Енергія вітру

Енергія вітру, як похідна енергія Сонця, утворюється за рахунок нерівномірного нагрівання поверхні Землі. Щогодини Земля отримує 100 000 000 000 000 кВт·год енергії Сонця. Близько 1-2% сонячної енергії перетворюється на енергію вітру. Цей показник у 50-100 разів перевищує кількість енергії, перетвореної на біомасу всіма рослинами Землі.

Протягом кількох тисячоліть людство використовує енергію вітру. Вітер надував вітрила кораблів, змушував працювати вітряки. Кінетична енергія вітру завжди була і залишається доступною практично у всіх куточках Землі. Енергія вітру є привабливою і з погляду екології: при її використанні немає викидів в атмосферу, немає небезпечних радіоактивних відходів.

Вітер, як первинне джерело енергії, нічого не вартий. До того ж це джерело енергії може використовуватися децентралізовано. Немає необхідності у створенні таких інфраструктур як, наприклад, при виробництві та передачі електроенергії, виробленої за рахунок спалювання нафти або природного газу.

1. Історія

Вітер як джерело енергії відомий людству вже протягом десятків тисяч років. Ще на зорі цивілізації енергію вітру використовували в мореплаванні. Вважається, що давні єгиптяни ходили під вітрилами ще 5000 років тому. Близько 700 н.е. на території нинішнього Афганістану вітряки з вертикальною віссю обертання застосовувалися для помелу зерна. Відомі всім вітряки (крила вітряка, прикріплені до вежі) забезпечували роботу іригаційної системи острова Крит, розташованого в Середземному морі. Працюючі за рахунок вітру млини для помелу зерна є одним із найбільших технічних досягнень середніх віків. У 14 столітті голландці, удосконаливши модель вітряків, поширених на Близькому Сході, почали широко застосовувати вітряки для помелу зерна.

Водяний насос, що працює за рахунок енергії вітру, з'явився 1854 року в США. Він являв собою ту саму модель вітряка з великою кількістю лопатей і флюгером для визначення напряму вітру. До 1940 року понад 6 мільйонів таких вітряків використовувалися США переважно для підйому води та виробництва електроенергії. Завоювання "Дикого Заходу" було здійснено, в тому числі, і завдяки цим вітрякам, які постачали воду на тваринницькі ферми.

Тим не менш, у середині 20 століття настав кінець широкому застосуванню енергії вітру, оскільки на заміну йому прийшов такий "сучасний" енергетичний ресурс, як нафта. І лише після того, як світ пережив кілька нафтових криз, інтерес до вітроенергетики відновився. Внаслідок різкого стрибка цін на нафту на початку 70-х енергетичні аналітики знову звернулися до використання енергії вітру. Дослідження та експерименти, проведені за фінансової підтримки держав та різних фондів, дали новий поштовх для розвитку технологій використання енергії вітру. Зусилля були сконцентровані на використанні вітру в першу чергу для електроенергії, оскільки для індустріальних країн застосування вітрових насосів не є таким важливим.

США

Ембарго на нафту, введене в 1973 році, стало основною рушійною силою для програми, спрямованої на розвиток вітроенергетики США. Компанія Westinghouse Electric розробила перші вітроенергетичні установки (ВЕУ) потужністю 200 кВт, відомі як MOD-OA. Найбільш потужна із цієї серії вітротурбіна MOD-5B потужністю 3,2 МВт, встановлена на Гаваях. Комерційний розвиток вітроенергетичної промисловості США розпочався після ухвалення у 1978 році державного акта з регулювання політики країни в галузі комунального господарства (PURPA) та введеного пільгового 25% кредиту для інвесторів у виробництво ВЕУ. У результаті лише за період 1981-1984 років у Каліфорнії було встановлено 6870 вітротурбін. Однак після 31 грудня 1985 року, коли закінчилося надання податкових пільг із кредитування, а ціна на нафту впала до 10 доларів за барель, безліч дрібних компаній - виробників ВЕУ зникло. Зуміли "вижити" лише найбільш надійні та перспективні. Варто зазначити, що інтерес до вітроенергетики у США відновився 1998 року, а у 1999 році ініціатива Wind Powering America поставила ціль досягти 5% виробництва електроенергії з вітру до 2020 року. Ця ціль була виконана вже у 2016 році (5,6%), а на кінець 2021 року частка електроенергії з вітру складала вже 9,2%. Наразі вітроенергетика є найбільш швидкозростаючим сектором у Сполучених Штатах із встановленою потужністю більше 135 843 МВт (кінець 2021).

Виробництво електроенергії з вітру у США, 1990-2021 рр.

Данія

Історія розвитку вітроенергетичної промисловості Данії є прикладом успішного комерційного процесу. З 1980 по 1998 рік її оборот досяг 1 млрд. доларів США. ВЕУ датського виробництва – одні з найпопулярніших на світовому ринку. 1981 року вітроенергетична промисловість Данії налічувала лише кілька сотень службовців, а у 2018 році в секторі вже працювали 35 400 осіб. Обсяг експорту датських ВЕУ у 1998 р. досяг сумарної потужності 1216 МВт, а на кінець 2018 року лише данська компанія Vestas була найбільшим у світі постачальником вітряних турбін із понад 60 000 встановлених турбін, загальною сумарною потужністю понад 100 000 МВт, займаючи 20% ринку вітротурбін у світі.

У 1979 році уряд Данії запровадив державну субсидію, що покриває 30% капітальних витрат на встановлення вітрогенераторів. Фінансова підтримка держави виявилася суттєвим чинником для успішного та швидкого розвитку вітроенергетики країни. Потрібно відзначити, що подібна фінансова підтримка існувала і для розвитку технологій енергетичного використання соломи, біогазу та енергії Сонця. За допомогою вчених спеціально створеної Національної лабораторії з тестування вітротурбін Riso виробники вітроагрегатів постійно працювали над підвищенням якості та ефективності своїх машин. Одночасно велася робота над зниженням їхньої вартості. У 1986 року розмір субсидій зменшився до 15%. 1989 вважається роком створення вітроенергетичної промисловості країни. Цього року зі скасуванням субсидії було запроваджено податкові пільги за кредитами. Власники ВЕУ отримали можливість не враховувати при нарахуванні податків певну частину доходу, одержану від продажу електроенергії.

Ще однією особливістю Данії є той факт, що бурхливий розвиток вітроенергетики ґрунтувався насамперед на залученні приватних осіб, об'єднаних у кооперативи. Як приклад можна взяти кооператив Бріруп, розташований за 50 км від Східного узбережжя півострова Ютландія. До складу кооперативу, що володіє трьома вітротурбінами, встановленими з 1986 по 1989 входить 70 членів. Економічний результат діяльності кооперативу виглядає так: одна турбіна потужністю 95 кВт виробляє на рік 184 МВт·год електроенергії, дві інші турбіни потужністю 150 кВт кожна, виробляють по 275 000 кВт·год. Таким чином, сумарне річне виробництво електроенергії дорівнює 734 000 кВт·год.

