Энергия ветра как альтернативный источник энергии

Ветер использовался человеком с древнейших времен. В мореплавании паруса применялись вплоть до появления паровых машин. Но и ветроэнергетика имеет свою многовековую историю.

По данным археологов, первые простейшие ветряные турбины использовались в древности в Египте и Китае. В Египте, недалеко от города Александрия, сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа с вертикальной осью вращения, построенных во II-I веках до нашей эры. В VII веке нашей эры в Персии (Иран) были построены более совершенные сооружения — лопастные ветряные мельницы с горизонтальной осью вращения. Несколько позже, вероятно, в VIII-IX веках, ветряные мельницы появились в Западной Европе и в России. С XIII века ветряки получили широкое распространение в Голландии, Дании, Англии и России, где использовались для подъема воды, размельчения зерна и в качестве привода различных машин и механизмов.

В XIV веке голландцы стали лидерами в совершенствовании конструкций ветряных мельниц, и с тех пор они широко использовались для осушения болот и озер в дельте реки Рейн. Между 1608 и 1612 годами польдер Беемстер (польдеры — низменные места, которые планируется осушить), расположенный на три метра ниже уровня моря, был осушен с помощью 26 ветряных установок мощностью 37 кВт каждая.

В 1582 году в Голландии была построена первая маслобойня, использующая энергию ветра, а через 4 года — первая бумажная фабрика, которая отвечала возросшим требованиям к бумаге в связи с изобретением печатного станка. В середине XIX в. в Голландии для различных целей использовалось около 9 тыс. ветродвигателей.

Во время промышленной революции, с внедрением паровых двигателей, использование энергии ветра в Голландии сократилось. В начале XX века здесь работало всего около 2,5 тысяч ветродвигателей, а к 1960 году из них все еще в рабочем состоянии находились уже менее 1 тысячи установок.

Ветер как явление природы

Как известно, на 1 м² поверхности Земли на экваторе или вблизи него приходится больше солнечного излучения в год, чем на 1 м² земной поверхности в более высоких широтах. Кривизна Земли означает, что ее поверхность становится более наклонной к солнечным лучам с увеличением широты. Кроме того, с увеличением широты солнечные лучи должны проходить большее расстояние через атмосферу, поэтому и больше солнечной энергии поглощается по пути, прежде чем она достигнет поверхности. В результате в тропиках теплее, чем в регионах более высоких широт. Этот неравномерный солнечный нагрев поверхности Земли вызывает колебания атмосферного давления, которые, в свою очередь, приводят к движению атмосферных воздушных масс, являющимся основной причиной ветровых систем Земли.

Ветер — это циркуляционное движение воздушных масс, вызванное неравномерным нагревом земной поверхности (неустойчивым в течение суток, сезона и в пространстве), а также вращением Земли вокруг своей оси, вызывающим так называемую силу инерции Кориолиса. Другими словами, это глобальные условия, вызывающие воздушные течения общей циркуляции земной атмосферы.

Однако существует множество местных причин, вызывающих «местные ветры», т.е. ветры, характерные для определенных районов земного шара. Местные ветры возникают независимо от более мощных воздушных течений, лишь накладываются на них или представляют собой местные модификации общих течений.

Следующие местные ветры, различающиеся по происхождению, как правило, носят собственные названия:

а) ветры, связанные с особенностями нагрева земной поверхности: бризы — в прибрежных районах морей и крупных озер и водохранилищ, обусловленные разницей в нагреве суши и воды; горно-долинные ветры в горах, меняющие направления дважды в сутки; ледниковые ветры, постоянно дующие со склонов ледниковых долин;

б) ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы над горными массивами. На подветренных склонах гор воздух получает нисходящую составляющую скорости и усиливается, в результате чего возникают местные ветры, называемые фёнами, борами, бизами и др. Такие ветры определяют характерные периодические изменения погоды: потепление и понижение влажности – при фёне, похолодание – при боре;

в) ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы, но не имеющие нисходящей составляющей и топографически усиленные в данной местности: афганец, урсатьевский ветер в Средней Азии, кошава на Балканском полуострове и др.

г) ветры, связанные с течениями общей циркуляции атмосферы, даже не усиливающиеся в данном районе, но создающие особый режим погоды, важный для хозяйственной деятельности в нем, приносящие потепление или похолодание, песчаную пыль или влагу: суховей в южных областях России и Украины, сирокко в Средиземноморье, хамсин в Египте, харматан в Западной Африке, близзард в Северной Америке, пурга в Северной и Центральной Азии, памперо в Аргентине и др.

д) многочисленные пылевые вихри, шквалы, пыльные и песчаные бури, связанные с неустойчивой стратификацией атмосферы (вертикальным распределением температуры воздуха) с сильным нагревом воздуха снизу или притоком холодного воздуха в высоких слоях.

С древнейших времен с ветрами различного происхождения в основном имели дело мореплаватели. Поэтому неудивительно, что английский военный гидрограф и картограф, контр-адмирал Фрэнсис Бофорт (1774-1857) предложил в 1806 году условную шкалу для оценки силы ветра в баллах на основе его воздействия на наземные объекты и по волнению моря.

Читать также: Ветер. Какие бывают ветры в природе

 По фамилии автора шкала получила название «шкала Бофорта» и до сих пор используется моряками, к ней также присоседились ветроэнергетики. В таблице 1 приведена упомянутая шкала и к ней добавлены еще две колонки: «воздействие ветра на ВЭУ» и «условия работы ВЭУ в данном диапазоне скоростей ветра».

Табл. 1

Энергия и мощность ветра

Кинетическая энергия, связанная с объемом движущегося воздуха, равна половине его массы, M, умноженной на квадрат скорости, V.

P= \frac {mv^2}{2}[Вт]

Максимальная мощность, которая может быть передана ветровой турбине потоком движущегося воздуха, пропорциональна:

1. плотности воздуха, ρ
2. площади, очерчиваемой лопастями ротора, A
3. кубу скорости ветра, V³.

