Энергия ветра и её использование в мире

Содержание

Мощности промышленных станций

Мощность промышленных ветряных электростанций высокая. Она способна обеспечивать электричеством большие районы. К примеру, ветряная электростанция в Китае «Ганьсу» выдает мощность в 7965мВт.

Однако такую мощность выдают только самые крупные ветряные электростанции, в большинстве случаев установки имеют величину намного меньше таких показателей. Но объединенные в единую электростанцию конструкции способны работать на более высокой мощности, примерно 400мВт-500мВт.

Ветряные электростанции для дома выдают маленькие показатели мощности, поэтому они способны вырабатывать электричество только для определенного числа потребителей.

Своими руками

Приобретение готового ветрогенератора не по карману большинству пользователей. Кроме того, стремление мастерить разные механизмы и приспособления неискоренимы в народе, а если появляется еще и насущная необходимость — решение вопроса однозначно. Рассмотрим, как сделать ветрогенератор своими руками.

Простейший ветрогенератор для освещения дачи

Самые простые конструкции используются для освещения участка или питания насоса, подающего воду. В процессе участвуют, как правило приборы потребления, не боящиеся скачков напряжения. Ветряк вращает генератор, напрямую подключенный к потребителям, без промежуточного комплекта, стабилизирующего напряжение.

Ветряк своими руками из автомобильного генератора

Генератор от автомобиля является оптимальным вариантом при создании самодельного ветряка. Он нуждается в минимальной реконструкции, в основном — перемотке катушки более тонким проводом с большим числом витков. Модификация минимальна, а полученный эффект позволяет использовать ветряк для обеспечения дома. Понадобится достаточно скоростной и мощный ротор, способный вращать устройства с большим сопротивлением.

Ветрогенератор из стиральной машины

Электродвигатель от стиральной машины часто используют для создания генератора. Оптимальным вариантом является установка на ротор сильных неодимовых магнитов, обеспечивающих возбуждение обмоток. Для этого необходимо просверлить в роторе углубления, диаметром равные размеру магнитов.

Затем они устанавливаются в гнезда с чередованием полярности и заливаются эпоксидкой. Готовый генератор устанавливается на вращающуюся вокруг вертикальной оси площадку, на вал насаживается крыльчатка с обтекателем. Сзади к площадке крепится хвостовой стабилизатор, обеспечивающий наведение устройства.

Виды ветряной энергии

Рост потребления энергоресурсов ускоряется с каждым годом. Появление новых устройств, бытовой техники, компьютерного оборудования способствуют повышению потребностей населения и вынуждает к увеличению мощностей централизованных линий. Их состояние, и так достаточно ветхое, от таких нагрузок становится еще более плачевным. Изношенность электросетей в некоторых регионах достигает 70-80 %, что заставляет задуматься о завтрашнем дне.

С другой стороны, имеется немало регионов, куда линии электропередач д сих пор не проведены. Это отдаленные районы Крайнего Севера, труднодоступные горные населенные пункты и т.д. Надеяться на скорую электрификацию таких мест не приходится, так как важных промышленных или оборонных объектов там нет, а вести линию «в никуда» нерационально, она никогда не окупится.

Выходом из складывающейся ситуации может стать использование альтернативных методов производства электроэнергии. Рассмотрим один из наиболее перспективных вариантов.

Воздушный поток

По сути, энергия ветра одна — кинетическая. Воздушный поток обладает огромной мощью, действие которой можно наблюдать на видео или фотографиях последствий ураганов или просто шквальных порывов. Гораздо больше существует устройств, так или иначе использующих ветряную энергию для выполнения какой-нибудь работы, производства электрического тока и прочих нужд. Так, насосы, действующие от ветряка, известны с незапамятных времен, а современные ветроэлектростанции обеспечивают электрической энергией целые страны и регионы.

Особенностью энергии ветра является ее доступность. Для создания гидроэлектростанции необходимо найти подходящий по рельефу участок русла реки, построить запруду, которая затопит большую площадь полезной поверхности земли. Страдают и исчезают пахотные земли, нарушается естественный ареал обитания животных, изменяется климат в регионе.