Повна вартість усіх трьох турбін, включаючи вартість встановлення та підключення до енергомережі – 2,5 млн датських крон (1 дол. США – 6,2 датск. крон). Ця сума "розбита" на 734 "акції" за ціною 3,400 датських крон (кожна акція відповідає виробництву/споживанню 1000 кВт·год електроенергії), що дорівнює приблизно половині місячної зарплати некваліфікованого робітника в Данії за вирахуванням податків. Кожен член кооперативу може купити "акції" пропорційно до свого річного споживання електроенергії плюс 30%. Якщо, наприклад, річне споживання електроенергії дорівнює 10000 кВт·год, до цієї кількості можна додати ще 3000 кВт·год, таким чином можна купити максимум 13 "акцій". Таке обмеження необхідне для обмеження прибутку (прибуток за продаж електроенергії для членів кооперативу не оподатковується). На загальних зборах кожен член кооперативу має 1 голос незалежно від кількості наявних у нього "акцій". Слово "акція" написано у лапках у зв'язку з тим, що акції членів кооперативу перестали бути акціями у сенсі цього терміну. Наприклад, під час продажу таких акцій необхідно керуватися нормами електроспоживання продавця та покупця.

Економічні показники діяльності кооперативу в Брірупі - чудові. Щорічно, після виділення певної суми, необхідної для нормальної експлуатації та ремонту ВЕУ, власники "акцій" одержують по 510 датських крон за акцію. Ця сума відповідає 15% річних (причому звільнених від податку), що набагато перевищує відсоткові ставки банків. Сьогодні установка вітротурбіни обходиться набагато дорожче, тому вартість акцій зросла до 4000 датських крон, а ставка річних знизилася до 12,75%. Внаслідок підтримки вітроенергетики, наданої датським урядом, кожна десята (!) сім'я у Данії є або членом вітрового кооперативу, або власником власної ВЕУ.

Німеччина

На відміну від ситуації в Данії чи Каліфорнії (США), де величезна кількість вітроенергетичних установок (ВЕУ) було встановлено ще у 80-х роках 20 століття, у Німеччині інтерес до енергії вітру з'явився з великим запізненням. Лише 1989 року федеральний уряд Німеччини ініціював програму сприяння розвитку вітроенергетики країни. Ця програма передбачала встановлення вітроагрегатів сумарною потужністю 250 МВт протягом семи років. Німецькі комунальні підприємства зобов'язувалися оплачувати своїм споживачам 90% стандартних тарифів за поставлену в мережу всіма виробниками електроенергію, вироблену за рахунок енергії вітру. Проведення цієї програми призвело до стрибка у розвитку вітроенергетики.

Сучасний розвиток

На початку 2000х вітроенергетичний бум охопив дедалі більше країн. На 31 грудня 2005 року встановлена потужність світової вітроенергетики досягла 58 982 МВт, з яких 11 310 МВт нових потужностей було введено в експлуатацію лише у 2005 році. Для порівняння в 2004 році галузь зросла на 8344 МВт, а в 2003 році - на 8100 МВт. Таким чином, зростання вітроенергетичної галузі у 2005 році склало 24%.

Показники встановленої вітроенергетичної потужності 10 провідних країн світу станом на 31 грудня 2005 року

У 2021 році на джерела енергії вітру припадало майже 6,59% виробництва електроенергії в усьому світі, порівняно з 6,08% роком раніше. Це майже вдвічі більше, ніж у 2015 році, коли була прийнята Паризька угода. Лідерами по встановлених потужностях є Китай, ЄС та Сполучені Штати.

Україна

У 2005 році загальна встановлена потужність вітрогенерації в Україні досягла 85 МВт, а на початок 2022 року - досягла майже 1,7 ГВт. На жаль, після початку повномасштабного вторгнення росії в Україну 24 лютого 2022 року 85% вітрових станцій України перебувають на окупованих нині територіях або ж вимушено зупинили свою роботу задля збереження потужностей.

У 1993 році українське підприємство "Уінденерго" отримало ліцензію від американської фірми "Keneteck Windpower" на виробництво турбін потужністю 107,5 кВт. Згідно з Указом Президента України від 2 березня 1996 р. №159 "Про будівництво вітрових електростанцій" та Постановою Кабінету Міністрів України від 2 лютого 1997 року, у країні діє Комплексна програма будівництва вітрових електростанцій. У рамках цієї програми сьогодні в Україні повністю освоєно виробництво ВЕУ USW56-100 потужністю 107,5 кВт - 100% вузлів цих машин виготовляються в країні. Ціна USW56-100 вдвічі менша за аналогічні західні зразки.

З червня 2003 року в Україні почали вводити в експлуатацію нові ВЕУ потужністю 600 кВт бельгійської фірми "Turbowinds".

Трохи історії

У 2003 році українська вітроенергетика відзначила своє десятиліття, якщо точкою відліку вважати дату запуску першої ВЕС у країні - Акташської. Хоча перший етап розвитку вітроенергетики України по праву належить до періоду 30-х років минулого століття. Під керівництвом винахідника Юрія Кондратюка було розроблено та встановлено експериментальний вітрорегрегат потужністю 100 кВт у Балаклаві. Згодом Ю. Кондратюком був спроектований вітряк на 1000 кВт. Наступним проектом геніального винахідника став двоповерховий вітроагрегат загальною потужністю 10 000 кВт (5 000 кВт на кожному рівні). Висота до 1-го рівня становила 65 м і до другого - 150 м. На жаль, ідеї Ю. Кондратюка так і залишилися проектами, хоча фундамент для 10 000 кВт вітряка все ж був споруджений у Криму на горі Ай-Петрі, де і існує досі.

Другий етап розвитку вітроенергетики збігся з початком процесу конверсії у колишньому Радянському Союзі. У 1987 році постало питання про закриття проекту з повороту на Південь північних річок - Єнісея, Олени. Величезна кількість грошей, відпущена Радянським Союзом на цей проект, залишилася у Міністерстві водного господарства СРСР. З ініціативи конструкторського бюро "Південне", м. Дніпропетровськ, частина коштів від цього проекту була спрямована на розвиток вітроенергетики.

ВЕУ українського виробництва

На ці кошти конструкторське бюро створило перший післявоєнний час ВЕУ радянського виробництва - АВЕ-250. На жаль, для перших двох досвідчених ВЕУ не знайшлося генераторів потужністю 250 кВт, тому були встановлені лише 100 кВт. Ці ВЕУ досі перебувають у Павлограді та в радгоспі "Сонячна долина" поблизу Судака. На Павлоградському вітроагрегаті йшло досвідчене відпрацювання, а Судакська ВЕУ так і не запрацювала.

