Неисчерпаемый потенциал ветра
Энергия ветра представляет собой практически безграничный ресурс. Ветровые потоки, проносящиеся над территорией нашей страны, обладают колоссальной мощностью, оцениваемой примерно в 10,8 тераватт. Для сравнения, эта величина эквивалентна суммарной мощности 1800 таких крупнейших гидроэлектростанций, как Красноярская ГЭС. Важнейшее преимущество ветроэнергетики — её возобновляемость. В отличие от традиционных тепловых электростанций, работающих на ископаемом топливе, ветряки не требуют добычи угля, нефти или газа, что сопряжено с огромными экономическими и экологическими издержками.
Экономические и экологические преимущества
Современные исследования подтверждают, что стоимость производства электроэнергии на ветровых электростанциях стала конкурентоспособной и часто оказывается ниже, чем на станциях других типов. Если тепловые станции являются источником вредных выбросов, а строительство плотин ГЭС кардинально меняет экосистемы рек, создавая искусственные водохранилища, то ветроэнергетические установки гораздо гармоничнее вписываются в природный ландшафт, оказывая минимальное воздействие на окружающую среду.
Крупные проекты и перспективы для Севера
Наиболее эффективным направлением развития считается создание мощных ветроэнергетических комплексов. Особенно перспективными для их размещения являются северные регионы, где преобладают постоянные ветры со среднегодовой скоростью около 6 метров в секунду. Ярким примером такого масштабного проекта является разработанная ветроэнергетическая система для Кольского полуострова протяженностью 1100 километров. В её состав войдут 238 ветроэнергетических групп, каждая мощностью не менее 1000 МВт. Ключевой инновацией новых агрегатов станет поворотная башня, несущая сразу два ветроколеса с лопастями размахом 50 метров.
Принцип работы и теоретические основы
Основным рабочим элементом ветродвигателя являются лопасти воздушного винта, или ветроколеса. Теоретическую базу для его расчётов в начале XX века заложил выдающийся русский учёный Н. Е. Жуковский. Применив теорию подъёмной силы крыла самолёта к анализу прохождения воздушного потока через колесо, он определил максимально возможный коэффициент использования энергии ветра для идеального ветроколеса, который составил 59,3%. Современные реальные ветродвигатели имеют коэффициент полезного действия примерно на 15% ниже этого теоретического предела.
Управление ветроколесом в переменных условиях
Ветер — изменчивая стихия, часто меняющая как направление, так и силу. Для того чтобы колесо всегда было максимально эффективно развёрнуто навстречу потоку, используются специальные устройства ориентации. Это может быть хвостовая пластина, работающая по принципу флюгера, или небольшое вспомогательное ветровое колесо (виндроза).
Постоянство скорости ветра — большая редкость. Любое её изменение приводит к колебаниям частоты вращения ветроколеса и связанного с ним вала, который передаёт вращение на электрический генератор. Для обеспечения стабильной работы генератора и поддержания постоянной частоты вращения вала применяются различные механизмы регулирования.
Инновации в регулировании и сферы применения
Фундаментальная идея регулирования скорости вращения ветроколеса принадлежит советским инженерам А. Г. Уфимцеву и профессору В. П. Ветчинкину. Они предложили оснастить ветродвигатель поворотными лопастями. При усилении ветра лопасти автоматически поворачиваются к потоку узким ребром, уменьшая сопротивление и нагрузку. При ослаблении ветра они разворачиваются всей плоскостью, чтобы уловить максимум энергии. Сегодня ветродвигатели находят практическое применение в удалённых и засушливых регионах, например, для подъёма воды на горных пастбищах или в пустынях.