Для атомной энергетики надо получить ядерное топливо, построить АЭС, все время ее работы существует ощутимый риск возникновения аварии, угрожающей крупной катастрофой. Использование ветра практически безопасно, не имеет отрицательного воздействия на природу или человека.

Использование энергии ветра

Ветровые турбины до 6 МВт в настоящее время функционируют во многих странах мира, хотя большинство новых 1-3 МВт.

В России в 2020 году запущена Азовская — наземная ветряная электростанция — 90 МВт состоящая из 26 ветряков.

В эксплуатации такие турбины требуют ветер в диапазоне от 4 до 25 метров в секунду (14-90 км/ч). Относительно небольшое число областей имеет значительные выгоды в этом диапазоне, чтобы использовать эффективно энергию ветра и дать более чем 25% КПД.

Ветровые турбины имеют высокие стальные башни со смонтированным генератором в гондоле, а роторы с тремя винтами длиной до 50 м. Фундаменты требуют существенной масса железобетона. Таким образом, необходимые энергоресурсы в производстве значительны

Также размещение имеет важное значение в получении чистой прибыли от них

Там, где есть резервные мощности электроэнергии, которые могут привлекаться в очень короткие сроки (например гидро), значительная доля электроэнергии может быть предоставлена от энергии ветра. Наиболее экономичным и практичным размер коммерческих ветровых турбин в настоящее время около 2 МВт, сгруппированных в ветровые электростанций до 200 МВт. В зависимости от места, большинство турбин работают на 25% нагрузки по факту в течение года (среднеевропейский), но некоторые достигают 40% в оффшорах. Существует четкое различие между офшорными местами, хотя последние являются более дорогостоящими для установки и запуска. Для Великобритании, в 2019 году, наземная ветроэнергетика в среднем дала КПД 30% мощности, а оффшорные 41%. В 2019 году в Великобритании  выработано более 24 ГВт электроэнергии.

Перспективы развития ветроэнергетики

Германия экспериментирует с производством водорода через электролиз используя энергию ветра.

Один из подходов к смягчению непостоянства ветров является добыча водорода методом электролиза. Проводится строительство экспериментального завода для производства до 360 м3/ч водорода в Германии. Было высказано предположение о том, что вся электроэнергия из ветра может использоваться таким образом, значительно упрощая управление электросетями. В Германии, вблизи Нойбранденбурга излишки электроэнергии от 140 МВт ветропарка делают водород, хранят его, а затем сжигают для производства электричества, когда спрос высок. Однако есть 84% потерь в этом двойном процессе.

Недостатки ветроэнергетики

  1. Основным недостатком является сильная зависимость от ветра.
  2. Убивает птиц, воздействуя, таким образом на окружающую среду. Общества дикой природы США посчитало что за год от ветрогенераторов погибло 83000 хищных птиц (ястребы, орлы, соколы и т.д). Существует особое беспокойство по поводу мигрирующих стаями птиц.

Новые ветровые электростанции чаще всего оффшорные в мелководных морях. В Великобритании 3300 МВт ветроэнергетическая мощность в оффшоре, больше, чем внутренняя ветроэнергетика.

Преимущества и недостатки ветряных электростанций

К числу основных достоинств конструкций, применяющих в качестве энергии скорость ветра, относят:

  • Экологичность. Сооружения применяют возобновляемый источник электроэнергии, который можно использовать многократно, не воздействуя никаким образом на экологию. Электроэнергия, вырабатываемая ветродвигателями, заменяет энергию традиционных электростанций, тем самым снижая вероятность возникновения глобального потепления.
  • Многофункциональность. Ветроэлектростанции можно возводить на всех территориях. Такие установки важны в тех местах, где невозможно протянуть электричество традиционным путем.
  • Эффективность применения. Современные конструкции преобразуют энергию даже малых по скорости ветров, но не менее 3,5 м/с.
  • Альтернатива традиционным источникам получения электричества. Стационарные ветроэлектростанции способны обеспечить электрической энергией целый дом или маленькое производство. В таком случае велотурбина будет накапливать в АКБ необходимый запас электричества, который будет применяться в безветренную погоду.
  • Экономичность. По сравнению с традиционными электрическими станциями, велотурбины позволяют существенно уменьшить затраты. Как правило, на строительство ветровой электростанции уходит меньше денежных средств, чем на подсоединение к уже имеющимся системам.

