История ветряной энергии: сила из воздуха
Перевод: Tortilla
Издание: Zeit
Автор: Манфред Кринер
Дата опубликования статьи: 6 февраля 2012
Энергия ветра давно считается "зелёно-экологической", чисто немецкой блажью. При этом у неё есть своя весьма впечатляющая интернациональная история
Где-то на западе Калифорнии.. Небольшая ветряная мельница
Магическая цифра 2020 год. К этому моменту в Германии каждый третий киловатт тока должен быть произведён силой ветра, солнца, воды или биомассы - таков оптимистический прогноз черно-жёлтого федерального правительства.
И никто при этом не смеётся. То, что раньше считалось лишь беспочвенными идеями зелёных чудаков, сегодня явлется государственной стратегией. После катастрофы на Фукусиме и панического отказа от атомной энергетики, такой "энергоразворот" - залог общественного согласия. Основным поставщиком энергии должен стать ветер. Технология, много лет подвергавшаяся сомнению.
Естественно, так было не всегда. В прежние времена это было само собой разумеющимся. Ещё в 1882 г. у нас вращалось, согласно статистике Третьего рейха, 18.901 ветряная мельница тысячекратно увековеченная на романтических пейзажах, излучающих свет сельской идиллии.
Мельница, Дания 12-20 вв.
Это впечатляющее количество фиксирует и их исторический максимум. Строительство и эксплуатация мельниц находились под строгим регламентирующим надзором сельских и церковных старост, однако, в 19-м столетии потребность в муке для быстро растущего населения привела и к смягчению инструкций и регламентов. Таким образом количество ветряных мельниц быстро поползло вверх к рекордной отметке, пока им не подрезал крылья паровой двигатель. В конце 19 века появились первые мукомольные фабрики и началось тихое умирание ветряных мельниц.
Вертикально-осевая мельница для измельчения зерна,
Афганистан (650 н.э.)
Естественно, история использования энергии ветра берёт своё начало в глубокой древности. В Вавилоне 1750 г. до нашей эры, как будто существовал огромный музыкальный инструмент типа органа, приводимый в действие небольшой мельницей. Ветряные паруса и ветряные лопасти вращались также в древнем Китае и в древней Персии.
Древнекитайская ветряная мельница для перекачки воды (1.000 н.э.?)
В доиндустриальной Европе ветряные мельницы были важным двигателем и уже в 13 веке стали вполне освоенным и привычным явлением. Крылья, обтянутые хлопчатобумажной парусиной, основание - станина, стоявшая на козлах, которые поворачивали в соответствии с направлением ветра. В 1736 году произошёл рывок вперёд, когда голландский инженер Ян Адриан Леегватер придумал купольную (шатровую) мельницу. Теперь вращался только купол с лопастями, но не станина.
Мельница, Греция 15 век
Уже в 1979 году НАСА начинает эксплуатацию гигантской ветряной турбины
Наряду с мельничными колёсами, совершенствуется и собственно ветряное колесо. Американский механик Дэниель Халладей, разработавший в 1853 году свою первую модель, стал первопроходцем в этой области. До 8-ми веслообразных лопастей составляли окружность, которая крепилась на вертикальную ось и при помощи дополнительного горизонтального крыла сама себя приводила в позицию, идеальную по отношению к ветру. Компания "Халладей Ю.С. ветряная энергия и насосы" в Иллинойсе процветает, а всемирная выставка 1876 года в Филадельфии способствует прорыву на международную арену. Начинается распространение технологии в Европе. В Австралии и США в начале 20 века небольшие ветряные колёса получили самое широкое распространение. Они использовались, прежде всего, в качестве приводов для водяных насосов, а также для выработки электроэнергии.
Первые коммерческие ветряные мельницы, изобретатель Даниэль Халладей
В Германии о "невероятной силе воздушных потоков" восторженно отзывается машиностроитель из нижнерейнского Мёрза Адольф Пипер. В конце 19 века он разрабатывает ветряки диаметром до 18 метров, представляя их, прежде всего, в качестве "дешёвой рабочей силы". Идея использования ветра для выработки всё более ценимого электричества тоже набирает популярность. Британский физик Уильям Томсон, в последствии известный как лорд Кельвин, читает в 1881 году свою знаменитую лекцию о природных источниках энергии. Он предостерегает о возможном истощении угольных месторождений и предрекает триумф силы ветра. С изобретением свинцового аккумулятора решена проблема сохранения произведенной электроэнергии.