P\sim \frac{1}{2}  ρAV^3 [Вт]

Плотность воздуха меньше на больших высотах (например, в горных районах), а средняя плотность в холодном климате может быть значительно выше, чем в жарких регионах. Кроме того, скорость ветра оказывает очень сильное влияние на выходную мощность из-за «закона куба». Например, увеличение скорости ветра с 6 м/с до 8 м/с увеличит мощность ветра более чем в два раза.

Энергия, содержащаяся в ветре, на практике не соответствует количеству энергии, которое может быть выработано ветряной турбиной, поскольку в процессе преобразования кинетической энергии ветра возникают потери.

P_{ВЭУ}= C_p  \frac{1}{2}  ρAV^3 [Вт]

где C_p — коэффициент использования мощности ветрового потока, или коэффициент мощности

C_p = 4a (1 - a^2) 

𝛼 – коэффициент торможения потока

a=  \frac{(V_0- V_2)}{2V_0 } 

где V₀ и V₂ — скорости воздушного потока соответственно до и после ветроколеса. Максимальное значение C_p достигнет при значении  𝛼 = 1/3

C_pmax ≅ 0,593

Т.е. в самом лучшем случае на ветроэнергетической установке (далее – ВЭУ) можно использовать чуть больше половины мощности ветрового потока. Максимальное значение коэффициента C_p в зарубежной литературе, называется критерием Бетца. Оно справедливо для любой энергетической установки использующей энергию свободного потока жидкости или газа. Такие установки называются свободно поточными.

Зависимость коэффициента C_p от коэффициента торможения “𝛼” представлена на рис 1.

Поскольку энергия от ветроколеса передается через редуктор, то необходимо учесть КПД редуктора η_мех, а также КПД генератора, или точнее КПД преобразования электрической энергии η_ген, и, так как очерчиваемая ветроколесом площадь имеет форму круга с диаметром D, то  

A=\frac{πD^2}{4}

Тогда, выражение мощности ВЭУ в киловаттах будет выглядеть так:

P_{ВЭУ}= \frac{1}{2} ×\frac{1}{4} C_p  ρπD^2 V^3 η _{мех} η _{ген}×10^{-3} =
 0,3925  C_p ρD^2 V^3η _{мех} η _{ген}×10^{-3} [кВт]

Классификация ветроустановок

Большинство современных ветряных турбин можно разделить на два основных типа:

ветроэлектрические установки с горизонтальной осью вращения (рис. 2 ) и ВЭУ с вертикальной осью вращения (рис. 3 ).

Большинство современных ВЭУ имеют горизонтальную ось вращения. Их доля составляет около 98% всех ВЭУ, подключенных к сетям энергосистем.

Кроме того, ВЭУ также классифицируют на промышленные, коммерческие и бытовые (для частного использования).

Существуют классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по скорости вращения, по шагу винта и др.

Как сказано выше, по расположению оси вращения ветроколеса ВЭУ делятся на горизонтально-осевые и вертикально-осевые.

1. Ветряные турбины с горизонтальной осью вращения (Horizontal axis wind turbines — HAWT).

В таких установках ось вращения совпадает с направлением ветра. Практически все они пропеллерного типа. Их размеры варьируются от очень маленьких машин, производящих несколько десятков или сотен ватт, до очень больших турбин, производящих 8 МВт и более. По числу лопастей ВЭУ бывают одно, двух, трех и многолопастные (рис.  4).

Конструкции однолопастных ВЭУ не получили широкого распространения.

Многолопастные ветряные турбины, как показано на рисунке 5а, создают высокий крутящий момент при слабом ветре и, соответственно, низких оборотах ротора и используются с девятнадцатого века для перекачки воды. При увеличении скорости ветра эффективность таких ветроколес существенно снижается.

Современные ветряные турбины, как показано на рисунке 5b, обычно имеют две или три лопасти и работают на гораздо более высоких скоростях вращения. Их роторы внешне напоминают пропеллеры самолетов, их конструкция обусловлена главным образом аэродинамическими соображениями.

Все горизонтально-осевые ВЭУ по направлению вращения ветроколеса делятся на вращающиеся по часовой стрелке (clockwise) и против часовой стрелки (anti clockwise), если стать лицом к механизмам поворота лопастей и редуктора.

2. Ветряные турбины с вертикальной осью вращения (Vertical axis wind turbines — VAWTs).

В таких турбинах ось вращения перпендикулярна направлению ветра. Они могут использовать ветры любого направления без необходимости менять положение ротора при изменении направления ветра.  Второе преимущество — возможность располагать все механизмы внизу, а стало быть, отсутствует необходимость сооружать мощную башню.

Несмотря на эти преимущества, VAWT на сегодняшний день не имеют большого распространения, отчасти из-за проблем с пульсацией крутящего момента, приводящей к пульсациям мощности, большой подверженности усталостным разрушениям узлов ВЭУ из-за часто возникающих автоколебательных процессов. В частности, главной слабостью является подпятник-подшипник главного вала ВЭУ. Именно благодаря его разрушению прекращены попытки сооружения мощных ВЭУ с вертикальной осью.

Конструкция современных VAWT развились из идей французского инженера Жоржа Даррье, в честь которого был назван один из типов VAWT, который он изобрел в 1925 году. Это устройство, напоминающее большую взбивалку для яиц, имеет изогнутые лопасти с симметричным поперечным сечением, прикрепленные к верхней и нижней части вертикального вала на рисунке 6а.

Однако изогнутые лопасти ротора Даррье сложные в изготовлении, их трудно транспортировать и устанавливать, поэтому были разработаны лопасти с прямым лезвием. К ним относятся ветряная турбина с вертикальной осью типа «H» (H-VAWT) (Н-ротор), показанная на рисунке 6b, состоящая из башни, увенчанной ступицей, к которой прикреплены два или более горизонтальных поперечных рычага, которые поддерживают прямые вертикальные лопасти аэродинамического профиля; и ветряная турбина с вертикальной осью типа «V» (V-VAWT) (V-ротор), показанная на рисунке 7а, имеет прямые лопасти, прикрепленные одним концом к ступице на вертикальном валу. На рисунке 7b ниже показан концептуальный проект морской V-VAWT мощностью в несколько мегаватт.