Ветряные электрические станции имеют также и недостатки:

  • Узнать заранее скорость ветра практические невозможно, поскольку она все время изменяется. По этой причине лучше подстраховать себя и сделать вспомогательный источник энергии. Это могут быть, например, солнечные панели, подсоединенные к электрической сети.
  • Вертикальные конструкции в наибольшей степени подвержены опасности, поскольку такие установки могут разрушиться из-за влияния силы инерции при вращении лопастей вокруг оси. В результате, важные компоненты сооружения по истечении определенного времени подвергаются изменениям и потом разрушаются, а само устройство становится непригодным для работы.
  • Ветроэлектростанции лучше размещать на расстоянии от других построек, так как расположенные рядом дома будут уменьшать скорость ветра, а из-за этого величина выработки электричества будет меньше.
  • Для сохранения электроэнергии ветровых турбин нужно чтобы в сооружении применялась аккумуляторная батарея и прочие вспомогательные элементы, служащие для выработки электричества.
  • Во время работы ветрогенераторы издают сильный шум, который может доставлять неудобства людям. Кроме того, лопасти конструкции могут стать причиной смерти подлетевших к ним птиц.
  • Некоторые эксперты утверждают, ветродвигатели могут снижать качество приема телевизионных сигналов.

К минусам ветряных установок можно также отнести маленький КПД и их значительную цену, однако подобные агрегаты со временем окупают свою стоимость.

Кроме того, использование маленьких электростанций способно вырабатывать электричество только для определенного числа потребителей, поэтому для крупных городов потребуется строительство больших ВЭС. При этом большие установки требуют сильного и равномерного потока ветра, что обеспечить в нашей стране довольно проблематично. Поэтому, распространение ветряков в России, намного меньше, чем в европейских странах.

Экономическое обоснование строительства ВЭС

В экономическом плане постройка домашней ветровой электростанции будет иметь смысл только при отсутствии других источников получения электричества. Это связано с финансовыми расходами, так как стоимость самой установки довольно большая, кроме того, ремонт и обслуживание требует постоянных расходов, а эксплуатационный срок конструкции составляет всего 20 лет в европейских условиях, а в нашей стране эксплуатация будет на треть ниже. По этой причине, применение ветряных электрических станций, с точки зрения экономики, не выгодно.

Однако, при отсутствии других вариантов получения электроэнергии или при наличии тех условий, при которых ветряные электростанции будут производительно вырабатывать электричество, то применение ветряных установок будет неплохим способом получения электричества.

Схемы и способы подключения

Хотя ветроустановка может работать и автономно, значительно лучшего результата удается достичь при помощи комбинированных схем, предусматривающих сочетание ветрового устройства с солнечными батареями, централизованной электросетью, дизельными или газовыми источниками энергии.

Автономная работа. В этом случае ставится единичная установка, при помощи которой улавливается и накапливается ветровая энергия, которая затем преобразуется в необходимый потребителям электрический ток.

На схеме продемонстрирован наиболее простой способ применения ветрогенератора, который целесообразно использовать в регионах, где постоянно дуют сильные ветра

Совмещение ветрогенератора с солнечными панелями. Комбинированный вариант считается надежным и эффективным способом электроснабжения. В случае отсутствия ветра аккумулятор работает от солнечных панелей, а в пасмурную погоду и в течение ночи зарядка происходит от ветровой установки.

Идеальный вариант для частного дома или хозяйства, расположенного вдали централизованной электросети. Такая комбинированная схема позволяет использовать два вида возобновляемой энергии

Комбинированная работа ветрогенератора и электросети. Ветротурбину можно совмещать с элетрокоммуникациями.

Подобная схема типична для промышленных и коммерческих устройств. Подключение к электрокоммуникациям предусматривают также некоторые модели бытовых ветрогенераторов

При избытке произведенного электричества оно поступает в централизованную сеть, а при его недостатке имеется возможность воспользоваться электрическим током из общей энергосистемы.

Как выбрать

Для того, чтобы выбрать ветровую электростанцию необходимо руководствоватьсякритериями выбора сформулированными выше.