К началу 20 века технология производства электроэнергии с использованием силы ветра была вполне освоена, только в вопросах аэродинами человечество и "далее оставалось в своём грандиозном неведении", как злословил в 1917 году Герман Фётингер - техник, живший в Нюрнберге. При этом датский пионер-изобретатель Поль ла Кур ещё в 1901 году описал принцип идеальной мельницы и доказал, что меньше лопастей - даёт больше.
Ну, как четырёх- так и многолопастные флюгера широко разошлись по Германии. В 1925 году в Веймарской республике 7.000 фермерских хозяйств использовали их как в качестве приводов для водяных насосов и прочей сельскохозяйственной техники, так и для выработки электричества. Это вершина и одновременно начало снижения развития ветряков. Создание централизованного электроснабжения посредством ТЭЦ к 20-м годам 20-го столетия способствует тому, что после мельниц в забвение погружаются и ветряные колёса.
Турбина Смит-Путнам, 1841
Исследования в области техники активно продолжаются в поисках резерва на случай угольного кризиса и возможного энергоголода. Интерес проявляют даже нацисты. В свете их гигантомании и любви ко всему грандиозному, особенно привлекает их проект живущего в Берлине инженера-изобретателя из Бадена Германа Хонефа. В феврале 1932 года "Народный обозреватель" пишет об идее Хонефа - "гигантском проекте, воплощение которого полностью перевернёт наши экономические отношения." Хонеф тоже предупреждает об "истощении угольных месторождений" и мечтает о том, как "с помощью энергии ветра можно будет обогревать поля, обеспечив фермерам дополнительный урожай".
От маленьких флюгеров Хонеф уже давно отказался, он стремится ввысь. Его гигантские электростанции - это башни, оснащённые множеством колёс диаметром 60 метров и вознёсшиеся на высоту до 250 метров в центре каждого большого города*. Здесь же расположены и аккумуляторные станции. С миссионерским рвением Хонеф агитирует за национальное централизованное энергообеспечение посредством силы ветра. Несмотря на то, что планами Хонефа заинтересовался сам Гитлер, гигантские башни в Берлине и в Гамбурге так и остались на бумаге.
С послевоенным восстановлением в Европе растёт и потребление электроэнергии. Англия, Франция, Дания и Нидерланды форсируют исследования в области использования ветряной энергии, пока в 50-е годы их не смывает волна атомного воодушевления. Штиль настигает и германские ветряные электростанции. Всё больше исследований накапливается в области атома и к 1979 году исследовательский бюджет атомной энергетики достигает 60%, солнцу, ветру и Ко остаются крохи - 4%.
Тем не менее, летом 1974 года под воздействием шока от цен на нефть, министр исследований и науки Ганс Маттхёфер поручает Ульриху Хюттеру, живущему в Штуттгарте австрийскому проектировщику ветряных установок, иследовать их потенциальные возможности. Хюттер - честолюбивый инженер-изобретатель, который уже разработал облегчённую конструкцию и новые комбинированные материалы для ветряных турбин. Будучи совсем молодым, ещё до Второй мировой войны, он занимался расчётами ветряков и обосновал оптимальные размеры башни и мотора. И Хюттер представляет министерству в Бонне дерзкие цифры - в Федеральной республике энергия ветра могла бы покрывать 73% всего спроса на электричество. Нынче такая оценка звучит не так утопично, как тогда.
Хюттер также склонен к величию. Своим заказчикам он рекомендует строительство огромной ветростанции с колесом диаметром до 80 метров. "Следующий этап развития предполагает размеры до 113 метров". И сегодня такие монстры действительно строятся, но в 1974 году это казалось чистой научной фантастикой.