Ветроагрегат АВЕ-250 розроблявся спільно з московською фірмою "ВЕТРОЕН" на підставі датського аналога ВЕУ конструкції 1956 року, що наголошує сьогодні на його моральній відсталості. Після перших випробувань моделі стало ясно, що робити вітряк, використовуючи для веж пластикові частини корпусів ракет, не можна з двох причин: по-перше, це дуже дорога технологія і, по-друге, коли віє вітер, вежа вітряка поводиться як вудка зі склопластику . У наступних конструкціях ВЕУ КБ "Південне" використало вежі з металу.

ВЕУ з вертикальними лопатями

Була ще одна українська розробка – ВЕУ ЕСО-420 номінальною потужністю 420 кВт. Ця українська ВЕУ не пропрацювала жодного дня, хоча витрати на її створення становили не одну сотню тисяч доларів. У вересні 2004 року за сильного пориву вітру у цього вітроагрегату відірвало лопаті. Більше експериментів із такою конструкцією в Україні не проводилося.

Ліцензійні ВЕУ

Було обрано шлях виробництва ліцензійних ВЕУ. У рамках програми конверсії було задіяно десятки підприємств ВПК для виробництва комплектуючих ВЕУ. Гаслом стало: "Чиста енергія - замість гармат".

Перші вітротурбіни за американською ліцензією "Південмаш" почав збирати 1994 року. За неповні сім років завод налагодив виготовлення та складання USW 56-100. Сьогодні виготовлення ВЕУ обходиться вдвічі дешевше, ніж на Заході.

Нові ВЕУ

У рамках Комплексної програми будівництва ВЕС в Україні вирішено питання про перепрофілювання заводів, які випускають ВЕУ USW 56-100 на ВЕУ потужністю понад 600 кВт за ліцензіями зарубіжних фірм. "Південмаш" планує освоїти виготовлення веж, лопатей та налагодити загальне складання ВЕУ.

Відповідно до Комплексної програми будівництва ВЕС в Україні було придбано три прототипи 600 кВт-ної ВЕУ бельгійського виробництва. Влітку 2003 року два нові вітроагрегати встановлені та здані в експлуатацію на Новоазовській ВЕС у Донецькій області, а третій – на півострові Тарханкут у Криму. На одній ВЕУ вже було встановлено вежу українського виробництва, виготовлену на "Південмаші". На Тарханкуті перший бельгійський вітроагрегат був змонтований за 74 години і за дві доби ВЕУ виробила 10 000 кВт·год електроенергії. Вітер був середнього рівня, не перевищував 7-8 м/с, а показники виробітку електроенергії виявилися високими. На відміну від ВЕУ USW56-100, що стартує з 5,5 м/с, бельгійська ВЕУ Т600-48 починає роботу зі швидкістю вітру 2,8 м/с. За розрахунками бельгійських фахівців та МНТЦ Вітроенергетики НАН України щорічне виробництво електроенергії однієї ВЕУ Т600-48 на Тарханкутській ВЕС складе близько 2 млн кВт·год електроенергії.

Потенціал

Згідно зі сценарієм розвитку вітроенергетики у світі до 2020 року, представленому в документі "Wind Force 12", розробленому спільно Грінпісом, INFORSE та Європейською асоціацією вітроенергетики, частка вітроенергетики у світовому виробництві електроенергії має досягти 12%. Проведені дослідження показали, що у світі не існує жодних технічних, економічних та ресурсних обмежень для досягнення цієї мети. До 2020 року є реальна можливість досягти світового показника встановленої потужності ВЕУ 1 260 000 МВт. Документ "Wind Force 12" зазначає, що до 2010 року світова вітроенергетична промисловість може вийти на рівень 230 000 МВт встановленої потужності, а європейська – 100 000 МВт. До 2010 року вартість світового вітроенергетичного ринку становитиме 133 млрд євро, а сума інвестицій сягне 20 млрд євро.

Згідно з проведеними дослідженнями, до 2020 року витрати на виробництво електроенергії, отриманої за рахунок енергії вітру, знизяться до 2,5 центів США за 1 кВт·год (нинішня вартість становить 4,0 цента США за 1 кВт·год).

Згідно "Wind Force 12":

• до 2020 року за рахунок вітроенергетики буде забезпечено 12 % потреби в електроенергії з огляду на те, що світове енергоспоживання подвоїться.
• встановлена потужність ВЕУ досягне 1 261 000 МВт.
• вітроелектростанції (ВЕС) вироблятимуть 3 093 ТВт·год енергії, що відповідає нинішньому енергоспоживання Європи.
• викиди СО2 в атмосферу зменшаться на 11 768 млн тонн.

Робочі місця

Сектор відновлюваної енергетики стає одним із важливих "роботодавців". Сьогодні лише на території країн Євросоюзу він налічує понад 110 тисяч робочих місць, з яких 20% належать вітроенергетиці. Більшість із 700 компаній, що діють у галузі вітроенергетики, є представниками малого та середнього бізнесу. У міру зростання промисловості зростає і кількість робочих місць. До кінця 2005 року понад 235 000 осіб працювало у вітроенергетичній промисловості. За прогнозами експертів, кількість працюючих у вітроенергетиці перевищить 1,4 млн осіб до 2020 року.

Ринки

ВЕУ існують у всьому світі. Вони ідеально підходять для потреб країн, що розвиваються, з їхньою потребою в терміновому введенні в експлуатацію нових потужностей. Вони можуть бути введені в дію та підключені до енергомережі за більш короткий термін та з меншими витратами порівняно з введенням великих електростанцій, яким необхідна складна інфраструктура з виробництва та передачі електроенергії. Тому країни, що розвиваються, становлять великий інтерес для вітроенергетичного ринку.

Ветроенергетика легко інтегрується в існуючі енергосистеми, скорочуючи обсяги електроенергії, отриманої за рахунок спалювання викопного палива.

2. Енергія вітру

Вітер – це природнє явище руху повітря відносно земної поверхні, утворене внаслідок нерівномірного нагрівання атмосфери сонячною радіацією, і спрямоване із зони високого атмосферного тиску до зони низького, а також через силу Коріоліса, пов’язане з обертальних рухом Землі. До основних характеристик, що описують вітер, належать швидкість та напрям вітру. Ресурси вітру невичерпні, але через непостійність його швидкості, можливість енергетичного використання цього ресурсу суттєво залежать від місцевих умов та мінливості погоди.

Потужність вітрового потоку визначається за формулою:

P = 1/2 C_ρ* ρ* A*v³,

де Cp – коефіцієнт потужності, що визначає, яка частка енергії вітру перетворюється турбіною у механічну роботу (теоретичне максимальне значення цього коефіцієнту за законом Беца складає 0,593. Сучасні ефективні вітрові турбіни досягають піку 75–80% межі Беца);
ρ – питома щільність (вага) повітря, кг/м3 ;
A – площа, через яку протікає вітровий потік, м2;
v – швидкість вітру, м/с.

З огляду на меншу у 800 разів питому щільність повітря порівняно із водою, розміри вітрових турбін набагато більші ніж у турбін гідроелектростанцій.