1.Электрическая мощность.

При выборе установки по этому критерию необходимо определиться в каком качестве будет работать ветровой генератор в системе электроснабжения объекта (дом, дача, промышленное или сельскохозяйственное назначение).

  • Это может быть источник аварийного питания, когда к сети генератора будет подключено аварийное освещение и устройства теплоснабжения или водоснабжения, останов которых может привести к аварийной ситуации.
  • Основной источник электрической энергии в системе электроснабжения объекта.
  • Источник электроснабжения части потребителей (работа параллельно с традиционной сетью электроснабжения).

Определив мощность подключаемых к ветровой электростанции объектов – определяется мощность установки, с учетом коэффициента запаса и возможности развития.

3.Скорость воздушных потоков обеспечивающих нормальную работу установки.

Этот показатель тоже является основополагающим при выборе модели и ее способности работать в каждом выбранном регионе, где предстоит выполнить монтаж.

Для того чтобы правильно подобрать ветровую электростанцию, в отношении этогокритерия, необходимо изучить ветровые нагрузки в предполагаемом месте монтажа станции и сравнить их с техническими параметрами выбранной модели.

5.Срок эксплуатации.

Этот показатель дает возможность потенциальному потребителю рассчитать период окупаемости электростанции и время, которое приобретенная установка будет приносить прибыль, без дополнительных капитальных затрат.

Цена на отечественные и зарубежные аналоги ветровых электростанций несколько различается, но при желании всегда есть возможность выбрать тот агрегат, который будет соответствовать этому критерию выбора.

Принцип работы

От того, какой установкой обладают ветряные электростанции, лопастной либо роторной, зависит их принцип действия.

Роторные электростанции обладают конструкцией с вертикально вращающейся осью. Они более удобные в использовании, по сравнению с лопастными сооружениями, поскольку при работе сильно не шумят и не требовательны к направлению ветра. Однако такие установки менее производительны и способны вырабатывать электричество только для частных домов.

Лопастные ВЭУ выдают наибольшую производительность. Они применяют приобретаемую ветровую энергию намного лучше, чем роторные конструкции, однако нуждаются в правильной установке к направлению ветра. Поэтому для таких конструкций ветрогенератора необходимы вспомогательные приборы.

Принцип работы ветрогенераторов всех типов состоит в следующем – поток ветра приводит в действие вращение лопастей, которые зафиксированы на оси конструкции. Они передают вращение на ветродвигатель, и, благодаря этому, происходит образование электрического тока. Он выполняет подзарядку АКБ, от которых будут питаться инверторы, выполняющие преобразование полученного электротока в электричество, которое используется для потребителей.

Чтобы обеспечить электрической энергией большое количество людей, необходимо отдельные ветроколеса подсоединить друг к другу и в результате образуется единая ВЭС.

Устройство ветряного генератора

Различные варианты ветрогенераторов значительно отличаются друг от друга.

На приведенной схеме представлено внутреннее устройство классического горизонтального ветряного генератора. Такие модели наиболее часто используются как в промышленности, так и в быту

Промышленные устройства представляют собой сложную многометровую конструкцию, для установки которой требуется фундамент, в то время как бытовая модель может состоять из минимума компонентов (электродвигателя постоянного тока 3-12В, электроконденсатора 1000 мкФ 6В, кремниевого выпрямительного диода).

Типовая установка включает в себя следующие составные части:

  • генератор переменного тока (мощность зависит от скорости ветровых потоков);
  • лопасти, которые передают вращение к валу генератора (часто они дополнительно оснащены редукторами, стабилизаторами скорости вращения ротора);
  • мачта ветряка, к которой крепятся лопасти (чем выше находятся эти элементы, тем большее количество ветровой энергии они могут получить);
  • аккумуляторы, накапливающие энергию, что позволяет использовать ее при небольшом ветровом потоке или его полном отсутствии. Батарея также выполняет функцию стабилизации электрической энергии, поступившей от генератора;
  • контроллер – преобразователь переменного напряжения, полученного с генератора, в постоянное, которое применяется для заряда батареи. Управление контроллером осуществляется поворотом лопастей, что позволяет учитывать, куда движутся потоки воздуха;
  • АВР – устройство автоматического переключения, связывающее ветрогенератор с другими источниками энергии (солнечными панелями, электросетью);
  • датчик направления ветров – прибор, облегчающий лопастям поиск ветрового потока;
  • инвертор для преобразования постоянного тока из аккумуляторов в переменное напряжение, которое применяется в электрокоммуникациях.