Описание больших станций должно было привлечь к ветру внимание производителей энергии. В США так же прозвучало: Think big! В 1979 году НАСА запустила в эксплуатацию в Северной Каролине самую большую ветровую турбину в мире - 2 мегаватта, 61 метр в диаметре. Немцы хотели быть с ними наравне! В центре ядерных исследований Юлих под Аахеном в июне 1976 года консилиум, состоявший из 30-ти учёных мужей под руководством министерства науки и исследований, решает начать строительство огромного ветряка. Аббревиатура "Growian" стала символом исследовательского фиаско стоимостью 90 миллионов марок и "ярлыком" на чисто немецкой гигантомании, как об этом писала в 1983 году "Франкфуртская газета".
Споткнулись уже на старте. Энергопроизводители не пожелали содействовать проекту гигантской стройки. Электроконцерны RWE и Schleswag с большой неохотой присоединились, однако, застраховав себя от всех возможных финансовых рисков. Член правления RWE Гюнтер Клетте признался в феврале 1982 года всему миру в том, что "Growian" это "всего лишь педагогический пример" для обращения на путь истинный противников атомной энергии. А бывший министр науки Матхёфер немного раньше проговорился: "Мы знали, что это ничего не даст. Но мы делали это, чтобы показать, что ничего не выйдет".
И вот в феврале 1983 года, после долгих проволочек, шедевр немецкого инженерного искусства был наконец смонтирован. Между капустными полями, овечьими стадами и гогочущими гусями в Дитмарше на Кайзер-Вильгельм-Коог вырос колосс. Башня высотой 100 метров, каждое из двух крыльев длиной 50,2 метра, роторная станция весом 420 тонн. Со своими 3-мя мегаваттами установка эта в 50 раз больше, чем самая крупная серийная модель ведущей "ветряной" нации Дании, диаметр превосходит НАСА-гиганта на 40 метров. Построил Growian мюнхенский концерн MAN. "Мы не имели ни малейшего представления о энергии ветра", - признавался годы спустя в беседе с журналистом Яном Олькером, Эрих Хау - инженер, ответственный за аэродинамику. Но MAN должен был всего лишь воплотить в жизнь концепции Хюттера. Поскольку большинство инженеров "ни разу в жизни не видели ветряного колеса" (Хау), то фирма приобрела в качестве наглядного пособия допотопную ветряную мельницу стоимостью, в пересчёте на сегодняшний день, 10.000 евро.
Фаза эксплуатации Growian была коротка и болезненна. Трещины во втулке, лопнувшие крылья, перегоревший мотор, потом опять болезненная лихорадка и загадочная турбулентность. Ветер свистел над крышей, а Growian рискованно раскачивался. Гигант оказался просто ветром в поле и после постоянных ремонтов и целых 331-го часа нормального функционирования был, наконец, в 1988 году снесён.
Однако усилия не были совсем напрасными. Поскольку ещё весной 1979 года MAN в качестве тренировки сконструировал что-то вроде мини-Growian: "Аэроман" с мотором 11-метровой длины. Первые его модели очень быстро пошли в металлолом, однако конструкторы сделали соответствующие выводы и разработали действительно хорошее ветряное колесо. Эта небольшая мельница с башней, устойчивой к колебаниям, закрепила основные параметры и была продана в мире в количестве 470 штук, что, разумеется, ничтожно мало для такого глобального игрока, как MAN.
Но в то же самое время, когда атомное воодушевление заметно поутихло, начался настоящий и продолжающийся по сей день ветряной ренессанс. Вначале, правда, лишь в альтернативно-зелёных кругах. Везде, как грибы после дождя, растут небольшие ветряки - символ децентрализованного и, в первую очередь, безопасного производства электроэнергии. Мельницы собирали из ржавых цистерн и старых стиральных машин, из осей грузовиков и столбов старых линий электропередачи.
Умелец на все руки с острова Зильт Гинтер Вагнер в 1982 году в качестве символа "против атома и угля" смонтировал ветряную установку на старом 70-летнем катере. Его плавучая электростанция стала первой немецкой шельфовой установкой.
Но настоящих профессиональных парков ещё не было. Первые испытания на острове Пельворм в Северном море в 1984 году закончились поломкой мачты и обрывом шкотов. В 1986 году, когда безмятежные мечты об атомном будущем взорвал Чернобыль, в Германии, по оценкам инженера MAN Эриха Хау, вращалось не более 50-ти профессионально сконструированных ветряков.