Конструкция ветроустановок

ВЭУ включает следующие основные элементы и компоненты: ротор или ветроколесо, преобразующее энергию ветра в энергию вращения вала; кабину или гондолу, в которой обычно находится редуктор (некоторые турбины работают без редуктора); генератор и другое механическое и электрическое оборудование; башню, поддерживающую ротор и кабину; электрическое и электронное оборудование: панели управления, электрические кабели, систему заземления, оборудование для подключения к сети, систему молниезащиты и т.д.; фундамент, определяющий устойчивость ветровой турбины под воздействием нагрузки.

На первый взгляд простые, ветроустановки, особенно средней и большой мощности, являются оборудованием, вобравшем в себя многие последние достижения науки и техники.

Самой важной частью ВЭУ, определяющей в значительной степени эффективность её работы, являются лопасти турбины, достигающие в современных мощных ВЭУ длины 30-50 м. Это примерно половина футбольного поля! Конструкция этого изделия должна быть устойчива к усталостным напряжениям, поскольку она подвергается большому воздействию изменяющегося момента, во время одного оборота от минимума (нижнее положение лопасти) до максимума (верхнее положение лопасти). И при этом срок службы должен составлять не менее 20 лет.

Основная проблема в изготовлении лопасти состоят в том, что необходимо обеспечить расчетный профиль лопасти, который имеет разную конфигурацию по длине. Кроме того в лопасть должен быть “вмонтирован” проводник молниеотвода, а также необходимо обеспечить прохождение разряда молнии мимо подшипника. Кроме того, каждая лопасть снабжена механизмом поворота, обеспечивающего, при необходимости, поворот всей лопасти или её конечной части. При изготовлении лопасти используются самые современные материалы (пластик, углепластик), обеспечивающие прочность при минимально возможном весе.

Также чрезвычайно технологична система управления ВЭУ. Все процессы полностью автоматизированы, используются самая современная элементная база, компьютерная техника и программное обеспечение. Все основные операции совершаются без участия человека.

Вкратце рассмотрим основные конструктивные особенности ВЭУ.

Назначение обтекателя — снизить турбуленцию потока ветра в плоскости ветроколеса и после ВЭУ. К оголовку — литому изделию сложной формы — крепятся лопасти, в нем расположен привод поворота лопастей и подшипники лопастей. Привод лопастей бывает либо гидравлический, либо механический. Оголовок соединен с валом, передающим мощность от ветроколеса к редуктору.

Редуктор, который часто называют мультипликатором, необходим для увеличения скорости вращения до величины, принятой при конструировании генераторов, обычно 750-1000-1500 об/мин.

Долгое время существовали трудности в разработке надежных конструкций редукторов, поскольку в отличие, скажем, от вертолетных редукторов, где этот механизм является одним из основных компонентов, вертолетные редукторы рассчитаны на непрерывную работу в течение нескольких часов, а в ветровых турбинах они должны работать непрерывно в течение многих лет. В настоящее время все эти трудности преодолены.

Кабина с лопастями, представляющая собой многотонную конструкцию, должна поворачиваться к ветру, направление которого может меняться довольно быстро. Вращение башни осуществляется с помощью электродвигателя через зубчатую передачу. Количество электродвигателей варьируется от одного до восьми в зависимости от мощности ВЭУ и различных конструкций поворотного устройства.

Для того, чтобы гибкий электрический кабель, передающий электроэнергию от генератора к электрическому щиту, расположенному внизу башни, чрезмерно не закручивался, если вдруг кабина будет поворачиваться в одну сторону, что вполне возможно, система управления дает сигнал на прекращение вращения кабины в эту сторону с дальнейшей раскруткой в обратную сторону.

Изменение направления ветра фиксируется флюгером, расположенным на крыше кабины, от него сигнал передается в систему управления и впоследствии на запуск электродвигателя поворота. Чтобы не дергать кабину часто, при изменении направления ветра система управления делает выдержку (5-10 мин.) и только потом, при наличии сигнала, подается команда на двигатель поворота. Поворотное устройство также имеет систему торможения, так как необходимо зафиксировать кабину, обладающую большой инерцией, в точке, где направление воздушного потока перпендикулярно плоскости ветроколеса.

Мощность и энергия, вырабатываемая ветроустановкой

Каждая турбина имеет характерную зависимость вырабатываемой мощности от скорости ветра. В графическом исполнении  такую зависимость часто называют кривой мощности. Она показана на рисунке 9.

Энергия, которую будет производить ветряная турбина, зависит как от кривой зависимости мощности от скорости ветра, показанной на рисунке 9, так и от распределения скорости ветра по диапазонам, показанного на рисунке 10.

Минимальная скорость ветра (cut-in wind speed), показанная на рисунке 9, — это скорость ветра, ниже которой турбина не вращается и не вырабатывает энергию. Скорость ветра, необходимая для начала вращения турбины, должна быть такой, чтобы обеспечить больший крутящий момент, чем момент трения, присущий монтажному узлу лопастей турбины.

Скорость ветра выключения (shut-down wind speed) — это скорость ветра, при которой турбина должна быть заблокирована, чтобы избежать повреждения из-за чрезмерных центробежных сил и других механических воздействий.

Диапазон скоростей ветра между включением и выключением называется рабочим диапазоном турбины. Rated wind speed — номинальная скорость ветра.

Для ветроэнергетических установок характерны следующие скорости ветра:

стартовая скорость ветра, обычно в диапазоне от 3 до 4,5 м/с, при которой турбина начинает вращаться;

номинальная скорость ветра, обычно от 9 до 13 м/с, при которой мощность ВЭУ достигает номинального значения;

максимальная скорость ветра, при которой ВЭУ, отключается от сети и останавливается, обычно в диапазоне 20-25 м/с.

