Источники энергии — это предмет постоянных поисков человека. Нам постоянно необходимо электричество, работающая на нас тепловая и механическая энергия. И за все время своего существования человечество научилось использовать полезные ископаемые, энергию воды, Солнца и атома. Не удивительно, что ветер тоже поставили на учет.
Существенным преимуществом энергии ветра перед всеми остальными является то, что она возобновляема, так как является одним из следствий работы Солнца. Изучением данного направления занимается ветроэнергетика. Специалисты ищут наиболее практичные и удобные способы преобразования кинетической энергии ветра (точнее, атмосферных воздушных масс) в тепловую, электрическую, механическую для использования в народном хозяйстве.
История обуздания ветра в разных странах
История сражения с ветром началась еще в античные времена. Уже в 200 году на нашей эры персы научились строить ветряные мельницы для перемола муки. Эта технология перебралась в Европу в XIII веке.
В XVI веке в Европе совместили ветряную мельницу с гидродвигателем, что позволяло осушать территории, отвоевывая их у моря, а также снабжать водой засушливые земли.
Но самым важным стал 1890 год, когда в Дании изобрели ветроэлектростанцию. Так человечество научилось получать необходимую электроэнергию практически из воздуха. Она стала предшественницей ветроэлектростанций с горизонтальной осью, производимых в 30-х годах.
Но первоначально люди слабо оценили потенциал изобретения, массовое использование началось только в 80-х. Зато сегодня масштабы использования энергии ветра впечатляют.
Первыми оценили мощь ветроэлектростанций в США, но локально — в Калифорнии. Именно здесь находятся самые большие по площади ветряные фермы, которые нередко попадают в кадры фильмов. Зрелище действительно масштабное и завораживающее — гигантские ветряки мерно крутятся в пустыне. Но эта техногенная красота еще и невероятно полезна, одной такой ВЭС достаточно для полного снабжения электроэнергией небольшого населенного пункта.
Только в XXI веке Европа начала перегонять США по количеству используемых ВЭС и объемам вырабатываемой с их помощью энергии. Лидером производства считается Дания, здесь около 30% всей электроэнергии производится с помощью современных ветряков. На втором месте Португалия — 19%, немного отстала от нее Испания — 16%, затем идет Ирландия — 14% и Германия — 8%.
В России все еще мало применяются ВЭС, так как большая часть энергии вырабатывается АЭС и ГЭС. Но доля ветрогенераторов постепенно возрастает. Медленные темпы роста связаны с недостатком финансирования.
Принцип действия и структура ветрогенератора
Ветрогенератор, который также называют ветряком или ветротурбиной — это устройство на штанге, снабженное вращающимися лопастями. Распространение получили ветряки с вертикальной и горизонтальной осями вращения. Первые бывают роторными и лопастными, вторые — крыльчатыми.
Любой ветряк состоит из таких элементов:
- Ветротурбина на мачте, раскручиваемая лопастями или ротором.
- Электрогенератор.
- Аккумулятор.
- Котроллер заряда аккумулятора.
- Инвертор.
При этом промышленная установка намного более масштабна, имеет еще массу дополнительных элементов.
Принцип действия достаточно прост: энергия ветра раскручивает лопасти, передается сначала электрическому мотору, а следом за ним — генератору. Вращение генератора способствует выработке электрического тока, который, в свою очередь, скапливается в аккумуляторах. Преобразователь включается в цикл последним, создавая необходимый уровень напряжения.
Отопление ветром
Хотя выработка электроэнергии с помощью ветряков выгодна только в больших масштабах, приближенных промышленным, из-за высокой стоимости оборудования. Одного ветрогенератора вполне достаточно для обогрева одного дома. Эта технология постепенно приобретает все большую популярность.
К аккумуляторам, которые заряжаются за счет энергии ветра, подключаются ТЭНы системы отопления и горячего водоснабжения. При этом владелец может выбирать любой тип отопительной системы, которая запитывается от электрической сети.
Эксперименты доказывают, что ветряк может поддерживать температуру теплоносителя на уровне 65-75 градусов, если его объем в системе составляет 200 литров, чего вполне достаточно для бытовых целей. Проблема отопления и водоснабжения дома площадью до 200 квадратных метров полностью решается.
Преимущества ветрогенераторов
- Основным преимуществом ветроэнергетики является то, что ветер является восполняемым источником энергии.
- В отличие от других видов электростанций, ВЭС являются экологически чистыми, они не делают никаких выбросов в атмосферу, что особенно актуально в разрезе борьбы за чистоту окружающей среды.
- Стоимость электроэнергии, получаемая от больших ветряных ферм, является очень низкой, в Европе показатель держится на уровне 4-6 центов за киловатт. Только АЭС позволяют получать более дешевую энергию, но при этом они гораздо более опасны.
- Известная интересная особенность: энергия, вырабатывая ТЭС, замещается энергией ветра, что уменьшает выбросы парниковых газов.
- Энергия ветра снижает необходимость в энергии АЭС и продуктов нефтяных компаний, что в планетарном масштабе положительно влияет на состояние окружающей среды.
- Ветряки можно устанавливать в местах, куда невозможно доставить электроэнергию.
Недостатки ветрогенераторов
Несмотря на многочисленные достоинства ВЭС, недостатков у них также достаточно:
- Быстрая окупаемость только в больших масштабах.
- Необходимость в больших площадях для создания ветряных ферм.
- Возможно работы только на территориях, где достаточно ветрено.
- Необходимость внедрения интеллектуальных систем для борьбы с переменчивостью ветряных масс.
- Высокая стоимость оборудования и его обслуживания.
- Воздействие на силу, скорость и маршруты ветряных масс (еще мало изучено, но негативное влияние уже отмечено).
- Негативное воздействие на птиц и летучих животных (в первую очередь, летучих мышей).
- Высокий уровень шума (сравнимый с шумом работающего автомобиля).
- Сильные радиопомехи.
Перспективы использования энергии ветра очень широки и еще не до конца изучены. Очевидно, что недостатки с лихвой перекрываются достоинствами, но высокая стоимость и необходимость сложного обслуживания не позволяет пока в полной мере использовать ВЭС на всей планете.
