Энергия ветра - это электричество, создаваемое естественным потоком воздуха в атмосфере Земли. Поскольку это возобновляемый ресурс, который не истощается в процессе использования, его воздействие на окружающую среду значительно меньше, чем при сжигании ископаемого топлива.
Энергию ветра можно создать с помощью нескольких 2,5 м парусов, расположенных так, чтобы было возможно улавливать преобладающий ветер, который затем может повернуть камень и измельчить зерно (мельница). Или это может быть так же сложно, как 46 метровая лопасть, вращающая генератор для производства электричества, которое хранится в батарее или развертывается в системе распределения энергии. Существуют даже безлопастные ветряные турбины.
Ветер обеспечивает 6% мировых потребностей в электроэнергии. Ветроэнергетика ежегодно растет на 10% и является основной частью большинства планов по борьбе с изменением климата и обеспечению устойчивого роста в различных странах, включая Китай, Индию, Германию и США.
Определение энергии ветра.
Автомобили проезжают по автомагистрали 580, рядом с рядами ветряных турбин ветряной электростанции Альтамонт-Пасс в Ливерморе, Калифорния.
Люди используют энергию ветра различными способами, от простого перекачивания воды для скота в отдаленных местах до более сложного, такого как тысячи турбин, которые возвышаются над холмами, пересекающими шоссе 580 в Калифорнии (на фото выше).
Основные компоненты любой ветроэнергетической системы довольно похожи. Лопасти определенного размера и формы соединены с приводным валом, а затем с насосом или генератором, который либо использует, либо собирает энергию ветра. Если энергия ветра используется непосредственно в качестве механической силы, например, измельчения зерна или перекачивания воды, то это называется ветряной мельницей; если энергия ветра преобразует в электричество, то это ветряная турбина. Система турбины требует дополнительных компонентов, таких как батарея для хранения электричества, или она подключается к системе распределения энергии, то есть к линии электропередач.
На самом деле неизвестно, когда человек впервые использовал ветер, но «ветер передвигал лодки по реке Нил в Египте примерно в 5000 году до нашей эры». К 200 г. до н.э. люди в Китае использовали ветер для того, чтобы привести в действие водяные насосы, а ветряные мельницы с лопастями ручной работы использовались для измельчения зерна на Ближнем Востоке. Со временем ветряные насосы и мельницы стали применяться во всех видах производства продуктов питания. Затем эта технология распространилась в Европе, где голландцы построили большие ветряные насосы для осушения заболоченных земель; и оттуда «попала» в Америку.
Основы ветроэнергетики.
Ветер образуется из-за разницы в давлении между двумя разными воздушными областями. Он возникает тогда, когда солнце нагревает атмосферу из-за изменений поверхности Земли и вращения планеты. Ветер может становиться сильнее или слабее «под влиянием воды, лесов, лугов, а также при изменении рельефа местности». Характер и скорость ветра значительно различаются в зависимости от местности и сезона, но некоторые из этих характеристик достаточно предсказуемы.
Выбор места.
Лучшее место для размещения ветряной турбины - это вершины округлых холмов, открытые равнины (или открытая вода для прибрежного ветра) и горные перевалы, через которые ветер проходит естественным путем (создавая регулярные высокие скорости ветра). Как правило, чем выше высота над уровнем моря, тем лучше, поскольку на более высоких участках обычно бывает сильнее ветер.
Прогнозирование энергии ветра важно для выбора места установки ветряной турбины. Существует множество карт скорости ветра и данных разных организаций.
Затем следует провести обследование участка с целью оценки местных ветров и определения наилучшего направления для размещения ветряных турбин с максимальной эффективностью. В течение как минимум года проектируются скорость, турбулентность и направление ветра на суше, а также температура и влажность воздуха. Как только эта информация определена, можно устанавливать турбины.
Ветер - не единственный фактор для размещения турбин. Разработчики ветряных электростанций должны учитывать, насколько близко ветряная электростанция находится к линиям электропередач (и к городам, которые могут использовать электроэнергию); возможные помехи для аэропортов и самолетов; скалы и разломы; схемы полета птиц и летучих мышей; а также воздействие на местное сообщество (шум и др. воздействия).
Большинство крупных ветроэнергетических проектов рассчитаны на срок не менее 20 лет, поэтому эти факторы должны учитываться в долгосрочной перспективе.
Виды энергии ветра.
Ветроэнергетика
Ветроэлектростанция и электрическая подстанция.
Крупномасштабные ветряные проекты предназначены для использования в качестве источника энергии коммунальными предприятиями. По своему охвату они аналогичны электростанциям, работающим на угле или природном газе. Турбины мощностью более 100 киловатт обычно устанавливаются по несколько единиц для обеспечения максимальной мощности.
Морская ветроэнергетика
Ветряные турбины расположены в море около Копенгагена.