Существует ещё так называемая «буревая скорость ветра». Это скорость, при которой остановленная ВЭУ не должна разрушаться (обычно от 60 до 80 м/с).

Используя эти диаграммы можно построить график зависимости годовой выработки энергии от скорости ветра, как показано на рисунке 11.

Общая энергия, произведенная за год, рассчитывается путем суммирования всех энергий, произведенных при каждой скорости ветра в пределах рабочего диапазона турбины.

Годовое использование современных коммерческих ветряных турбин обычно превышает 90%, многие из них работают на уровне более 95%, а некоторые достигают 98%.

Воздействие энергии ветра на окружающую среду

Развитие ветроэнергетики оказывает как положительное, так и отрицательное воздействие на окружающую среду. Понятие «окружающая среда», которое часто употребляется, является несколько расплывчатым. Нас интересует в первую очередь, все-таки, «среда обитания человека».

Средой обитания человека в обобщенном виде можно считать условия жизнедеятельности человека, живую и неживую природу, воздух, воду, землю, а также условия функционирования общества.

Как положительное воздействие можно отметить то, что при выработке электроэнергии ветряными турбинами предотвращается или значительно снижается:

• выброс углекислого газа или других парниковых газов, способствующих глобальному потеплению;

• загрязняющие вещества, вызывающие кислотные дожди или смог, тяжелые металлы, грязная вода при бурении скважин;

• радиоактивность;

• загрязнение суши, моря или водотоков;

• потребление воды – в отличие от многих традиционных (и некоторых возобновляемых) источников энергии. Не требуется затопление территорий и изменение режима течения рек, как происходит при строительстве крупных гидроэлектростанций; отсутствует тепловое загрязнение воды (сброс охлаждающей воды от атомных и тепловых электростанций);

• вторжение в среду обитания при строительстве шахт (уголь, уран), бурении (природный газ, нефть), прокладке трубопроводных систем (газ, нефть, продукты переработки нефти).

Таким образом, ВЭУ не загрязняют воздух, воду или землю во время производства электроэнергии и не производят опасных отходов. Они не истощают природные ресурсы, такие как уголь, нефть, газ, и не являются причиной загрязнения природы, которое наблюдается при добыче и транспортировке топлива. Энергия ветра может уменьшить ущерб, наносимый окружающей среде традиционной топливной энергией.

Диоксид серы (SO₂) и окислы азота (NO_X) вызывают кислотные дожди, которые наносят ущерб лесам и живущим в них представителям дикой природы. Кислотные дожди приводят к коррозии зданий и других строений, таких как мосты и опоры линий электропередач. Окислы азота (которые, кроме всего прочего,  образуются и при чистом сгорании природного газа — относительно экологически чистого топлива) также являются первичным компонентом для образования смога.

Диоксид углерода (СО₂) парниковый газ, дающий решающий вклад в глобальное потепление благодаря отражению солнечного излучения, превращает землю в теплицу.

Выработка парниковых газов является не только причиной роста средней температуры, но вызывает увеличение негативных погодных условий, в частности, суровых засух.

Особое беспокойство вызывает влияние вредных веществ на здоровье людей.

В настоящее время загрязненный вредными веществами воздух вносит наибольший вклад в заболевания астмой детей в промышленно развитых и развивающихся странах.

Также городской смог влияет на малый вес у новорожденных, связан с мертворожденными детьми, преждевременными родами и повышенной детской смертностью. В США исследованиями документально подтвержден этот эффект даже в городах с новейшими системами контроля загрязнений. Токсичные тяжелые металлы аккумулируются в окружающей среде и внедряются в биологическую цепь производства продуктов питания человека. К этому следует добавить потерю среды обитания животных и птиц из-за разработки месторождений органического топлива и урана, не говоря уже об их гибели во время взрывных работ. Особую опасность представляет ртуть, содержащаяся в угле и затем выбрасываемая в воздух с горючими газами.

В таблице 2 представлено сравнение влияния на среду обитания различных электростанций.

Табл. 2 

Использование воды

Использование воды является значительной проблемой при производстве электрической и тепловой энергии, особенно в тех местах, где вода в дефиците. В то время как топливные и атомные электростанции используют значительное количество воды для охлаждения в термодинамических циклах, использование воды на ветряных электростанциях ничтожно мало. Вода на ветроэлектростанциях используется для промывки лопастей. Кроме того, на угольных электростанциях вода также используется для очистки и обработки топлива.

По данным Калифорнийской Энергетической Комиссии США, безвозвратные потери воды на различных электростанциях США представлены в таблице 3.

Табл. 3

Как видим, потребление воды на ВЭС в 475 раз меньше чем на АЭС, примерно в 400 меньше, чем на угольных станциях и в 275 раз меньше, чем станциях, работающих  на газе.

Потребность в земле

Однозначного ответа на вопрос, сколько нужно земли под ВЭУ нет.

Давайте  рассмотрим два крайних случая. В первом рассмотрим  строительство одной-двух установок индивидуального владельца на пахотной земле. В этом случае на одну установку потребуется площадка под фундамент ВЭУ и некоторая территория под дорогу к ней.

 Для ВЭУ мощностью 500 кВт под фундамент достаточно площади 20×20 = 400 м², под дорогу шириной 5 метров и длинной 300 метров требуется площадь 1500 м². Удельная площадь составит 3,8 м²/кВт. Вся оставшаяся площадь может использоваться для сельскохозяйственных целей, как это обычно делается в Дании и других странах Европы.

Второй случай — строительство ВЭС мощностью 50 МВт. К примеру, надо установить 100 штук ВЭУ мощностью по 500 кВт каждая.

ВЭУ должны располагаться друг от друга на расстоянии равном 10 диаметрам ротора, который для данных  ВЭУ равен 40 метрам.