Для более полного удовлетворения пользовательских потребностей прибор может быть снабжен различными типами инверторов:

  • приспособления с инвертормодифицированной синусоидой, выдающей квадратную синусоиду. Устройства этого типа подойдут для ТЭНов, ламп накаливания и иных приборов, нетребовательных к качеству сети;
  • инверторы трехфазного напряжения, рассчитанные для трехфазных электросетей;
  • установки с чистой синусоидой, которые производят энергию для более чувствительной техники;
  • инверторы сетевые, способные функционировать без батарей. Подобные устройства предназначены для схем, предполагающих попадание электрической энергии непосредственно в общую сеть.

При выборе моделей следует обязательно обращать внимание на разновидность инвертора

Ветровая энергетика само по себе нестабильна и не так предсказуема, как другие виды

Энергия поступает нестабильно, что требует постоянное ее резервирование и аккумулирование. Для решения проблем такой нестабильности есть свои варианты. Сегодня с точностью 95% составляются прогнозы почасовой выдачи энергии в течении дня. Этот высокий показатель планирования позволяет улучшить качество работы и надежность станций. Чтобы оценить стабильность работы системы станций такого типа, группа ученых университетов Делавэр и Стони-Брук создала виртуальную систему объектов. Они располагались по всему восточному побережью США на отдалении от берега. Оказалось, что такая система может служить надежным источником энергии. Хотя ветровые установки и имеют высокий потенциал, меняющаяся погода все же может снижать их потенциал. Ученые предлагают объединять в единую сеть удаленные друг от друга группы ветрогенераторов, чтобы сглаживать колебания ветра на участках. Однако точные расчеты пока еще не сделаны. В ходе исследования были рассмотрены данные, полученные от 11 автоматических станций наблюдения за погодой за 5 лет. Они располагались на протяжении 2500 километров между Флоридой и Мэном. Оказалось, что за это время, при условии объединения станций в единую сеть, поступление электричества полностью никогда бы не прекращалось. Мощность всей системы колебалась бы не так сильно, как у отдельной установки. Если та могла за час измениться на 50%, то для всей сети скачок в принципе не мог превысить 10% в час. Участники исследования пришли к выводу, что этот «нестабильный» источник энергии на самом деле является довольно надежным при правильной работе с ним.

Что такое ветроэнергетические установки?

Ветроэнергетические установки представляют собой комплексы оборудования, предназначенного для выработки, подготовки и снабжения потребителей электрическим током. Поскольку ветер является бесплатным источником энергии, все расходы на выработку тока сводятся к первоначальным вложениям на приобретение (или создание) ветрогенератора и смежного оборудования и последующее обслуживание.

Если сравнивать затраты на проведение линии электропередач или кабеля до отдаленных пунктов, то экономический эффект от использования ВЭУ в большинстве случаев оказывается довольно высоким. При этом, следует учитывать большую разницу в стоимости крупных ВЭУ и небольших установок, действующих в пределах одной усадьбы.

Частой ошибкой, допускаемой при расчетах экономической выгоды от использования ВЭУ, является рассматривание лишь одного варианта реализации методики — создания локальных энергетических комплексов (ЛЭК). Они рассматриваются только как энергоустановки местного значения, обеспечивающие энергией весь населенный пункт. Отсюда возникают высокие расходы на приобретение, потребность в дорогостоящем обслуживании и материалоемкость устройства.

Частные источники, способные обеспечить энергией отдельный дом, практически не рассматриваются, из виду упускается наиболее эффективный и необходимый сектор ветрогенераторов.

Достоинства и недостатки ВЭУ

Преимуществами ВЭУ являются:

  • возможность обеспечения электроэнергией любые пункты, вне зависимости от степени удаления от магистральных линий;
  • нет необходимости создавать большую энергетическую станцию, можно использовать отдельные компактные установки;
  • готовая ВЭУ не нуждается в топливе или иных ресурсных поставках.