Зрозуміло, що найбільший вітровий потенціал спостерігається на морських узбережжях, на пагорбах і в горах. Тим не менш, існує ще багато інших територій з потенціалом вітру, достатнім для використання у вітроенергетиці. Як джерело енергії, вітер є менш передбачуваним на відміну, наприклад, Сонця, однак у певні періоди наявність вітру спостерігається протягом цілого дня. На вітрові ресурси впливає рельєф Землі та наявність перешкод, що розташовані на висоті до 100 метрів. Тому вітер більшою мірою залежить від місцевих умов, ніж енергія Сонця.

У гористій місцевості, наприклад, дві ділянки можуть мати однаковий сонячний потенціал, але цілком можливо, що їхній вітровий потенціал буде різний, насамперед через відмінності в рельєфі та напрямки вітрових потоків. У зв'язку з цим планування місця під ВЕУ має проводитися ретельніше, ніж під час монтажу сонячної системи. Енергія вітру також підпорядкована сезонним змінам погоди: ефективніша робота ВЕУ взимку і менш ефективна – у літні спекотні місяці (у випадку із сонячними системами ситуація протилежна). У кліматичних умовах Данії фотоелектрична система ефективна на 18% у січні та на 100% у липні. Ефективність роботи вітростанції у липні – 55%, а у січні – 100%. Оптимальним варіантом є комбінування в одній системі малої ВЕУ та сонячної системи. Подібні гібридні системи забезпечують більш високу продуктивність електроенергії порівняно з окремо встановленими вітровими або фотоелектричними установками.

Важливо також пам'ятати, що кількість енергії, виробленої за рахунок вітру, залежить від щільності повітря, площі, охопленої лопатями вітротурбіни при обертанні, а також від куба швидкості вітру.

Щільність повітря

Лопаті ВЕУ обертаються за рахунок руху повітряної маси. Чим більша повітряна маса, тим швидше обертаються лопаті і тим більше електроенергії виробляє ВЕУ. Ми знаємо з курсу фізики, що кінетична енергія тіла, що рухається (наприклад, повітря) пропорційна його масі, тому Енергія вітру залежить від щільності повітря. Щільність залежить кількості молекул в одиниці об'єму. При нормальному атмосферному тиску і температурі 15°C щільність повітря становить 1,225 кг/м3. Однак із збільшенням вологості густина повітря злегка зменшується. Через те, що взимку повітря щільніше, вітрогенератор вироблятиме взимку більше енергії, ніж влітку, при однаковій швидкості вітру. На території, розташованій високо над рівнем моря, наприклад, у горах, атмосферний тиск менший і, відповідно, менша щільність повітря.

Площа ротора

Ротор вітротурбіни захоплює енергію вітрового потоку, що знаходиться біля нього. Зрозуміло, що більше площа ротора, тим більше електроенергії можна виробити. Оскільки площа ротора збільшується пропорційно квадрату діаметра ротора, ВЕУ вдвічі більша за розміром зможе виробити вчетверо більше енергії. Однак процес збільшення площі ротора не можна звести до простого подовження лопатей ВЕУ. З першого погляду здається, що це найпростіший шлях збільшення кількості "захоплюваної" ВЕУ енергії. Але, збільшуючи розмір площі, що охоплюється лопатями під час обертання, ми тим самим збільшуємо навантаження на систему за тієї ж швидкості вітру. Для того щоб система витримала всі навантаження, необхідно посилити всі її механічні компоненти. Стає зрозуміло, що таке вирішення проблеми потребує додаткових фінансових витрат.

Швидкість вітру

Швидкість вітру є найважливішим фактором, що впливає на кількість енергії, яку ВЕУ може перетворити на електроенергію. Велика швидкість вітру збільшує обсяг повітряних мас, що проходять. Тому зі збільшенням швидкості вітру зростає кількість електроенергії, виробленої ВЕУ. Енергія вітру змінюється пропорційно до куба швидкості вітру. Таким чином, наприклад, якщо швидкість вітру подвоюється, кінетична енергія, отримана ротором, збільшується у вісім разів. Наведена внизу таблиця показує значення енергії вітру за стандартних умов (сухе повітря, щільність - 1,225 кг/м3, атмосферний тиск над рівнем моря 760 мм рт.ст.). Формула розрахунку кількості енергії (визначається у Вт/м2) виглядає наступним чином: 0,5*1,225*V3, де V - швидкість вітру в м/сек (відповідно до Датської асоціації виробників вітротурбін).

Природні вітрові умови постійно змінюються, змінюється також швидкість вітру. Конструкція ВЕУ розрахована на роботу при швидкості вітру в діапазоні 3 - 30 м/сек. Вища швидкість вітру може зруйнувати ВЕУ, тому великі ВЕУ оснащені гальмами. Малі ВЕУ можуть працювати і при швидкості вітру менше 3 м/сек.

Основні компоненти ВЕУ з горизонтальною і вертикальною осями

Шкала швидкості вітру

Нерівність рельєфу

Поверхня Землі з її рослинністю та будовами, що знаходяться на ній, є основним фактором, що впливає на зменшення швидкості вітру. Це описують як вплив нерівності рельєфу. З віддаленням від Землі зменшується вплив нерівності рельєфу, і ламінарний потік повітря відповідно збільшується. Іншими словами, чим вище – тим більша швидкість вітру. На висоті близько 1 км рельєф практично не впливає на швидкість вітру. У нижчих шарах атмосфери на швидкість вітру впливає тертя з поверхнею Землі. Для вітроенергетики це означає, що чим більша нерівність рельєфу (шорсткість), тим нижчою буде швидкість вітру. Швидкість вітру значною мірою уповільнюється через ліси й великі міста, тоді як великі водні простори чи, наприклад, території аеропортів майже не дають уповільнюючого ефекту на вітер. Будівлі, ліси та інші перешкоди не лише уповільнюють швидкість вітру, а й створюють турбулентні потоки.

Як уже було зазначено, найменше на швидкість вітру впливають водні простори. Оцінюючи придатність цієї території для встановлення ВЕУ, тобто її вітровий потенціал, фахівці користуються класифікацією нерівності рельєфу. Вищий клас нерівності рельєфу означає більшу кількість перешкод на поверхні і, відповідно, більший вплив на швидкість вітру. Поверхня моря визначається як нерівність класу 0.

Для оцінки можливості розміщення ВЕУ використовується характеристика нерівностей поверхні та рельєфу, або так званої шорсткості територій, що дозволяє визначити оптимальну висоту башти, на якій бажано розмістити вітрову турбіну.

Класифікація нерівностей поверхні та рельєфу:

У промисловості також існує таке поняття як зсув вітру. Воно описує процес зменшення швидкості вихрових потоків у міру їхнього наближення до поверхні землі. Зсув вітру також необхідно враховувати під час проектування ВЕУ. Так, якщо вітротурбіна має великий діаметр ротора, але висота її вежі незначна, то в результаті вітер, що впливає на кінець лопаті, що знаходиться у верхній позиції, матиме максимальну швидкість, а вітровий потік, що впливає на кінець лопаті, що знаходиться внизу, буде мінімальним, що може призвести до руйнування ВЕУ.