В этом случае площадь, которую будет занимать ВЭС составит: 99²×100×402 = 9801×100×1600 = 156816×10⁴ м² или 156816 Га. Удельная площадь составит 31363,2 м²/кВт.

В то же время следует учитывать, что практически всегда есть возможность для больших ВЭУ выбирать земли, непригодные для хозяйственной деятельности. Если же под ВЭС занимаются плодородные земли, то они могут использоваться для растениеводства и животноводства. В этом состоит коренное отличие землеотвода под ВЭС от землеотвода под под ТЭС и ГЭС.

Но энергия ветра не лишена и негативных (или предполагаемых негативных) воздействий. К ним относятся:

• эрозия почвы;

• визуальное изменение ландшафта;

• шум;

• электромагнитные помехи;

• вопросы, связанные с полетом авиации;

• угроза гибели птиц;

• угроза гибели животных;

• угроза гибели людей;

• общественное отношение и планирование.

Эрозия почвы

Это явление может возникнуть при разрушении верхнего слоя почвы во время строительства фундамента для ветряных турбин, строительно-монтажных работ, прокладки дорог. Это особенно важно в пустынях и тундре. В таких районах разрушение верхнего твердого слоя почвы может привести к деградации поверхности на значительной площади. При проектировании ветропарка необходимо оценить опасность эрозии почвы и, если она есть, предусмотреть соответствующие меры, включая использование специальной техники, особые способы прокладки дорог и т.д.

Изменение ландшафта

Появление ветряных турбин в привычном природном ландшафте вносит дискомфорт в восприятие окружающей действительности местных жителей, привыкших к знакомым с детства пейзажам, и вызывает у некоторых из них протест. Эта ситуация подобна тем, которые возникают при строительстве опор мощных линий электропередач, мостов через ущелья и т.д. Приверженцы промышленных сооружений наслаждаются, созерцая творений рук человеческих, а приверженцы живой природы протестуют против вторжения любых сооружений в природный ландшафт. Однако, учитывая опыт стран с развитой ветроэнергетикой, к которым, в частности, относятся Германия, Испания, США, Дания, Индия, Италия и ряд других стран, можно сделать вывод, что подавляющее большинство населения одобряет развитие ветроэнергетики и готово мириться с вторжением ветряков в привычный ландшафт. В то же время рекомендуется применять следующие подходы к проектированию ветропарков:

 • для комплектации ветропарка следует использовать установки одного типа и размера, что позволяет устанавливать ветряные турбины с одинаковыми интервалами, удовлетворяя тем самым основные эстетические требования;

• компьютерное моделирование с различными вариантами расположения ветровых турбин до начала строительства позволяет выбрать наиболее радующий глаза вариант.

Шум

Шум, производимый ВЭС, является главным негативным фактором, который им присущ.

Существует два основных источника шума ветряных турбин:  

1. Механический шум, создаваемый таким оборудованием, как редуктор и генератор, который можно значительно снизить, используя более «тихие» редукторы, поднимая основное оборудование на значительную высоту, устанавливая его на упругие крепления и используя корпуса, изготовленные с применением эффективных шумопоглощающих материалов.

Современные ветрогенераторы не имеют мультипликатора (зубчатых шестерен), в конструкциях их гондол используются эффективные звукоизолирующие и звукопоглощающие материалы. Основным компонентом шума таких ветровых турбин является аэродинамический шум, производимый лопастями ветровых турбин.

Много вопросов о влиянии ветряных турбин на здоровье человека связано с инфразвуковыми шумами (неслышимыми для человеческого уха). По данным ВОЗ, нет доказательств того, что шум ниже слухового порога вызывает какие-либо физиологические или психологические эффекты, это подтверждают и недавние исследования в Северной Америке. Исследование, проведенное на трех английских ветряных электростанциях, дало аналогичные результаты: шум, производимый современными ветряными турбинами, не может привести к вредным последствиям для здоровья людей, живущих вблизи ветряной электростанции.

2. Аэродинамический шум, возникающий из-за взаимодействия воздушного потока с ротором, который лучше всего можно описать как ‘свистящий’ звук. На это влияет задняя кромка лопастей и взаимодействие воздушного потока с лопастями и башней. Шум имеет тенденцию увеличиваться со скоростью вращения лопастей, поэтому некоторые турбины рассчитаны на работу при более низких скоростях вращения в периоды слабого ветра.

 Низкочастотные составляющие аэродинамического шума (1-5 Гц) были проблемой для некоторых ранних проектов ветроустановок, поскольку они оказывали отрицательное воздействие на живые организмы. Однако этот недостаток был преодолен 25-30 лет назад с помощью различных инженерных решений. Аэродинамический шум может быть снижен соответствующим профилированием лопастей, подбором скорости вращения ветроколеса и механизма его ориентации на ветер.

Для сопоставления в таблице 4 приведен уровень шума, производимый различными устройствами. Сравнив эти характеристики, ясно, что шумовые характеристики от ВЭУ примерно такие же, как у газонокосилки, у громкой стереофонической музыки, движения автомобилей на автостраде.

Табл. 4

В зависимости от места расположения ветропарка по отношению к населенному пункту и рельефа местности (холмы, леса и другие препятствия), расстояния, указанные на рисунке 12, могут быть значительно меньше.

Большинство современных ветровых турбин в непосредственной близости от места их строительства генерируют шум порядка 95-103 дБ при скорости ветра 10 м/с. Это соответствует уровню шума на обычном промышленном предприятии. Однако уже на расстоянии 100 м от ветряной турбины уровень шума снижается до 50 дБ, на расстоянии 300 м — менее 40 дБ. На большем расстоянии работа ветряной турбины трудно прослушивается на фоне шума окружающей среды.

То есть, при расположении ветроустановки на расстоянии порядка 250 м от места постоянного пребывания людей уровень шума не будет превышать 45 дБ (уровень шума холодильника на кухне), что является вполне приемлемым для жизнедеятельности людей.