При этом, существуют некоторые недостатки:

  • Выработка электроэнергии производится посредством ветровых потоков и полностью зависит от их силы и равномерности. В тихую безветренную погоду производство электротока невозможно.
  • Полученный ток не годится для использования без подготовки, которая требует наличия определенных устройств.
  • Ураганные ветра или шквалистые порывы могут разрушить или вывести установку из строя.

Единственным действительно серьезным препятствием, ограничивающим использование ветрогенераторов, является высокая стоимость промышленных установок. Создание самодельных устройств требует определенных навыков и некоторой подготовки, что также замедляет распространение ветроэнергетических устройств среди населения.

Виды альтернативных источников энергии

1. Солнечная энергия

Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.

Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.

Съедобная упаковка и солнечный парус: новинки космических эко-технологий

2. Энергия ветра

Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.

Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.

3. Энергия воды

Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.

4. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.

5. Биоэнергетика

Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.

Энергия из спирта и навоза: преимущества и недостатки биотоплива

6. Энергия приливов и отливов

Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.

Как устроена самая мощная в мире приливная турбина

Разнообразие горизонтальных ветрогенераторов

Улучшать стандартные установки начали через манипуляцию с количеством лопастей. Привычные три лопасти, в середине 80-х годов, немцы заменили на две. Таких двухлопастные ветрогенераторы работали несколько лет в экспериментальном режиме, но энергию вырабатывали исправно. Некоторые модели оставили, какие-то демонтировали. А в местах с сильным ветром, например на побережье Великобритании, они работают до сих пор.

Причина была в экономии материалов. Именно с этой целью первую такую установку спроектировал американец Путнэм ещё в 1941 году. Она установила рекорд мощности и высоты ветрогенераторов, удерживая его до середины 70-х годов. Производила она 1,25 мВт. Хотя работала с перерывами только до 1946 года.

Однако голландские рационализаторы пошли дальше. Они решили, что если ветрогенератор работает с двумя лопастями, то будет работать и с одной! Кроме них такими моделями заинтересовались в Италии, где в сельской местности несколько однолопастных ветряков работают до сих пор.

В середине 70-х годов, на фоне роста цен на энергоносители, НАСА получило задание разработать наиболее эффективные ветрогенераторы. За несколько лет они воплотили в полигонах 6 концепций разных горизонтальных ветрогенераторов. Все они проходили под индексом MOD, серий от до 5В, и WTS 4.

Янки изголялись по крупному. Все модели были двухлопастные, часть из них ставили против ветра, т.е. воздушный поток сначала обтекал гондолу, а уже потом раскручивал лопасти. Проект WTS 4 удерживал рекорд мощности в течении 20 лет с генератором 4 МВт. А аналогичную модель с генератором на 3 МВт, построили в Швеции, под индексом WTS 3.

Наклонную конструкцию MOD 5A не решились строить, она осталась на бумаге. А MOD 5B работала на Гавайях с 86 по 97 годы.

Отец и сын Болле во Франции, ещё в конце 19-го века запатентовали ветряк, который качал воду. Он мог бы генерировать электричество, но вода была нужнее.

Устройство было чудное, но коммерчески успешное. Часть из них сохранилась до сих пор, а некоторые даже работают.

Уникальность ветряка Болле была в том, что у него было два ряда лопастей. Причём один из них был статором, он имел больше лопаток и находился с наветренной стороны. То есть, ветер сначала обдувал его, а потом уже крутил ротор.

В конец 20-го века эта конструкция получила новый импульс развития, и стала называться концепцией DAWT (Diffuser-Augmented Wind Turbines) или Ветротурбина с увеличенным диффузором.

С помощью этой конструкции изобретатели надеются обойти закон немецкого физика Бетца, который сто лет назад доказал, что из ветра можно извлечь не более 16/27 энергии (примерно 59%).

Несколько экспериментальных моделей ветрогенераторов DAWT были установлены на побережье Японии и в других странах с сильными ветрами.

Было отмечено что мощность установки вырастает, но и нагрузки на конструкцию тоже становятся критическими. Из положительных эффектов отмечают резкое уменьшение шумности и снижение радиолокационных помех.