Напротив же в Дании, в то же самое время эксплуатировалось уже 1.200 коммерческих мельниц. Правительство в Копенгагене привлекало инвесторов 30%-й субсидией, поставив целью к 1995 году покрывать 10% потребления посредством ветра. В 1985 году на побережье залива Каттегат у Эбельтофта вводится в эксплуатацию первый морской ветропарк, расположенный на длинном молу. 16 ветряков снабжают электроэнергией 40.000 жителей. И королевство (Дания) ещё преуспевает в экспорте, прежде всего в Калифорнию. Рынок процветает и не только в США. Исследователи ООН оценивают ветряной потенциал европейского побережья в 1.050 биллионов киловатт-часов в год.
Однако фиксированная на ядерной энергетике Федеральная Республика проспала технический поворот. Всего одна исследовательская программа, начатая после нефтяного кризиса, получает в своё распоряжение жалкие 100 миллионов евро и благополучно истекает в начале 80-х. Ядерная энергетика на тот же период времени получает 8 миллиардов евро. В дополнение к этому, бюрократия крутит замысловатые пируэты. На инвесторов обрушивается град отклонений с невероятными обоснованиями. То ветряки слишком велики и возвышаются над кронами деревьев, то они "угрожают движению", то "являются инородным телом" в ландшафте. Верховный административный суд Мюнстера в 1982 году выдвигает особенно изощрённый аргумент: ветряная башня может "лишить соседей ветра".
Однако эти придирки лишь лёгкое дуновение ветерка по сравнению с тем ураганом, который обрушится на ветряки позже. Но прежде, ветряная энергия неожиданно получает "попутный ветер". Паруса надувают депутаты бундестага Матиас Эгельсбергер (ХДС) и "зелёный" Вольфганг Даниэльс - самая ранняя черно-зелёная коалиция. Христианский демократ Эгельсбергер, сам родом из Зигсдорфа под Траунштейном, хорошо знаком с нуждами мелких производителей. Долгие годы он вёл ожесточённую тарифную войну с энергоконцернами за интересы баварских гидроэлектростанций. В лице Даниэльса он нашёл союзника среди Зелёных. Совместно они разрабатывают проект закона "О подаче энергии из возобновляемых источников" (Stromeinspeisungsgesetz). По требованию Юргена Рютгера, лидера фракции ХДС, а также для того, чтобы получить поддержку консервативного лагеря, в бундестаге законопроект представляется чисто "христианской" инициативой. И действительно, закон "О подаче энергии из возобновляемых источников" принимается на заседании бундестага. Только десять лет спустя 7 декабря 1990 года красно-зелёным правительством Герхарда Шрёдера и под названием "Закон о возобновляемой эенергии". Он обязывает производителей и сетевых поставщиков покупать электроэнергию из возобновляемых источников и соответственно платить за неё: 16,61 пфениг (примерно 9 центов) за киловатт-час. Революция!..
Тем не менее, для многих парламентариев это была лишь конфетка для вечно ноющих "защитников окружающей среды". Действительно, в 1991 году в объединённой Германии стояло всего-навсего 1.000 ветряных мельниц. Однако попутный ветер нового закона превратил альтернативный ренессанс в самый настоящий бум новой энергетики. Прежде всего на побережье. Земли Северной Германии поддерживают идею ветряной энергии, исходя из преимущества своего положения и развития новой индустрии.
Следующий импульс пришёл из Бразилии. На саммите в Рио в 1992 году климатическая катастрофа была объявлена глобальной темой, а чистая экологическая энергия ветра и солнца приобрела особое дополнительное значение. До конца десятилетия удесятеряется и количество ветряков в Германии. Появляются первые ветряные парки и новые модели финансирования и инвестиций. Скоро немецкое законодательство становится международным лидером. По сей день 61 страна копирует федеральный "Закон о возобновляемой энергии" - мировой пример разумной и внятной политики финансового субсидирования биоэнергии, а также энергии солнца и ветра.