Большинство коммерческих ветряных турбин проходят испытания по измерению уровня шума, и, используя эти полученные данные, можно размещать ВЭУ на достаточном расстоянии от жилых помещений, чтобы минимизировать (или избежать) шум.

Если на этапах проектирования турбин и планирования проекта не уделять должного внимания шуму, учитывая опасения людей, которые могут пострадать, то, вероятно, будет увеличиваться противодействие развитию ветроэнергетики.

Электромагнитные помехи

Когда ветряная турбина расположена между радио, телевизионным или другим микроволновым передатчиком и приемником, как показано на рисунке 13, она иногда может отражать часть электромагнитного излучения таким образом, что отраженная волна мешает исходному сигналу, когда он поступает на приемник. Это может привести к значительному искажению принимаемого сигнала.

Лопасти первых ветряных турбин были сделаны из металла или дерева. Металлические лопасти отражают радио- и телевизионные сигналы, а деревянные — поглощают их. Из-за небольшого количества таких установок и их малых размеров они не считались помехой для радио- и телевизионных сигналов. С увеличением мощности и размеров ветряных турбин их лопасти практически везде стали изготавливаться из стекловолокна, без каких-либо металлических включений, и поэтому они являлись радиопрозрачными для электромагнитных волн.

При дальнейшем увеличении размеров и мощности ветряков до 1 МВт и более, внутри лопастей стали прокладывать алюминиевые проводники довольно значительного сечения для защиты лопастей от ударов молнии, по которым ток при ударе молнии уходит в землю. Такие лопасти становятся своеобразными зеркалами и препятствием для прохождения радио- и телевизионных сигналов.

Помехи, вызванные отражением электромагнитных волн лопастями ветряков, могут влиять на качество телевизионных и микроволновых радиопередач, а также на работу различных навигационных приборов в районе расположения ветряной электростанции на расстоянии нескольких километров. ВЭУ становится препятствием для сигналов военных радаров. Например, в Великобритании ужесточены требования по ограничению строительства ветряных электростанций вдоль побережья. В Норвегии, по мнению экспертов, учет требований военных приведет к сокращению введения потенциальных ветроэнергетических ресурсов на 50%.

Узконаправленный электромагнитный луч радара «видит» все препятствия, включая дома, деревья и, конечно же, ветряные турбины. Но область за ротором ветряной турбины невидима для военных радаров. Чтобы уменьшить или полностью устранить это явление, отдел разработок компании Enercon совместно с Европейской компанией по воздушно-космической обороне изучают вопросы как рационального размещения ветряных турбин в составе ветропарков, так и поиска оптимальной конфигурации заземляющих проводников внутри лопастей ветряных турбин.

Ветряные турбины и авиация

Надо отметить два фактора влияния ВЭУ на работу воздушного транспорта:

а) ВЭУ являются такими же препятствиями, как и высокие здания и сооружения;

б) ВЭУ влияют на работу РЛС, используемых в аэронавигации.

Первый из них обуславливает авиационные требования к размещению ветрогенераторов вблизи аэродромов, безопасной высоте полета, оснащению ветрогенераторов сигнальными устройствами и нанесению ветрогенераторов на карты, второй накладывает требования по безопасному размещению ВЭУ относительно радиолокационных станций.

В частности, Министерство обороны Великобритании выразило обеспокоенность по поводу помех, создаваемых военным радарам, которые могут быть вызваны ветряными турбинами. Кроме того, там обеспокоены тем, что ветряные турбины (особенно с большими диаметрами и высокими башнями), когда они расположены в определенных районах, проникают в нижнюю часть низкополетных зон, используемых военными самолетами. Это вмешательство Министерства обороны помешало строительству нескольких ветряных электростанций в Великобритании.

Угроза гибели птиц и животных

Возможность гибели птиц при столкновениями с ветроустановками очевидна.

Основная потенциальная опасность для птиц заключается в том, что они могут погибнуть, налетев на лопасти турбины.

В практике развития ветроэнергетики были случаи значительной гибели птиц в восьмидесятых годах в США во время интенсивного строительства ветропарков большой мощности (ветропарк Alamont Pass в Калифорнии). В дальнейшем гибель птиц резко снизилась благодаря применению ряда мер.  

По результатам многочисленных исследований, проведенных по поручению Американской и Европейской ветроэнергетических ассоциаций, был сделан вывод о том, что как бы ни развивалась ветроэнергетика в будущем, гибель птиц от ветряков не достигнет 1% от других источников человеческой деятельности, таких как охотники, домашние кошки, высотные здания, автомобили, линии электропередач, телевышки и мачты для связи, пестициды.

По данным Американской ветроэнергетической ассоциации на 10 тысяч случаев гибели птиц в результате человеческой деятельности на долю ветроустановок приходится менее одного случая тогда как другие виды деятельности человека имеют более существенное влияние (таблица 5).

Табл. 5

По данным Канадской ассоциации ветроэнергетики, в среднем на одну ветряную турбину приходится гибель 2 птиц в год. Однако этот результат был достигнут в результате тесного контакта между проектировщиками ветряных электростанций и орнитологами. Непременное правило — не размещать ветропарки на пути миграции перелетных птиц, а также в местах охоты хищных птиц. Определенную роль в снижении гибели птиц сыграл переход от решетчатых башен, используемых птицами в качестве насестов и тем самым увеличивающих вероятность столкновения птиц с лопастями ветрогенераторов, к башням в форме конической трубы.

Изучение гибели птиц от антропогенных факторов, проведенное шведским ученым Эриксоном в 2005 г. показало, что гибель птиц от столкновения с ветроустановками незначительна по сравнению с другими видами человеческой деятельности (таблица 6). В более поздних исследованиях, учитывающих развитие ветроэнергетики, получено, что гибель птиц от столкновения с ветроустановками составляет лишь 0,003 % от общего числа гибели птиц в результате деятельности человека.

