Ветровая энергетика: превращение движения воздуха в чистую электроэнергию

Ветровая энергетика

Ветер — это форма солнечной энергии. Ветра возникают из-за неравномерного нагрева атмосферы солнцем, неровностей поверхности Земли и вращения планеты. Рельеф местности, водоемы и растительность изменяют режимы ветровых потоков. Ветровая энергия — это кинетическая энергия движущегося воздуха. Её можно собирать и преобразовывать в полезные формы: электрическую энергию с помощью ветротурбин, механическую — ветряными мельницами, для откачки воды — ветряками, а также в паруса для судов.

Ветровая энергия — возобновляемый, неконвенциональный источник. Она чистая, не загрязняет окружающую среду, доступна в больших объемах во многих регионах мира и не выделяет парниковых газов при выработке электроэнергии.

Потенциал ветровой энергии

Общий объем экономически извлекаемой ветровой мощности очень велик. Аксель Клейдон из Института Макса Планка (Германия) провел «сверху вниз» расчет, начиная с входящей солнечной радиации, создающей температурные различия в атмосфере. Он пришел к выводу, что можно извлечь от 18 до 68 ТВт (тераватт, триллион ватт). Кристина Арчер и Марк З. Якобсон представили «снизу вверх» оценку на основе реальных измерений скоростей ветра. По их данным, на высоте 100 метров над сушей и морем доступно 1700 ТВт ветровой мощности, из которых 72–170 ТВт можно извлечь практически и стоимостно-эффективно. Позже они уточнили оценку до 80 ТВт. Однако исследование Гарвардского университета оценивает среднюю плотность мощности в 1 Вт/м² и 2–10 МВт/км² для крупных ветровых парков, что указывает на завышение глобальных оценок примерно в 4 раза.

Принцип генерации электроэнергии

Электроэнергию из ветра получают с помощью ветротурбин. Каждая турбина соединена с генератором (альтернатором). Простыми словами, ветротурбина — это вентилятор, работающий в обратном направлении: вместо потребления электроэнергии для создания ветра, она использует ветер для производства электроэнергии. Ветер вращает лопасти, которые крутят вал, подключенный к генератору. Несколько турбин объединяют для получения нужной мощности — такое собрание называется ветровой фермой. Фермы строят там, где скорость ветра достаточна для вращения лопастей.

Мощность ветрового потока

Использование ветровой энергии для генерации растет стремительно. Принцип получения мощности:

Общая ветровая энергия, проходящая через воображаемую площадь A за время t:

Где ρ — плотность воздуха, v — скорость ветра, Avt — объем воздуха, проходящего через A (перпендикулярно направлению ветра), Avtρ — масса m, проходящая за единицу времени. Обратите внимание: ½ ρv² — кинетическая энергия движущегося воздуха на единицу объема.

Мощность — энергия за единицу времени, поэтому ветровая мощность, падающая на A (например, площадь ротора турбины):

Из уравнения следуют важные выводы:

• Мощность прямо пропорциональна плотности воздуха ρ. При повышении плотности растет мощность турбины.
• Мощность прямо пропорциональна площади, заметаемой лопастями. Увеличение длины лопасти увеличивает радиус заметаемой площади и мощность турбины.
• Ветровая мощность изменяется с скоростью ветра и в свободном потоке пропорциональна кубу скорости (v³). Удвоение скорости ветра увеличивает доступную мощность в 8 раз. Ветротурбины для сетевой электроэнергии должны быть особенно эффективны на высоких скоростях ветра.

Ветротурбины

В ветроэлектростанциях турбина использует кинетическую энергию ветра для вращения первичного двигателя генератора. Когда ветер достаточной силы ударяет в лопасти, они вращаются. Лопасты соединены с ротором. В турбине система шага контролирует скорость ротора. Ротор соединен с низкоскоростным валом, который через передаточную коробку соединен с высокоскоростным валом генератора. Передача повышает частоту вращения до номинальной для генератора, который производит электроэнергию.

Турбины имеют контроллер для пуска/остановки. Они работают в диапазоне скоростей ветра: запускаются при достижении нижнего порога и автоматически останавливаются при превышении верхнего предела — «скорости выживания». Все турбины рассчитаны на эту максимальную скорость.