Одновременно заявляет о себе и революция технологий. В Восточно-фризском Аурихе (Восточно-Фризские острова - цепь островов в Северном море у побережья Восточной Фризии в Нижней Саксонии. Острова вместе с окружающим их морем являются частью Национального парка Шлезвиг-Гольштейнское мелководье, прим. перев.), упрямый электроинженер Алоиз Вобен совместно со своим временным помощником мастерит будущее. В мастерской, расположенной в одном из сараев, в 1984 году умелец собрал свой первый электромотор. Основанное им предприятие "Энеркон" постепенно вырастает в фирму средней руки и, наконец, в 1992 году Вобен совершает рывок наверх, благодаря изобретению ветряных колес без передаточного механизма. Они лучше вращаются, более надёжны и вскоре завоевывают славу "мерседесов среди ветряков". Из мастерской в гараже Вобен со своей фирмой поднялся до 5-ки лидеров мирового рынка с миллиардными оборотами.
Ветряные установки становятся всё больше и мощнее. Всё больше становится и неудовольствие населения. Появляется новый "повод к войне" и его обозначил "Спаржевый ландшафт" (немецкое слово Verspargelung недавнего происхождения, образовано от слова "спаржа", чьи ростки напоминают башни. В общем им обозначают сейчас изменение пейзажей постройкой башен, высоких мачт электропередач, ветряков и прочих строений, не вписывающихся в ландшафт. Например знаменитую телевизионную башню в центре Берлина, после объединения Германий прозвали "Теле-спаржа", прим. перев.).
В середине 90-х гражданские инициативы "Встречный ветер" и "Спасите Укермарк" (округ на северо-востоке земли Бранденбург, на границе с Польшей, прим. перев.) активно выступают против "мельниц-монстров". Наряду с претензиями к эстетике, критикуют также "отбрасывание тени" лопастями установок, уровень шума моторов и возможные травмы птиц. Защитники экологии, такие как тележурналист Хорст Штерн или швейцарский экономист Ханс Кристоф Бинсваген, также предупреждают о "разрушении природных и культурных ландшафтов." Берлинский политолог Ханс-Йоахим Менгель называет "вторжение ветряных колёс" самым страшным "опустошением со времён 30-летней войны".
Ещё в 2005 году Клемент и слышать не желал о морских ветропарках
В августе 1997 года в издательстве "Две тысячи первый" вышел памфлет против "Техники без будущего". Для его автора Отфрида Вольфрума, техника-геодезиста из Дармштата, ветряки стали "идеологией принимать желаемое за действительное", так как они не смогут внести существенного вклада в энергоснабжение "из-за незначительной плотности воздушных потоков" и потребности в больших площадях. Немногим ранее немецкая энергетика подвергалась аналогичным нападкам с такими посланиями в прессе: "Возобнавляемые источники энергии, такие как солнце, вода или ветер, в долгосрочной перспективе смогут покрыть не более 4% энергопотребления". Между тем сегодня эта цифра уже выросла до 20%, а 100% объявлено долгосрочной целью.
В новом тысячелетии энергия ветра переживает свои лучшие годы. Число установок растёт с невероятной скоростью. В рекордных 2001 и 2002 годах общее количество ветряков достигло 4.407. Последнее сопротивление возобновляемым источникам энергии оказывает, помимо "Шпигеля" (статья "Мельничное безумие"), берлинское министерство по экономике в лице Вольфганга Клемента (СДПГ)(с октября 2002 по сентябрь 2005 министр экономики и труда ФРГ в правительстве Герхарда Шрёдера, прим. перев.), который ведёт жёсткую подковёрную борьбу с министерством экологии в лице Юргена Тритина (немецкий политик, занимавший пост министра по охране окружающей среды, охраны природы и ядерной безопасности с 1998 по 2005 годы, прим. перев.) В то время как немецкие предприятия по производству технологий в области возобновляемой энергии штурмуют мировой рынок и выходят на биржи, создавая своими 367.000 рабочих мест новое "экономическое чудо", Клемент лоббирует интересы старых энергоконцернов. Апогей абсурда: в 2005 году министерство Клемента запрещает министерству экологии провести "мастер-класс" по ветряной энергии на бременской национальной конференции, посвящённой морским ветропаркам. Дело уладило лишь вмешательство канцлера Шрёдера.