3. Технологія

ВЕУ перетворюють кінетичну енергію вітру на електричну за допомогою генератора в процесі обертання ротора. Лопаті ВЕУ використовуються подібно до пропелера літака для обертання центральної маточини (ступиці), приєднаної через коробку передач до електричного генератора. За своєю конструкцією генератор ВЕУ нагадує генератори, що використовуються в електростанціях, що працюють за рахунок спалювання викопного палива. Різноманітність машин, які були розроблені або запропоновані для використання енергії вітру, є значною та включає багато незвичайних конструкцій. Тим не менш, існують два основні типи сучасних ВЕУ.

ВЕУ з горизонтальною віссю обертання, що мають дві або три лопаті, встановлені на вершині вежі, - найпоширеніший тип ВЕУ. Розташування провідного валу ротора - частини турбіни, що з'єднує лопаті з генератором - вважається віссю машини. У турбін із горизонтальною віссю обертання провідний вал ротора розташований горизонтально.

У робочому стані щодо напряму повітряного потоку ротор турбіни може бути перед опорою - так званий навітряний ротор або за опорою - підвітряний ротор. Найчастіше турбіни з горизонтальною віссю обертання мають дві чи три лопаті, хоча є й моделі з великою кількістю лопатей. Такі ВЕУ є диском з великою кількістю лопатей. Вони отримали назву "монолітних" установок. Такі установки використовуються в першу чергу як водяні насоси. На відміну від них площа ротора турбіни з малою кількістю лопатей (дві-три) не є суцільною. Ці турбіни відносять до "немонолітних" установок. Для найбільш ефективної роботи ВЕУ її лопаті повинні максимально взаємодіяти з вітровим потоком, що проходить через площу обертання ротора.

ВЕУ з великою кількістю лопатей зазвичай працюють при низьких швидкостях обертання. У той час як установки з двома або трьома лопатями повинні обертатися дуже високою швидкістю, щоб максимально "охопити" вітрові потоки, що проходять через площу ротора. Теоретично, чим більше лопатей у ротора, тим ефективнішою має бути його робота. Однак ВЕУ з великою кількістю лопатей менш ефективні, ніж турбіни з двома або трьома лопатями, оскільки лопаті створюють перешкоди одна одній.

Для водяних насосів, що працюють за допомогою вітряків, необхідне створення високого стартового крутного моменту. Турбіни з великою кількістю лопатей використовуються для підйому води саме тому, що завдяки низькому коефіцієнту окружної швидкості на кінці лопаті створюються високі стартові характеристики та установка може працювати при малих швидкостях вітру.

У турбін з вертикальною віссю обертання (Н-подібні) провідний вал ротора розташований вертикально. Лопаті такої турбіни - довгі, зазвичай дугоподібні. Вони прикріплені до верхньої та нижньої частин вежі. Завдяки вертикальному розташуванню ведучого валу ротора Н-подібні турбіни, на відміну від турбін з горизонтальною віссю обертання, "захоплюють" вітер, що дме в будь-якому напрямку, і для цього їм не потрібно змінювати положення ротора при зміні вітрових потоків. Автором ідей створення турбіни з вертикальною віссю обертання є французький інженер Дарріус (Darieus). Ключові виробники вітрових турбін із вертикальною віссю у світі включають Helix Wind, SAW, Wind Harvest, Astralux, Kliux Energies та ще близко десяти виробників.

Незважаючи на свою зовнішню відмінність, турбіни з вертикальною та горизонтальною осями обертання є схожими системами. Кінетична енергія вітру, одержувана при взаємодії повітряних потоків з лопатями турбіни, через систему трансмісії передається на електричний генератор. Завдяки трансмісії генератор може працювати ефективно за різних швидкостей вітру. Вироблена електроенергія може використовуватися безпосередньо, надходячи в мережу або накопичуватися для більш пізнього використання.

За способом взаємодії з вітром ВЕУ діляться на установки з жорстко закріпленими лопатями без регулювання і на агрегати, у яких лопаті зроблені з кутом, що змінюється. Обидві конструкції мають переваги та недоліки. ВЕУ, у яких лопаті зроблені з кутом, що змінюється, мають більш високу ефективність використання вітру і, відповідно, вони виробляють більше електроенергії. У той же час ці ВЕУ повинні бути оснащені спеціальними підшипниками, які, виходячи з наявного вже досвіду, часто є причиною поломок агрегатів. Турбіни з жорстко закріпленими лопатями простіші в обслуговуванні, проте їх ефективність використання вітрового потоку нижча.

Основні компоненти вітротурбін

Сучасні ВЕУ зазвичай складаються з таких основних компонентів:

• Лопаті
• Ротор
• Трансмісія
• Генератор
• Система контролю.

Лопаті. Саме цей компонент ВЕУ "захоплює" вітер. Сучасний дизайн ВЕУ дозволяє підвищувати ефективність цього процесу. Як уже описано вище, зазвичай ВЕУ мають дві або три лопаті. Лопаті виробляють із скловолокна, полістиролу, епоксидного полімеру або вуглепластику. Деякі з них мають дерев'яний каркас. Матеріал, з якого виготовляють лопаті, повинен бути міцним і одночасно гнучким, і не створювати хвилеві перешкоди, що заважають проходженню телевізійних сигналів. Довжина лопатей сучасних ВЕУ варіюється від 25 до 50 метрів, вага лопаті може перевищувати 1000 кг.

Гальмівна система Трансмісія Генератор

Під ротором розуміють лопаті, з'єднані з центральним валом. Центральний вал пов'язаний з провідним валом приводу через коробку передач - трансмісію (у деяких системах вал ротора безпосередньо з'єднаний із приводом генератора).

Трансмісія та привід необхідні для передачі кінетичної енергії через провідний вал на генератор, який і виробляє електроенергію.

Всі системи ВЕУ контролюються та керуються за допомогою комп'ютера, який може знаходитись на відстані від ВЕУ. Система контролю кута нахилу лопатей "розгортає" лопаті під кутом, необхідним для ефективної роботи при будь-якій швидкості вітру. Система контролю напрямку осі ротора ВЕУ розгортає ВЕУ у напрямку до вітру в горизонтальній площині.

Електронна система контролю підтримує постійну напругу на генераторі при зміні швидкості вітру. Генератор, що працює за різних швидкостей вітру, є важливою складовою ефективної роботи ВЕУ.

Вітроенергетичні установки (ВЕУ)

Вітроенергетичні установки є досить складним продуктом. Багато з раніше розроблених зразків виявилися ненадійними. Наприклад, фотоелектричний модуль, на відміну від ВЕУ, від початку є надійним виробом, так як його конструкція не містить рухомих елементів. ВЕУ складається з безлічі механізмів, і надійність кожного окремого залежить від професіоналізму його розробників і виробників.