Как правило, это проекты ветроэнергетики коммунального масштаба, которые расположены в прибрежных водах. Они могут генерировать мощность, необходимую для энергоснабжения крупных городов (которые на большей части территории США сконцентрированы около берега). По данным Министерства энергетики США, в прибрежных районах ветер дует сильнее, чем на суше. Потенциал оффшорной ветроэнергетики в США составляет более 2 000 гигаватт энергии, что в два раза превышает генерирующую мощность всех электростанций США. По данным Международного энергетического агентства, во всем мире ветряная энергия может обеспечить в 18 раз больше энергии, чем используется в настоящее время.
Малая или распределенная ветряная энергия.
Генераторы солнечной и ветряной энергии на деревянном доме.
Этот вид энергии ветра противоположен приведенным выше примерам. Это ветряные турбины небольшого размера, которые используются для удовлетворения энергетических потребностей конкретного объекта или местности. Иногда эти турбины подключены к энергораспределительной сети, а иногда они работают автономно. Небольшие установки (мощностью 5 киловатт) могут удовлетворить некоторые или большинство потребностей домохозяйства, в зависимости от погоды, и размера (20 киловатт или около того). Расположенные на промышленных или общественных объектах, такие установки являются частью системы возобновляемых источников энергии, которая также может включать солнечную энергию, геотермальную или другие источники энергии.
Как работает ветряная энергия?
Функция ветряной турбины заключается в использовании лопастей определенной формы (которая может варьироваться) для улавливания кинетической энергии ветра. Когда ветер «обтекает лопасти, он поднимает их, точно так же, как поднимает парус, чтобы подтолкнуть лодку». Этот толчок ветра заставляет лопасти вращаться, перемещая приводной вал, с которым они соединены. Затем этот вал поворачивает какой-то насос - либо непосредственно перемещая кусок камня над зерном (ветряная мельница), либо толкая эту энергию в генератор, создающий электричество, которое может быть использовано сразу или сохранено в батарее.
Процесс создания системы выработки электроэнергии (ветряной турбины) включает следующие этапы:
Ветер приводит в движение лопасти.
В идеале ветряная мельница или ветряная турбина располагаются там, где регулярно и постоянно дует ветер. Колебания воздуха толкают специально разработанные лопасти, которые «позволяют ветру толкать их максимально легко». Лопасти сконструированы таким образом, чтобы их можно было толкать вверх или вниз в зависимости от их местоположения.
Кинетическая энергия преобразуется.
Кинетическая энергия - это свободная энергия, исходящая от ветра. Для того, чтобы можно было использовать или хранить эту энергию, ее необходимо преобразовать в пригодную для использования форму энергии. Кинетическая энергия преобразуется в механическую, когда ветер, встречаясь с лопастями ветряной мельницы, толкает их. Затем физический объект, перемещаемый лопастями, вращает приводной вал - теперь эту энергию можно улавливать.
Вырабатывается электричество.
В ветряной турбине, вращающийся приводной вал соединен с коробкой передач, которая увеличивает скорость вращения в 100 раз, что, в свою очередь, раскручивает генератор. Это вращение перемещает внутренний вал, соединенный с коробкой передач, увеличивая скорость вращения в 100 раз. Следовательно, шестерни вращаются намного быстрее, чем лопасти, толкаемые ветром. Когда эти шестерни набирают достаточно высокую скорость, они могут приводить в действие генератор, который производит электричество. Коробка передач - самая дорогая и тяжелая часть турбины, и инженеры работают над генераторами с прямым приводом, которые могут работать на более низких скоростях (поэтому им не нужна коробка передач).
Трансформатор преобразует электричество.
Электроэнергия, вырабатываемая генератором, представляет собой переменный ток. В зависимости от местных потребностей может потребоваться трансформатор для преобразования его на другое напряжение.
Электричество используется или хранится.
Электроэнергия, производимая ветряной турбиной, может использоваться на месте (что более вероятно в случае малых или средних ветроэнергетических проектов), может доставляться на линии электропередач для использования или храниться в батарее.
Более эффективное развитие систем хранения энергии - ключ к развитию ветроэнергетики в будущем. Увеличенная емкость хранения означает, что в дни, когда ветер дует меньше, накопленная электроэнергия может ее дополнять.
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.
Плюсы и минусы ветроэнергетики.
Плюсы:
- При правильном размещении ветряная энергия может производить дешевую и экологически чистую электроэнергию в 90% случаев.
- Ветряная электростанция производит минимальное количество отходов, также нет необходимости в подаче воды для охлаждения оборудования и нет сточных вод.
- После установки ветряные турбины имеют низкие эксплуатационные расходы.
- Это гибкая технология: можно использовать небольшую турбину для питания дома или фермы, большую турбину для промышленных нужд или парк гигантских турбин того, чтобы создать источник энергии на уровне электростанции для города.
Минусы:
- Стабильность ветра может быть разной. Кроме того, слишком слабый или сильный ветер приведут к отключению турбины.
- Турбины могут быть шумными в зависимости от их размещения, а некоторым людям не нравится их внешний вид.
- Ветряные турбины наносят вред дикой природе, особенно птицам и летучим мышам.
- Ветряные турбины имеют высокую начальную стоимость, но окупаются относительно быстро.