Анемометр измеряет скорость ветра и передает данные контроллеру. Тормоз аварийно останавливает ротор механически, электрически или гидравлически. Ветровые веники, привод наклона (yaw drive) и мотор измеряют направление ветра и поворачивают турбину навстречу ему при смене направления.

Типы ветротурбин

Существует два основных типа: с горизонтальной осью (HAWT) и вертикальной осью (VAWT). Горизонтальные делятся на ветровые (upwind) и заветренные (downwind), вертикальные — на лобовые (drag-based) и подъемные (lift-based).

В ветровых HAWT вал турбины и генератора расположены горизонтально, лопасти спереди — воздух встречает лопасти раньше башни. В заветренных HAWT валы тоже горизонтальны, но лопасти сзади — ветер сначала обдувает башню.

В лобовых VAWT вал генератора вертикален, лопасти направлены вверх, турбины устанавливают на земле или на низких башнях. В подъемных VAWT вал тоже вертикален, лопасти вверху. Крупные современные турбины — преимущественно HAWT из-за высокой эффективности: лопасти всегда движутся перпендикулярно ветру и получают энергию на всем обороте.

Основные компоненты ветротурбины

• Лопасти/ротор — преобразуют энергию ветра в вращательную энергию вала
• Приводная цепь — коробка передач и генератор
• Башня — опора для ротора и привода
• Балансирующее оборудование — системы управления, кабели, наземное оборудование, коммутационные устройства

Рис. 1 Компоненты ветротурбины

Ветровые фермы

Ветровая ферма — группа турбин в одном месте для выработки электроэнергии. Крупная ферма может включать сотни турбин на большой площади, при этом землю между ними можно использовать для сельского хозяйства. Фермы могут быть надземными и морскими (offshore).

Почти все крупные турбины имеют единый дизайн: горизонтальная ось, ветровой ротор с тремя лопастами, góndola (населла) на высокой трубчатой башне. В ферме турбины соединены средневолтной сетью (около 33 кВ) и сетью связи. На подстанции напряжение повышают трансформатором для подключения к высоковольтной линии передачи.

Проект турбины основан на характеристике мощности и гарантированной доступности. Рабочий диапазон температур: –20…+40 °C. Для экстремальных климатов нужны специальные версии. Турбины проектируют и валидируют по стандартам IEC 61400.

Аэродинамика и предел Беца

Аэродинамика HAWT сложна: поток у лопастей отличается от необурежденного, на роторе наблюдаются уникальные явления. В 1919 году Альберт Бец доказал, что идеальная машина не может извлечь более 59,3% кинетической энергии ветра (предел Беца). Современные турбины приближаются к этому пределу и достигают 60–70% от теоретического максимума.

Режимы работы

Турбины рассчитаны на максимальную мощность в широком диапазоне скоростей. Три режима:

• Ниже номинальной скорости ветра
• Вокруг номинальной скорости (обычно на الاسمية мощности)
• Выше номинальной скорости

При превышении номинальной скорости мощность ограничивают. Система управления включает датчики, исполнительные механизмы и алгоритмы координации.

Другие аспекты ветровой энергетики

• Так как скорость ветра непостоянна, годовая выработка фермы никогда не достигает теоретического максимума (сумма номинальных мощностей × часы в году). Отношение реальной выработки к теоретическому максимуму — коэффициент использования установленной мощности (КУУМ, PLF). Типичные значения: 15–40%. Высокие значения достигаются на благоприятных участках и за счет улучшения конструкций.
• Ветровая энергетика редко страдает от серьезных технических сбоев: отказы отдельных турбин почти не влияют на общую мощность, поэтому распределенная ветровая генерация высоконадежна и предсказуема.
• Несмотря на низкое воздействие на среду по сравнению с ТЭЦ, существуют проблемы: шум лопастей, визуальное загрязнение, гибель птиц, сталкивающихся с роторами.
• Главная проблема — прерывистость: ветер не всегда дует, когда нужна электроэнергию. Ветер нельзя запасать (хотя выработанную электроэнергию можно накапливать в аккумуляторах), не все ветра можно использовать под пиковые нагрузки. Хорошие ветровики часто находятся в отдаленных районах далеко от центров потребления.
• Развитие ветровых ресурсов конкурирует с другими способами использования земли, которые могут быть более ценными. Однако турбины можно размещать на пастбищах и полях.