Как работают ветрогенераторы, и почему ими до сих пор не нашпигован весь земной шар
Ветер встал на службу человека тысячи лет назад, со времен появления первого парусного судна и возведения первой ветряной мельницы. Сегодня энергию ветра преобразуют в электричество с помощью ветрогенераторов, которые объединяют в единые сети — ветряные электростанции. Разберемся, как устроены ветрогенераторы, почему они все выше тянутся к небу и какие факторы, кроме непостоянства ветров, еще долго не позволят им заменить традиционную энергетику.
Как из ветра получить электричество
Для начала нужно «получить» сам ветер, и причина его возникновения находится далеко за пределами Земли. Поверхность нашей планеты неравномерно нагревают солнечные лучи. Теплый воздух поднимается вверх, и его замещают воздушные массы из более холодных областей — так начинается движение воздушных масс относительно друг друга, которое мы называем ветром.
Ветер попадает на лопасти ветрогенератора и вращает их. Кинетическая энергия воздушных масс превращается в механическую энергию лопастей, которые соединены с электрогенератором. Две основные его части — статор и ротор. Через приводы механическая энергия лопастей передается ротору, и он начинает вращаться. Но как механическая энергия превращается в электрическую?
Вокруг ротора и статора намотаны провода, внутри которых есть свободные носители электрического заряда — электроны. Чтобы они упорядоченно побежали по проводнику и превратились в известный всем нам электрический ток в розетке, им необходима «мотивация» — электрическое поле. Части генератора сделаны из магнитных материалов, поэтому он обладает магнитным полем, параметры которого меняются при вращении ротора. По закону электромагнитной индукции, магнитное поле с меняющимися параметрами (переменное) создает вокруг себя такое же переменное электрическое поле, которое и «пинает» свободные электроны из обмоток генератора в ЛЭП, а оттуда в наши розетки.
Если вы прокатитесь на велосипеде с установленным фонариком, загорающимся из-за вращения педалей, то в системе «человек-педали-фонарь» будете так называемым рабочим телом, как и ветер для ветрогенератора. Педали в этом примере имитируют лопасти. Свою механическую энергию вы превратите в электромагнитную, заставив фонарик ярко светиться. По сути, это принцип работы любого электрогенератора, и он одинаков на гидро-, тепловых и атомных станциях. Разница в том, какое рабочее тело используется — воздух, вода или горячий пар.
Что мешает ветроэнергетике завоевать мир
Ветер — бесплатный источник энергии, но чаще говорят о высокой стоимости электростанций. На уголь, нефть и газ приходится более 2/3 в общем мировом потреблении электроэнергии, а на ветроэнергетику — всего 6%, несмотря на ее бурное развитие последние 20–30 лет. Почему человечество до сих пор полностью не перешло на ветряки?
Ветер дует не всегда, его скорость изменчива, поведение трудно предсказать, а иногда его вообще нет: моряки называют это штилем. Для мельников безветрие означало финансовые потери: мешки с зерном накапливались, приходилось ждать или крутить жернова с помощью животных. Теперь штиль мешает энергетикам. Человечество не может поставить себя в зависимость от столь ненадежного источника. Как бы ни развивалась ветроэнергетика, страховкой всегда будут выступать резервные газовые или угольные станции, которые придется запускать при слабом ветре или его отсутствии.
Энергия, которую может вырабатывать ветер, пропорциональна кубу его скорости: E ~ v3. При увеличении скорости ветра в два раза выработка энергии вырастет в восемь раз; при росте в три раза — в 27 раз. При средних скоростях ветра, ниже пяти метров в секунду строить ветростанции бессмысленно, это «деньги на ветер» в буквальном смысле. Из-за разных скоростей ветра в разных странах ветроэнергетика заведомо не способна завоевать все регионы мира.
Ветростанции требуют много места: ветрогенераторы надо ставить так, чтобы один не попадал в «ветровую тень» другого, замедляющего скорость ветра. Эмпирическая формула L = 10*H (где L — расстояние между генераторами, а H — высота, на которой они размещены) показывает, что при высоте мачты генератора — 100 метров, расстояние между мачтами должно быть не менее километра. Ветропаркам требуется огромная площадь и в густонаселенных районах места для них может не хватить. Например, Западная Европа подошла к пределам роста ветроэнергетики, и темпы строительства новых станций заметно упали в последние годы.
Ветрогенераторы поднимают все выше — там сильнее и стабильнее дует ветер, а также выносят на морской шельф — строят офшорные ветроэлектростанции. Размещают генераторы на мачтах высотой более 100 метров и, возможно, в ближайшие годы будет «взята высота» в 200 метров. Высокие мачты повышают производительность, но и стоят дороже.
Наконец, есть законы аэродинамики, хорошо исследованные нашими учеными: современная мировая ветроэнергетика выросла, в том числе на фундаменте советской аэродинамической школы. Согласно закону Жуковского–Бетца, ветротурбина в принципе не может использовать более 59,3% (или 16/27) поступающей на нее ветровой энергии. При этом отношение фактически произведённой энергии к максимально возможной теоретически для ветряных станций не превышает 30%. Для тепловых станций обычная величина этого показателя 60%.
Будущее ветроэнергетики
Доля ветра в мировом производстве электроэнергии будет расти, в основном благодаря Китаю, Индии, Бразилии и другим странам Азии, Латинской Америки и Африки, где есть площади для ветропарков и благоприятные погодные условия. Важно следовать за природой. Например, есть зона мощных постоянных пассатных ветров, дующих в обоих полушариях от 30-х широт к экватору. Возможно, именно здесь спустя десятилетия будет мировой ветроэнергетический центр или даже пояс.
В России за последние 3–5 лет возведено несколько крупных ветростанций, и их общая мощность к началу 2022 года превысила два гигаватта. На данный момент это 1% от всех наших электроэнергетических мощностей, и выработать они могут от силы 0,5% всей нужной электроэнергии. На большей части нашей страны ветры существенно слабее, чем, к примеру, на западноевропейской территории, обращенной к Атлантике. Но территории с хорошими ветровыми условиями в России есть — на морских побережьях, в степных и предгорных областях.
Преимущество нашей страны — в наличии собственной мощной научно-производственной школы, связанной с ветроэнергетикой. В научном сообществе создаются идеи и разработки. В стране функционируют предприятия по производству оборудования для ветроэнергетики, построенные, в том числе в последние годы. Однако все это позволяет говорить о ветроэнергетике в России лишь с осторожным оптимизмом.