Табл. 6

Для минимизации влияния ветряных турбин на птиц можно устанавливать радарные системы, которые автоматически обнаруживают приближающихся птиц, и, если существует вероятность столкновений, активировать устройства для отпугивания птиц или отключать турбины до тех пор, пока птицы не пролетят.

Столкновений с летучими мышами на ВЭС зафиксировано очень мало. Ветряные турбины могут оказывать влияние на летучих мышей, особенно на путях миграции. Вблизи концов лопастей ветрогенератора образуется область пониженного давления, и попавшее в нее млекопитающее получает баротравму. Более 90% летучих мышей, найденных вблизи ветряных турбин, имеют признаки внутреннего кровоизлияния. По мнению ученых, птицы имеют другое строение легких, а потому менее восприимчивы к резким перепадам давления и страдают только от прямого столкновения с лопастями ветряков. Рекомендуется не располагать ветроустановки вблизи пещер, где летучие мыши сосредотачиваются во время зимней спячки.

Благодаря отсутствию низкочастотных составляющих шума, в том числе т.н. «инфразвука» (шумовая составляющая с частотой 3-10 Гц) от современных ветряных турбин, угрозы для жизни животных нет, даже для различных червяков и насекомых. Это явление, имевшее место быть в семидесятых годах в начале взросления ветроэнергетики на первых конструкциях ВЭУ, было преодолено выбором профиля лопастей и выбором скорости вращения ветроколеса. Проблема была решена. “Инфразвук” современные ветроустановки не генерируют. Обычная картина для ветряных электростанций в Европе — домашние животные, спокойно пасущиеся между ветряками. Грызуны и койоты прекрасно чувствуют себя на территории ветряных электростанций в Калифорнии и США.

Угроза гибели людей

Эта опасность связана с возможностью поражения людей в результате отрыва лопасти или отлетающих от нее кусков льда во время обледенения.

Однако практика показывает, что в настоящее время достигнут очень высокий уровень механической надежности крепления лопастей. Ветровые турбины часто располагаются вблизи мест возможного появления людей. В мире эксплуатируется несколько сот тысяч ветровых турбин, и не было зафиксировано ни одного случая гибели или смерти людей в результате отрыва лопасти или отлетающего от лопасти куска льда. Был зафиксирован один случай в Германии, когда погиб парашютист, которого занесло ветром на работающую ветряную установку. Вряд ли можно представить себе электростанцию, более безопасную для обслуживающего персонала и окружающих людей, чем ветряная электростанция.

Напомним, что ветряная электростанция полностью автоматизирована, и на ветряной турбине постоянно осуществляется контроль вибрации. При возрастании вибрации выше нормы, что возможно при обледенении, ветряная турбина немедленно останавливается.

Общественное отношение

Визуальное восприятие ветряной турбины или ветропарка определяется целым рядом факторов, включая:

• размер турбины

• конструкция турбины

• количество лопастей

• цвет

• количество ветроустановок в ветропарке

• расположение ветропарка

• степень привлечения внимания к движущимся лопастям ротора.

Восприятие ветроэнергетического проекта отдельным человеком зависит от множества психологических и социологических параметров, при этом большая часть споров вызвана несогласием с изменениями визуального облика ландшафта. Является ли это следствием визуальной неприязни конкретно к ветряным турбинам или просто общей неприязни к изменениям внешнего вида ландшафта, часто остается неясным.

С 1990-х годов опросы общественного мнения постоянно показывают, что в среднем от 70% до 80% людей поддерживают развитие ветряных электростанций. Тем не менее, все еще существует противодействие изменениям, поэтому важно, чтобы проекты были хорошо продуманы и спланированы. Разработчики должны взаимодействовать с местным населением для предоставления достоверной и надежной информации, а также потенциальных выгод от внедрения ветроэнергетики.

Затраты на ветроэнергетику

Как и в любом другом энергетическом секторе, основными экономическими показателями ветроэнергетики являются удельная стоимость установленной мощности (руб/кВт,  долл.США/кВт или евро/кВт) и стоимость электроэнергии от ветропарков (руб/кВт/ч, центы США/кВт/ч, центы евро/кВт/ч).

Капитальные затраты включают в себя стоимость изготовления ветроустановки на заводе, затраты на транспортировку, строительные работы, работы и оборудование по подключению к сетям энергосистемы, плата за землю и за банковский кредит.

Стоимость электроэнергии от ветряной электростанции зависит в первую очередь от количества вырабатываемой электроэнергии, которое в свою очередь определяется, в основном, значением среднегодовой скорости ветра, расходами на техническое обслуживание и эксплуатацию, сроком службы ветряной турбины, процентной ставкой за кредит, а также размером капитальных вложений (амортизационных отчислений).

За последние 25 лет удельные капитальные затраты и себестоимость производства электроэнергии на ВЭС значительно снизились. Ни одна отрасль энергетики не может этим похвастаться, и даже наоборот: в топливной энергетике из-за постоянного роста цен на топливо и повышения требований к вредным выбросам тепловых электростанций наблюдается и прогнозируется постоянный рост удельных капитальных вложений и себестоимости электроэнергии. Аналогично эти показатели растут и на атомных электростанциях в связи с ужесточением требований к их безопасности.

По оценке EWEA снижение удельной стоимости ВЭС будет наблюдаться вплоть до 2030 года.

Отметим факторы, которые существенно влияют на стоимость электроэнергии на ветряных электростанциях.

Во-первых, это среднегодовая скорость ветра, которая является основным фактором. Так, если на ветропарке со среднегодовой скоростью ветра 7,16 м/с себестоимость составляла 4,8 цента США за кВт/ч, то при скорости 8,08 м/с стоимость снижается до 3,6 цента США за кВт/ч, а при 9,32 м/с она составит 2,6 цента США за кВт/ч.

Во-вторых, размер ВЭС. Так, согласно расчетам Американской ассоциации ветроэнергетики, если на ВЭС при мощности 3 МВт себестоимость составляла 5,9 цента США за кВт/ч, то при прочих равных условиях на ветропарке мощностью 50 МВт себестоимость снижается до 3,6 цента США за кВт/ч.