Розмір сучасних ВЕУ має широкий діапазон: від малих 100 кВт-них, призначених для забезпечення електроенергією окремих будинків або котеджів, до величезних установок потужністю понад 1 МВт, діаметр лопатей яких перевищує 50 м. Переважна більшість сучасних ВЕУ є горизонтально-осьовими конструкціями із трьома лопатями діаметром 15-40 метрів. Такі ВЕУ мають встановлену потужність 50-600 кВт і більше. Часто такі ВЕУ згруповані на одній території, утворюючи таким чином вітроелектростанції (ВЕС). Електроенергія, вироблена на ВЕС, надходить до електромережі. Сучасні великі ВЕУ в основному виробляють електроенергію з напругою 690 В. Трансформатор, що встановлюється поруч із ВЕУ або в її вежі, підвищує напругу до 10-30 кВ.

Класифікація вітроенергетичних установок з горизонтальною віссю обертання за діаметром ротору та потужністю

Вартість 1 кВт встановленої потужності сучасної ВЕУ становить близько 800 доларів США, що набагато нижче за показник 1981 року - 2500 доларів США за 1 кВт встановленої потужності.

Мегаватні вітротурбіни

За коротку історію розвитку сучасних ВЕУ стало ясно, що комунальні енергетичні компанії надають перевагу великим установкам. Саме тому конструкторами та розробниками ВЕУ було зроблено багато зусиль для розробки таких машин, які б відповідали технічним, естетичним та економічним вимогам клієнтів. Зокрема, значних зусиль було зроблено у цій галузі на початку 1980-х. Так, Департаментом з енергетики США було прийнято програму MOD 1,5, відповідно до якої встановлена потужність ВЕУ мала досягати 3,2 МВт. У Данії розроблялися ВЕУ із встановленою потужністю 630 кВт (Nibe A та B) та 2 МВт (компанія "Tjaereborg"); у Швеції – ВЕУ потужністю 3 МВт (компанія "Nasudden"), у Німеччині -3 МВт (компанія "Growian"). Більшість із них виявилися невдалими, хоча вже тоді стало зрозуміло, що потенціал розробки ВЕУ потужністю понад 2 МВт є перспективним.

Багато хто з європейських дослідницьких компаній у рамках існуючих ініціатив отримали часткове або повне фінансування для розробки прототипів мегаватних ВЕУ. Першу з таких дослідних моделей було встановлено наприкінці 1995 року. Сьогодні вже кілька моделей встановлено, переважно вони успішно працюють. Провідні виробники вітротурбін продовжують працювати над удосконаленням 500 кВт-них машин, що випускаються. Це підтверджує думку про те, що маркетингова стратегія більшості з них націлена на утримання своєї частки ринку у класі ВЕУ 500-800 кВт з діаметром ротора 39-50 м. Тим не менш, сучасний вітроенергетичний ринок продовжує розвиватися у напрямку ширшого застосування промислових ВЕУ потужністю один і більше МВт.

У більшості випадків компанії використовують моделі своїх турбін малої потужності як основу для конструювання мевагаттних агрегатів. Винятком є німецька компанія "Tacke WindTechnik". Компанія представила нову велику ВЕУ з лопатями з кутом, що змінюється. Конструкція цієї ВЕУ раніше не використовувалася компанією інших моделях. На сьогоднішньому ринку виробників великих ВЕУ лідирують 5 компаній - "Enercon", "Nordtank", "Tacke", "Vestas" та "Bonus". Агрегати, що випускаються ними, мають встановлену потужність від 1,5 МВт і більше (з 2003 року вже до 5 МВт).

У будь-якому випадку встановлення мегаватних машин дає нові можливості. В областях, які вже практично повністю заповнені ВЕУ менших потужностей, природно, важко знайти майданчики для встановлення мегаватних турбін, враховуючи і той фактор, що вони повинні гармоніювати з існуючими ВЕУ. У Данії проводилися дослідження щодо пошуку майданчиків для мегаватних агрегатів на так званих "промислових" територіях. Результати дослідження виявили відповідні майданчики в промислових районах та в гаванях для монтажу близько 200 мегаватних установок, що відповідає 200-300 МВт встановленої потужності. Кількість енергії, виробленої такими машинами, може бути суттєвою. Мегаватна турбіна може щорічно виробляти близько 5 мільйонів кВт·год за середньої швидкості вітру вище 9 м/сек. За таких же вітрових умов турбіна із встановленою потужністю 1,3 МВт може виробляти вже 7 мільйонів кВт·год на рік.

Виробництво енергії

Однією з найважливіших характеристик ВЕУ є її номінальна потужність. Ця величина вказує, скільки кВт·год енергії турбіна виробить при максимальному навантаженні. Так, 500 кВт-ва ВЕУ здійснить 500 кВт·год енергії за годину роботи при швидкості вітру 15 м/сек (максимально необхідна швидкість вітру). Зазвичай 600 кВт машина на рік виробляє близько 500 000 кВт · год при середній швидкості вітру 4,5 м / сек. За швидкості вітру 9 м/сек вона виробить до 2 000 000 кВт·год на рік. Кількість виробленої протягом року енергії може бути розраховано шляхом простого множення встановленої потужності (у разі 600 кВт) на середню річну швидкість вітру.

Необхідно також враховувати коефіцієнт використання встановленої потужності (ККД) для визначення ефективності роботи турбіни протягом року на певному майданчику. ККД - це фактичне річне вироблення електроенергії, розділене на теоретично максимальне вироблення за умови, що машина працювала в режимі максимального навантаження протягом усіх 8760 годин року. Наприклад, якщо 600 кВт-ва турбіна виробляє 2 млн. кВт на рік, розрахунок її ККД виглядає наступним чином: 2 000 000: (365,25 · 24 · 600) = 2 000 000: 5 259 600 = 0,38 = 38 %. Теоретично значення ККД може змінюватись від 0 до 100%, але практично він розташовується в межах від 20 до 70% і найчастіше ККД дорівнює 25-30%.

Дуже важливим фактором, що впливає на продуктивність ВЕУ, є її місцезнаходження. Як описувалося в попередніх розділах, швидкість вітру збільшується з висотою. Тому більшість ВЕУ мають високі вежі. Що турбіна щодо вершин сусідніх перешкод, то менше вони затуляють вітер. Однак, у деяких випадках вплив перешкод може відчуватися на відстані від землі, яка в п'ять разів перевищує їх висоту. Якщо перешкода вища лише на половину висоти ВЕУ, то визначити її вплив важко через складну геометрію взаємодії з вітром. Обмеження за межами міцності деяких матеріалів, що використовуються в конструкції вежі, обмежили висоту більшості веж (приблизно до 30 м). На вітростанціях ВЕУ встановлюються на відстані від 5 до 15 діаметрів ротора. Це необхідно для того, щоб уникнути взаємного впливу турбулентності, що виникає на сусідніх лопатях ВЕУ.