Между тем, общество постепенно приняло планы морских ветропарков. После Фукусимы и отказа от ядерной энергетики, СМИ обошло фото: канцлер Меркель осматривает с вертолёта морской ветропарк. Меланхолический взгляд фиксирует башни ветряков. Послание ясно: десятилетиями оспариваемая сила ветра сейчас и на суше и на море стала контрофорсом, опорой второго ядерного выхода.
С тех пор как мельницы стали тише и более экологичны, а также размещаются вдали от неселённых пунктов, общественность стала всё более благосклонна к ним. 94% немцев считают отныне развитие возобновляемой энергетики делом правильным и нужным. Видимо, немцы вновь открыли в себе старую любовь к ветряным мельницам.
Оригинал статьи
Прим. перев.
«Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле» (К.Маркс. «Машины: применение природных сил и науки»).
Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых.
В XVI веке экономический расцвет Голландии, куда Петр Первый ездил учиться, был вызван именно развитием ветроэнергетики. Первоначально голландцы использовали ветряки для осушения польдеров - отвоеванных у моря земель, а затем приспособили для приводов лесопилок и других производств. В тогдашней Европе Голландия была самой энерговооруженной страной.
В России ветряные установки использовались в основном для помола зерна. До революции их в стране насчитывалось около 200 000, и перемалывали они более 2 миллиардов пудов зерна в год.
Первый экземпляр ветродвигателя с роторами (цилиндрами) на четырех крыльях, диаметром 20 м, был установлен в 1926 г. в Берлине на башне высотой 15 м. Его крылья были сделаны из легкого металла - лоталя. Тогда же предпринимались попытки создать силовые установки на основе ветроагрегата для морских и речных судов. Работы эти, основанные на эффекте Магнуса (при вращении цилиндра в набегающем на него потоке воздуха появляется поперечная сила, действующая на него), со временем были свернуты. В 1980-е годы знаменитый океанограф Жак-Ив Кусто построил судно, работающее на том же принципе, доказав, как минимум, работоспособность идеи.
В 1930-х годах Советский Союз был «впереди планеты всей» в использовании энергии ветра. Тогда было освоено производство разнообразных ветроустановок мощностью 3-4 киловатта, которые выпускались целыми сериями. В 1931 году в СССР заработала крупнейшая на тот момент в мире сетевая ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, вслед за ней на юге страны были установлены десятки подобных ветрогенераторов. В 1938-м в Крыму развернулось строительство ветроэлектростанции мощностью 5 МВт. С 1950 по 1955 год страна производила до 9 тысяч ветроустановок в год единичной мощностью до 30 кВт. В годы освоения целины в Казахстане была сооружена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, работавшая в паре с дизелем, общей мощностью 400 кВт - прообраз современных европейских ветропарков и систем «ветро-дизель».
Но использование энергии ветра в крупномасштабной энергетике оказалось несвоевременным - нефть оставалась сравнительно дешевой, устойчиво сокращались капитальные вложения в строительство тепловых электростанций, развивалась гидроэнергетика. В 1960-1980-е годы энергетическая отрасль нашей страны была ориентирована на строительство крупных ТЭС, ГЭС и АЭС: ветряки не выдержали конкуренции с электроэнергетическими гигантами, объединившимися в единую национальную сеть, и в конце 1960-х годов их серийное производство было закрыто.
Интересно, что в стремлении избавить пейзажи от торчащих ветряков, некоторые новаторы предлагают переместить турбины в города - на крыши высоких зданий. Увы, их суммарная мощность была бы несущественной.
Несколько зданий в разных странах пытались получать для себя энергию с помощью ветряков, но пока ни один подобный проект не достиг желаемой цели.
Дело в том, что очень трудно вписать в проект здания ветряк более-менее существенных размеров.
Его попыталась разработать организация «Ветровая энергия для городской окружающей среды» (Wind Energy for the Built Environment - Project Web), спонсируемая европейским правительством.
По замыслу её специалистов, две 50-этажных высотки, вместе с профилированными перемычками, создавали бы нечто вроде аэродинамической трубы, резко ускоряющей поток воздуха между зданиями.