В третьих. Ветроэнергетика является капиталоемкой отраслью. Поэтому она весьма чувствительна к величине процентных ставок за предоставленный кредит. Так, например, повышение банковского процента с 5 до 10 процентов годовых приводит к увеличению себестоимости на 1-2 цента США за кВт/ч.

В четвертых. Снижению себестоимости способствует рост мощности каждой отдельной ВЭУ. Так, себестоимость электроэнергии от ветроустановки мощностью 95 кВт составила 9 и 11 евро центов за кВт/ч соответственно при её размещении на открытой местности на берегу моря и на закрытой местности внутри страны. Аналогичные данные для ветроустановки мощностью 1000 кВт составили соответственно 4 и 4,5 евро центов за кВт/ч.

Капитальные затраты на энергию, вырабатываемую морскими ветряными электростанциями, в настоящее время выше, чем у наземных установок из-за дополнительных затрат на строительство фундамента, более высоких затрат на электрическое подключение и на использование материалов с более высокими техническими характеристиками, устойчивых к агрессивной морской среде.

Ожидается, что по мере накопления опыта, вероятное сокращение расходов на строительство морских ВЭУ на шельфе сделают затраты на энергию ветра на шельфе конкурентоспособными в средне- и долгосрочной перспективе.

В морской ветроэнергетике в  последнее время появились разработки, связанные с плавучими морскими турбинами. Плавучие ветряные турбины имеют значительные перспективы для расширения ветроэнергетики за пределы мелководных участков континентального шельфа, которые разрабатывались до сих пор.

Для глубоководных ветровых турбин плавучая конструкция заменит свайные сооружения или обычные бетонные фундаменты, которые обычно используются в качестве основания для мелководных и наземных турбин. Плавающая конструкция должна обеспечивать достаточную устойчивость, чтобы выдерживать вес турбины и ограничивать в допустимых пределах движение в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Первая в мире плавучая морская ветряная электростанция Hywind Scotland, была введена в эксплуатацию в 2017 году. Она состоит из 5 турбин Siemens по 6 МВт каждая, и имеет мощность 30 МВт электроэнергии.

Капитальные затраты на строительство отдельных турбин в глубоководных местах примерно в три раза превышают капитальные затраты на стационарные морские ВЭС на шельфе и в десять раз капитальные затраты на электростанции, работающие на газу. Их эксплуатационные расходы также выше, чем у стационарных морских ветряных электростанций.

Но более высокие первоначальные затраты, связанные с внедрением плавучих ветряных турбин, будут компенсированы тем фактом, что таким образом можно получить доступ к глубоководным районам у береговой линии, где дуют более сильные и стабильные ветры.

Исследование оценки строительства морских ветровых турбин, проведенное в Великобритании, подтвердило, что при использовании только одной трети ветровых, волновых и приливных ресурсов Великобритании можно сгенерировать энергию, эквивалентную 1 миллиарду баррелей нефти в год.

Перспективы ветроэнергетики

В 2016 году GWEC (Global Wind Energy Council  — Глобальный совет по ветроэнергетике) подготовил серию сценариев использования энергии ветра для изучения будущего потенциала ветроэнергетики до 2030 и 2050 годов. Они были основаны на четырех предполагаемых сценариях:

1. Сценарий новой политики (New Policies Scenario — NPS), основанный на прогнозах Международного энергетического агентства 2009 (МЭА). Согласно этому сценарию к 2030 году совокупная установленная мощность ветроэнергетики должна достичь 1260 ГВт. К 2050 году NPS прогнозирует, что выработка электроэнергии ветровыми установками достигнет 2870 ГВт.
2. Сценарий МЭА 450, основанный на оптимистических прогнозах по реализации Парижского соглашения по климату. В этом сценарии прогнозируется, что к 2030 году установленная мощность достигнет 1454 ГВт, что почти на 200 ГВт больше, чем по прогнозам NPS. К 2050 году, согласно этому сценарию, ветровые установки достигнут мощности 3546 ГВт.
3.  Умеренный сценарий (Moderate Scenario — MS) отражает мир, который будет продолжать жить примерно так, как он жил в течение последнего десятилетия. Умеренный сценарий (MS) прогнозирует уверенный рост установленной мощности ветроэнергетики после 2020 года. К 2030 году общая установленная мощность достигнет почти 1676 ГВт. К 2050 году этот сценарий предусматривает, что глобальные ветровые установки достигнут мощности 3984 ГВт.
4. Расширенный сценарий (Advanced Scenario — AS), который использует более амбициозные предположения о способности ветровой энергии производить более трети мировой электроэнергии к 2050 году. Этот сценарий прогнозирует, что в 2030 году общая установленная мощность составит 2110 ГВт, что может произойти только при наличии решительных действий по борьбе с изменением климата на глобальном уровне и необходимой политической воли для решения проблемы изменения климата.

   Этот сценарий предусматривает, что к 2050 году выработка электроэнергии ветровыми установками достигнет мощности 5806 ГВт. Это почти на 3000 ГВт выше долгосрочных прогнозов NPS для ветроэнергетического сектора.

Глобальная совокупная мощность ветроэнергетики:

Энергия ветра, похоже, в будущем станет основным источником электроэнергии во всем мире.

Отличительной особенностью развития ветроэнергетики последнего десятилетия является быстрое развитие морских ВЭС, в связи с тем, что в Европе свободной земли на суше явно недостаточно. В Европе использование энергии ветра морских ВЭС, вероятно, станет одним из важнейших средств сокращения выбросов углекислого газа в электроэнергетическом секторе.

Достижение уровней выработки энергии, показанных в сценариях, потребует значительных капиталовложений в электросети, в объединение энергосистем и в другую инфраструктуру.

Однако, очевидно, что у многих правительств стран и промышленных объединений есть сильная мотивация для содействия развитию ветроэнергетики.