электростанцию, вырабатывающую электроэнергию из ветра. Не существует официально установленного количества турбин для ветряных электростанций, поэтому они могут включать несколько или сотни ветряных турбин, работающих одновременно в одном и том же районе, на суше или на море.

Пять крупнейших ветропарков в мире расположены в Китае, также там расположены восемь из десяти крупнейших ветряных электростанций, а Alta Wind Energy Center в пустыне Мохаве в США и Muppandal Wind Park в Индии завершают десятку лучших.

Ганьсу в Китае, крупнейшая в мире ветряная электростанция, производит 6800 мегаватт электроэнергии, но она используется не на полную мощность, поскольку расположена в 1000 милях от городов, что указывает на важность размещения парка при выборе местоположения ветряной электростанции

Экономическое обоснование строительства ветровых электростанций

Ветровая электростанция состоит из определённого количества генераторов, которые собраны вместе. Крупные ветровые электростанции включают в себя до 100 и более отдельно стоящих ветрогенераторов. В литературе также можно встретить название ─ ветровые фермы. Сразу стоит сказать, что подобные электростанции можно строить только в определённых регионах планеты. В этих местах средняя скорость ветра должна быть не менее 4,5 метра в секунду.

Среди примеров этого можно назвать атлас ветров и компьютерную модель WEST для Канады. Этим занимались министерство природных ресурсов и министерство развития этой страны. Благодаря этим сведениям предприниматели могут планировать строительство ветровых электростанций в любой точке Канады. В Организации Объединённых Наций ещё в 2005 году была создана карта ветров для 19 развивающихся стран.

Кроме того, при строительстве подобных электростанций должны учитываться требования к охране ОС и влияние на человека. Ведь от подобных установок исходит немалый шум. В европейских странах давно приняты законы, которые ограничивают максимальный уровень шума ветровых энергетических установок. Днём этот показатель не должен превышать 45 дБ, а ночью ─ 35 дБ. Подобные установки должны находиться на расстоянии не менее 300 метров от жилых домов. Кроме того, современные ветровые электростанции останавливаются на время перелёта птиц.

Ветровые электростанции, как правило, занимают большое пространство. Для их строительства используются такие регионы, которые мало заселены и не вовлечены в экономическую деятельность. Среди них можно назвать:

• Прибрежные районы;
• Шельф;
• Пустыни;
• Горы.