Три гигантские турбины между небоскрёбами давали бы энергию почти достаточную для полного удовлетворения потребностей этих двух зданий.
Достоинства и недостатки ветряной энергетики
Ветровая энергия, наряду с солнечной и водной, принадлежит к числу постоянно возобновляемых и, в этом смысле, вечных источников энергии, обязанных своим происхождением деятельности Солнца. Вследствие неравномерного нагрева солнечными лучами земной поверхности и нижних слоев земной атмосферы, в приземном слое, а также на высотах от 7 до 12 км возникают перемещения больших масс воздуха - ветер. Он несёт колоссальное количество энергии: почти 2 % энергии всей солнечной радиации, попадающей на Землю. Потенциальные ресурсы ветровой энергии на всей территории России определены в 10,7 ГВт.
К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю, что особенно важно для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т.п.) районов, удалённых от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 квт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах. Надо также не забывать и о том, что ветроэнергетика - это экологически чистая энергия и установление ветроустановок не наносит вреда природе.
В то же время существуют и недостатки ветроэлектростанций, которые затрудняют их внедрение. Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника - непостоянство его скорости (а, следовательно, и энергии) во времени. Ветер характеризуется не только многолетней и сезонной изменчивостью - известно, что он может менять скорость и направление в течение очень коротких промежутков времени. В зонах с умеренным ветровым режимом (среднегодовая скорость ветра 5 м/с) на 1 км2 можно получить годовую выработку электроэнергии около1 млн квт·ч.
Мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому, даже относительно небольшие его изменения приводят к значительным колебаниям мощности, развиваемой ветродвигателем. На уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭС мощностью 850 кВт уровень шума составляет 104 дБ. Система управления углом атаки способна уменьшить его, но очень незначительно. Но на расстоянии 300 м шум снижается до 42-45 дБ (на оживленной улице наши уши страдают больше). К тому же в России есть возможность смонтировать установку на расстоянии 700-1000 м от застройки. К сожалению, помимо шума, воспринимаемого человеческим ухом, вокруг ВЭС возникает опасный инфразвук частотой 6-7 Гц, вызывающий вибрацию. Кроме того, ВЭС могут затруднить прием телепередач.
На Западе некоторые проблемы, связанные с работой ветроэлектростанций, удалось решить еще в середине 1990-х годов. Был снижен уровень шума и вибраций путем подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Кроме этого, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом, чтобы птицы не попадали под вращающиеся лопасти.
Типы ветроэлектростанций
Ветроэлектростанции XXI века мало чем напоминают своих древних собратьев - ветряные мельницы, хотя принцип работы ветроагрегатов практически не изменился: под напором ветра вращается колесо с лопастями, передавая крутящий момент другим механизмам, причем чем больше диаметр колеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и быстрее вращается.
Сегодня в мире широко распространены ветродвигатели двух типов: крыльчатые и карусельные. Встречаются еще барабанные и некоторые другие оригинальные конструкции.
Крыльчатые ВЭС - их еще называют ветродвигателями традиционной схемы - представляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения (самый простой аналог - детская вертушка). Система устанавливается в самое выходное положение в потоке ветра с помощью крыла-стабилизатора (наподобие флюгера). На мощных станциях, работающих на сеть, для этого используется электронная система управления рысканием. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую (без мультипликатора), мощные станции оснащают редуктором. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС (намного выше, чем у других ветряков, недаром они занимают более 90 % рынка.
Карусельные, или роторные, ВЭС с вертикальной осью вращения (на вертикальную ось «насажено» колесо, на котором закреплены «приемные поверхности» для ветра), в отличие от крыльчатых, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Ветродвигатели этой группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра.
Есть и оригинальные проекты, появившиеся не так давно - это ВЭС принципиально новой конструкции, состоящие из фундамента, трехопорного несущего основания и смонтированного на нем кольцеобразного генератора со встроенным подшипником и центральным ротором. Кольцо генератора может достигать в диаметре 120 м и более. Другой пример - многомодульная ветроустановка, состоящая из одного-двух десятков небольших ветроагрегатов. Конструкции ВЭС постоянно совершенствуются: улучшаются их аэродинамика и электрические параметры, уменьшаются механические потери и т.д.
Отсюда