4. Типи вітротурбін

4.1 Великі вітротурбіни, ВЕС

Як ми вже згадували, розвиток ВЕУ почався з використання малих турбін для обмеженого застосування, але в міру збільшення їх розмірів ВЕУ стали менш привабливими для використання в приватному секторі у вигляді індивідуального, "домашнього" джерела електроенергії. Відповідно, практично вся вироблена великими ВЕУ енергія надходить до електромережі. Кількість енергії, виробленої великими турбінами, настільки велике, що може перевищувати потужність місцевих ліній електропередач. Насамперед, це типово для прибережних територій, які мають гарний вітровий потенціал, але найчастіше не мають необхідної енергоструктури.

При цьому виникає необхідність будівництва нових високовольтних ліній, що, природно, пов'язане із додатковими витратами. Оскільки додаткові витрати економічно недоцільні для одиночних установок, з'явилася стала тенденція до групування ВЕУ на певній території та будівництва ВЕС. Енергія, вироблена всіма ВЕУ, розташованими на ВЕС, об'єднується та продається за контрактом комунальним компаніям. Починаючи з першої половини 80-х років, великі ВЕУ почали розроблятися для ВЕС, що будуються у "вітрових ущелинах" Каліфорнії. Великі ВЕУ (зазвичай 400-600 кВт), встановлені однією ВЕС, зазвичай об'єднані і формою власності.

У США ВЕС належать приватним енергетичним компаніям, а не комунальним службам. І хоча спочатку існували проблеми з погано сконструйованими агрегатами та надмірно жадібними продавцями, все ж таки ВЕС стали найбільш ефективним способом виробництва електроенергії за рахунок енергії вітру.

У США станом на кінець 2022 року працювало 72 669 вітротурбін потужністю 138 386 МВт, встановлених у 43 штатах. Цю інформацію зберігає і постійно оновлює база данних вітрових турбін США - U.S. Wind Turbine Database.

Техас виробляє набагато більше, ніж будь-який інший штат, а саме більше 25% всієї електроенергії з вітру в США. Іншими лідерами є штати Айова, Оклахома та Канзас.

4.2 Офшорні ВЕС або ВЕС морського базування

Еволюція офшорних вітрових електростанцій з 1991 до 2021 рр.

Успіх перших офшорних ВЕС, встановлених на мілководді в прибережній зоні, викликав величезний інтерес до використання вітрового потенціалу прибережних зон, особливо після того, як кількість підходящих для вітроенергетики майданчиків на суші зменшилася через повсюдну установку "сухопутних" ВЕУ. У морі вітер дме сильніше, а більшість країн Північної Європи має великі території мілководдя, розташовані недалеко від берегової лінії. Обидва ці фактори мають велике значення для подальшого великомасштабного розвитку офшорної вітроенергетики.

По-перше, збільшення середньої швидкості вітру на 10% може призвести до можливого приросту виробленої енергії на 30%. По-друге, використання континентального шельфу глибиною до 30 м та відстанню від берега до 30 км передбачає значні економічні переваги. В умовах майбутнього технологічного прогресу, наприклад, плавучі ВЕС або високовольтні лінії передач постійного струму зможуть допомогти в освоєнні глибоководних територій Середземномор'я та інших придатних для вітроенергетики ділянок, які розташовані як за межами Європи, так і на віддалених морських територіях. У дослідженні проведеному в рамках європейської програми з енергетики "без атомної енергії" - JOULE потенціал використання офшорної вітроенергетики в країнах Євросоюзу був оцінений величиною, що вдвічі перевищує сучасне споживання енергії.

У 2019 році звіт Програми розвитку офшорної вітрової енергетики ESMAP-IFC Going Global: Expanding Offshore Wind to Emerging Markets визначив 3,1 ТВт технічного потенціалу офшорної вітрової енергетики лише на восьми ринках, що розвиваються: Бразилії, Індії, Марокко, Філіппінах, Південній Африці, Шрі-Ланці, Туреччині та В'єтнамі.

У 90-х роках були зроблені перші перспективні кроки з розвитку офшорних технологій та накопичення досвіду. Було обґрунтовано можливість створення та розвитку офшорної вітроенергетики. Враховуючи існуючу потребу в екологічно чистій енергетиці, поява нової технології була відзначена як значний внесок у вирішення проблеми енергозабезпечення в Європі. Крім того, впровадження офшорних технологій має менше обмежень з точки зору охорони навколишнього середовища, ніж наземних, завдяки наявності величезних територій і більш м'яких вимог до шуму. Загалом перспективи офшорної вітроенергетики оцінені дуже позитивно. Сьогоднішні інвестиції в цю технологію можна розглядати як підготовку до величезного енергетичного ринку завтрашнього дня. Офшорна вітроенергетика є особливо обіцяючою в країнах з високою щільністю населення і, отже, відчутною нестачею відповідних для вітроенергетики майданчиків, розташованих на суші.

Капітальні витрати на будівництво ВЕУ морського базування перевищують витрати на будівництво наземних, однак і виробництво енергії на офшорних ВЕУ суттєво вище. Данські електроенергетичні компанії оголосили про плани будівництва ВЕС сумарною встановленою потужністю до 4000 МВт в офшорних зонах після 2000 року. Очікувалось, що заплановані офшорні ВЕС вироблять 13,5 ТВтгод електроенергії, що відповідає 40% споживання електроенергії в Данії. Чотири офшорні ділянки (площею 135-500 км2 та глибиною 5-15 м) оцінені як відповідні для встановлення ВЕУ за умови вирішення низки питань, пов'язаних, наприклад, з екологією, ландшафтом, рибальством, обороною, зв'язком, транспортом або національними пам'ятниками. Собівартість 1 кВт·год виробленої енергії за умови кредиту на 20 років та 5% знижки оцінюється на рівні 0,05 доларів США.

За даними Міністерства клімату, енергетики та комунальних послуг, Данія планує виставити на тендер до кінця 2023 року 9 ГВт нових офшорних вітрових потужностей, намагаючись збільшити свою офшорну вітрову потужність у п’ять разів до 2030 року.

Навесні 1998 року 5 демонстраційних проектів з будівництва офшорних ВЕС було реалізовано у Данії, Нідерландах та Швеції. Технічні характеристики цих станцій виглядають наступним чином: використовувалися ВЕУ середнього розміру, класу 500 кВт; загальна встановлена потужність ВЕС до 5 МВт; глибина води не більше 10 м; досить близька відстань від берега – від 40 м до 6 км. Вартість виробленої енергії на пілотних ВЕС значно перевищувала показники традиційних ВЕС, встановлених на хорошій ділянці з точки зору вітроенергетики. Проте "План роботи для великих офшорних ВЕС", який існує в Данії, зазначає, що вартість енергії, виробленої на офшорних ВЕС, конкурентоспроможна з вартістю енергії, виробленої на берегових ВЕС, встановлених на середньостатистичних майданчиках. Більше того, вартість енергії, виробленої за рахунок вітру, близька або знаходиться в діапазоні цін на енергію, вироблену за рахунок інших джерел енергії.