Только на этом не успокоились голландцы, фирма SheerWind придумала и даже воплотила проект INVELOX, в котором реально проявлялся эффект Вентури.

Согласно этому постулату, скорость упругого потока увеличивается, если он протекает через узкое место. Несколько подобных устройств испытываются в США и Голландии.

В определённый момент было замечено, что за вращающимися лопастями ветряка возникает возмущение воздушного потока. Это очень плохо сказывается на прочности всей конструкции. И в 1992 году запатентовали ветрогенератор с двумя лопастями, вращающимися в противоположные стороны.

Важным преимуществом такой конструкции было в гашении симпатических вибраций. С этим явлением знакомы музыканты, например, струна A на частоте 440 Гц вызовет резонанс струны E на частоте 330 Гц, поскольку они имеют обертон 1320 Гц (3-я гармоника A и 4-я гармоника E). Но несмотря на свою привлекательность, коммерческих продаж этих ветрогенераторов ещё нет.

Однако лет 15 назад инженер Дуглас из США решил разнести лопасти подальше от гондолы с генератором.

А ещё лет через 10, индиец и китаец, тоже инженеры НАСА, пришли к выводу, что можно размещать не два ряда лопастей, а гораздо больше!

В 2018 году они продемонстрировали рабочую установку длиной 12 м, на которой было 12 рядов с лопастями. Причём все они крутили общий ротор. КПД значительно увеличился, и запускаться ветрогенератор стал при меньшей скорости ветра.

А ещё беспокойные умы пытаются экспериментировать с формой лопастей. Из множества чудных форм, наибольшего внимания заслуживает скрученно-завёрнутая лопасть , представленная в 2010 г.,  на выставке инноваций ветроэнергетики, во Франции.

Ветроэнергетика в России

С начала ХХ века, с постепенным внедрением электричества в повседневную жизнь человека, использование ветровых установок было одним из способов получения электрической энергии. В разные годы эта отрасль переживала взлеты и падения, вызванные состоянием экономики страны, успехами в развитии технических устройств и потребностью в источниках энергии.

Россия — это большая страна, и благодаря своей значительной площади, а также расположением в различных географических и климатических зонах, обладает огромным потенциалом использования ветровой энергии. По данным экспертов, потенциал оценивается в более, чем в 50000 млрд.кВт.час электрической энергии в год, что может составлять до 30% производимой электроэнергии энергосистемой страны.

Возможность использования энергии ветра, в различных регионах, можно оценить, посмотрев на карту ветровых зон:

Из приведенной карты видно, что потенциально, использование ветровых установок, возможно на значительной территории страны. Наиболее благоприятные районы, это: прибрежные территории северных, Черного, Каспийского и Азовского морей, полуостров Камчатка, остов Сахалин, внутренняя территория страны от Волги и Дона, до Карелии, Алтая и Тувы.

В настоящее время развитию ветроэнергетики уделяется повышенной внимание, поэтому в последние годы, наблюдается динамика роста по вводу в эксплуатации энергетических мощностей, что видно из приведенной ниже диаграммы:

Использование ветровых генераторов, в разных регионах страны, получило неравномерное распространение, что обусловлено наличием определенных погодных условий, различных технических и финансовых возможностей регионов, а также потребностью в электрической энергии.

Откуда появляется ветер

Земная поверхность отличается неоднородным ландшафтом, расположенным на одной и той же широте. Суша чередуется с океанами, горы сменяют леса. Все это и вызывает неравномерное нагревание поверхности Земли. Воздушные массы могут отклоняться и по причине вращения нашей планеты. Все эти факторы и вызывают появление различных ветров. Существуют ветры, имеющие постоянное направление, в зависимости от климатического пояса и времени года. Наиболее известными считаются муссоны и пассаты, а также местные ветры и бризы в виде морских береговых ветров, возникающих вследствие перепадов температур в дневное и ночное время.

Слои теплого воздуха поднимаются вверх, а на его место поступает холодный воздух. Такая циркуляция считается основной причиной образования ветра. Одна и та же местность может разделяться на несколько зон с различными ветровыми режимами. Для того, чтобы целесообразно и эффективно использовать ветровую энергию, определяется среднегодовая скорость ветра в конкретном районе.