Как работает ветрогенератор, и почему ими до сих пор не нашпигован весь земной шар
Фото iStock
Ветер встал на службу человека тысячи лет назад, со времен появления первого парусного судна и возведения первой ветряной мельницы. Сегодня энергию ветра преобразуют в электричество с помощью ветрогенераторов, которые объединяют в единые сети - ветряные электростанции. Разберемся, как устроены ветрогенераторы, почему они все выше тянутся к небу и какие факторы, кроме непостоянства ветров, еще долго не позволят им заменить традиционную энергетику.
КАК ИЗ ВЕТРА ПОЛУЧИТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Для начала нужно «получить» сам ветер, и причина его возникновения находится далеко за пределами Земли. Поверхность нашей планеты неравномерно нагревают солнечные лучи. Теплый воздух поднимается вверх, и его замещают воздушные массы из более холодных областей - так начинается движение воздушных масс относительно друг друга, которое мы называем ветром.
Лопасти ветрогенераторов достигают впечатляющих размеров и могут находиться на высоте более 100 метров над землей - выше Исаакиевского собора
Ветер попадает на лопасти ветрогенератора и вращает их. Кинетическая энергия воздушных масс превращается в механическую энергию лопастей, которые соединены с электрогенератором. Две основные его части - статор и ротор. Через приводы механическая энергия лопастей передается ротору, и он начинает вращаться. Но как механическая энергия превращается в электрическую?
Вокруг ротора и статора намотаны провода, внутри которых есть свободные носители электрического заряда - электроны. Чтобы они упорядоченно побежали по проводнику и превратились в известный всем нам электрический ток в розетке, им необходима «мотивация» - электрическое поле. Части генератора сделаны из магнитных материалов, поэтому он обладает магнитным полем, параметры которого меняются при вращении ротора. По закону электромагнитной индукции, магнитное поле с меняющимися параметрами (переменное) создает вокруг себя такое же переменное электрическое поле, которое и «пинает» свободные электроны из обмоток генератора в ЛЭП, а оттуда в наши розетки.
Если вы прокатитесь на велосипеде с установленным фонариком, загорающимся из-за вращения педалей, то в системе «человек-педали-фонарь» будете так называемым рабочим телом, как и ветер для ветрогенератора. Педали в этом примере имитируют лопасти. Свою механическую энергию вы превратите в электромагнитную, заставив фонарик ярко светиться. По сути, это принцип работы любого электрогенератора, и он одинаков на гидро-, тепловых и атомных станциях. Разница в том, какое рабочее тело используется - воздух, вода или горячий пар.
ЧТО МЕШАЕТ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКЕ ЗАВОЕВАТЬ МИР
Ветер - бесплатный источник энергии, но чаще говорят о высокой стоимости электростанций. На уголь, нефть и газ приходится более 2/3 в общем мировом потреблении электроэнергии, а на ветроэнергетику - всего 6%, несмотря на ее бурное развитие последние 20-30 лет. Почему человечество до сих пор полностью не перешло на ветряки?
Ветер дует не всегда, его скорость изменчива, поведение трудно предсказать, а иногда его вообще нет: моряки называют это штилем. Для мельников безветрие означало финансовые потери: мешки с зерном накапливались, приходилось ждать или крутить жернова с помощью животных. Теперь штиль мешает энергетикам. Человечество не может поставить себя в зависимость от столь ненадежного источника. Как бы ни развивалась ветроэнергетика, страховкой всегда будут выступать резервные газовые или угольные станции, которые придется запускать при слабом ветре или его отсутствии.
Из-за нестабильной погоды на подстраховке ветряных станций всегда будут газовые или угольные. На фото - газотурбинная электростанция Восточно-Мессояхского месторождения компании «Газпром нефть»
Энергия, которую может вырабатывать ветер, пропорциональна кубу его скорости: E ~ v3. При увеличении скорости ветра в два раза выработка энергии вырастет в восемь раз; при росте в три раза - в 27 раз. При средних скоростях ветра, ниже пяти метров в секунду строить ветростанции бессмысленно, это «деньги на ветер» в буквальном смысле. Из-за разных скоростей ветра в разных странах ветроэнергетика заведомо не способна завоевать все регионы мира.
Ветростанции требуют много места: ветрогенераторы надо ставить так, чтобы один не попадал в «ветровую тень» другого, замедляющего скорость ветра. Эмпирическая формула L = 10*H (где L - расстояние между генераторами, а H - высота, на которой они размещены) показывает, что при высоте мачты генератора - 100 метров, расстояние между мачтами должно быть не менее километра. Ветропаркам требуется огромная площадь и в густонаселенных районах места для них может не хватить. Например, Западная Европа подошла к пределам роста ветроэнергетики, и темпы строительства новых станций заметно упали в последние годы.
Ветрогенераторы поднимают все выше - там сильнее и стабильнее дует ветер, а также выносят на морской шельф - строят офшорные ветроэлектростанции. Размещают генераторы на мачтах высотой более 100 метров и, возможно, в ближайшие годы будет «взята высота» в 200 метров. Высокие мачты повышают производительность, но и стоят дороже.
Наконец, есть законы аэродинамики, хорошо исследованные нашими учеными: современная мировая ветроэнергетика выросла, в том числе на фундаменте советской аэродинамической школы. Согласно закону Жуковского-Бетца, ветротурбина в принципе не может использовать более 59,3% (или 16/27) поступающей на нее ветровой энергии. При этом отношение фактически произведённой энергии к максимально возможной теоретически для ветряных станций не превышает 30%. Для тепловых станций обычная величина этого показателя 80%.
БУДУЩЕЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ
Доля ветра в мировом производстве электроэнергии будет расти, в основном благодаря Китаю, Индии, Бразилии и другим странам Азии, Латинской Америки и Африки, где есть площади для ветропарков и благоприятные погодные условия. Важно следовать за природой. Например, есть зона мощных постоянных пассатных ветров, дующих в обоих полушариях от 30-х широт к экватору. Возможно, именно здесь спустя десятилетия будет мировой ветроэнергетический центр или даже пояс.
Ветропарки становятся выше и поднимаются в горы
В России за последние 3-5 лет возведено несколько крупных ветростанций, и их общая мощность к началу 2022 года превысила два гигаватта. На данный момент это 1% от всех наших электроэнергетических мощностей, и выработать они могут от силы 0,5% всей нужной электроэнергии. На большей части нашей страны ветры существенно слабее, чем, к примеру, на западноевропейской территории, обращенной к Атлантике. Но территории с хорошими ветровыми условиями в России есть - на морских побережьях, в степных и предгорных областях.
Преимущество нашей страны - в наличии собственной мощной научно-производственной школы, связанной с ветроэнергетикой. В научном сообществе создаются идеи и разработки. В стране функционируют предприятия по производству оборудования для ветроэнергетики, построенные, в том числе в последние годы. Однако все это позволяет говорить о ветроэнергетике в России лишь с осторожным оптимизмом.
Согласны с написанным? Или ваше мнение отличается от мнения редакции? Оставляйте свои комментарии - нам важно знать, что вы думаете.
Другие материалы об энергии и энергетике читайте на сайте журнала Энергия+: https://e-plus.media/