Перша у світі офшорна вітростанція знаходиться на північ від острова Лолленд (південна частина Данії). ВЕС Віндебі, побудована 1991 року комунальними службами SEAS неподалік Балтійського узбережжя Данії, складається з одинадцяти ВЕУ потужністю 450 кВт кожна. Вони встановлені на відстані від 1,5 до 3 км на північ від берегової лінії острова Лолленд поблизу населеного пункту Віндебі. ВЕУ були спроектовані так, щоб високовольтні трансформатори знаходилися безпосередньо у вежах, а вхідні двері розташовувалися вище, ніж зазвичай. На станції встановлено також дві анемометричні щогли для вивчення вітрових умов, зокрема турбулентності. Проект було виконано бездоганно. Незважаючи на те, що виробництво електроенергії дещо зменшено через існуючу перешкоду для потоку вітру з боку острова Лолленд, все ж таки воно перевищує на 20% показники аналогічних берегових станцій.

Офшорна вітроенергетична ферма в Данії (Vindeby)

Друга у світі офшорна ВЕС розташована також у Данії, між півостровом Ютландія та маленьким островом Туна. Офшорна ВЕС Туна Кноб в Каттегатському морі, побудована в 1995 році комунальними службами Msdtkraft, розташована в районі, де глибина становить 3-5 м. Ця територія має велику екологічну цінність як район проживання багатьох птахів і як мальовнича частина прибережної ландшафтної зони. Крім того, під час планування ВЕС було виконано ретельне археологічне дослідження ділянки. ВЕС складається з десяти 500 кВт горизонтально-осьових ВЕУ з регульованим нахилом лопатей. Ротор кожної машини має діаметр 39 м, складається з 3 лопатей і є навітряним.

Турбіни встановлені на спеціально розроблених бетонних фундаментах із кесонами. ВЕУ приєднано до центральної енергосистеми Ютландії 6-кілометровим підводним кабелем. Робота кожної турбіни контролюється дистанційно із центру управління, розташованого в Хаслі. Система контролю постійно збирає всі необхідні дані, які передаються системою радіозв'язку від кожного датчика кожної турбіни на комп'ютери в Хаслі. Відповідно до звичайної програми з обслуговування та ремонту ВЕС, проведення регламентних робіт безпосередньо на ВЕС необхідно лише 2 рази на рік.

ВЕУ були спеціально розроблені для роботи у морських умовах. Для заміни основних компонентів, наприклад, таких як генератори, не вдаючись до допомоги плавучих кранів, кожна ВЕУ обладнана підйомним електричним краном. Коробки передач також були модернізовані, що дозволило на 10% збільшити частоту обертання, порівняно з турбінами традиційних ВЕС.

В результаті виробництво електроенергії збільшилося приблизно на 5%. Подібна модернізація здійсненна в умовах морського простору, тому що для ВЕС, яка знаходиться за 3 км від острова Туна і за 6 км від півострова Ютландія, не існує особливих проблем, пов'язаних з поширенням шуму. Результати роботи ВЕС виявилися відмінними: вироблення енергії виявилося вищим за розрахунковий. Так, у листопаді 1995 року ВЕС виробила 1,3 ГВт·год електроенергії, що у 40% перевищило передбачувану величину. Собівартість 1 кВт·год електроенергії оцінюється лише на рівні 0.49 датських крон (близько 0.07 центів США) за річної продуктивності 15 ГВт·год. Витрати на будівництво ВЕС Туна Кноб оцінено у 78 млн данських крон (близько 12 млн євро).

Рівень шуму від роботи офшорної ВЕС на найближчому до станції острові Туна становить 15 децибелів (тихше, ніж людський шепіт), на території Ютландії шуму не чути зовсім.

4.3 Малі вітротурбіни

Малі ВЕУ можуть бути приєднані до центральної енергосистеми або використовуватися автономно, тобто без підключення до спільної мережі. Пов'язані з енергосистемою ВЕУ зменшують споживання комунальними службами електроенергії, необхідної для освітлення, роботи електроприладів та опалення. Якщо ВЕУ виробляє більше електроенергії, ніж необхідно для даного господарства, надлишок може бути проданий у центральну мережу, причому завдяки сучасним технологіям перемикання відбувається автоматично.

Автономні ВЕУ ідеально підходять для будинків, ферм або общинних господарств, що знаходяться на відстані від високовольтних ліній. При дотриманні певних умов може бути використана будь-яка модель вітряка.

Малі ВЕУ, що забезпечують електроенергією домашнє господарство або роботу водяних насосів - найцікавіші приклади використання енергії вітру на віддалених територіях. Подібні вітроустановки становлять особливий інтерес для країн, що розвиваються, де мільйони сільських господарств ще довго не будуть приєднані до єдиної енергомережі, продовжуючи використовувати для освітлення свічки або гасові лампи, а радіо або інші електропобутові прилади працюватимуть лише на батареях. Потужність ВЕУ, що використовуються для приватного господарства, варіюється від кількох Вт до кількох тисяч Вт, і вони можуть використовуватися в економному режимі в залежності від кількості енергії, що споживається.

В областях, де середня річна швидкість вітру понад 5 м/сек, можна використовувати прості ВЕУ із виробленням енергії від 100 до 500 Вт. Цієї кількості електроенергії достатньо для підзарядки акумуляторів та забезпечення електроспоживання приватного будинку. При виборі ВЕУ сім'я зазвичай приділяє велику увагу питанню, пов'язаному з кількістю електроенергії, що виробляється, і кількістю послуг, що отримуються від роботи ВЕУ (освітлення, забезпечення роботи радіо, телевізора та інших побутових приладів). Проте, висока вартість готової вітросистеми, що становить від кількох сотень до тисячі доларів США, була перешкодою для багатьох сімей у країнах, що розвиваються.

Вітер "проти" дизеля та розширення енергомереж

Використання малих ВЕУ часто має низку соціально-економічних переваг перед використанням дизельних генераторів або розширенням існуючої енергосистеми. Вітросистема менше за розміром, вона є єдиним модулем і необхідно менше часу на її встановлення, ніж на роботи з розширення існуючої енергосистеми. У багатьох країнах продовження високовольтної лінії передач на відстань в 1 км коштуватиме дорожче, ніж мала ВЕУ невеликої встановленої потужності. З іншого боку, порівняно з дизельними генераторами первісна вартість ВЕУ вища, але з погляду користувачів вони набагато кращі в роботі.

Деякі агентства з благодійною метою поставляють дизельні генератори до країн третього світу безкоштовно, але витрати, пов'язані з їх експлуатацією (паливо, обслуговування, ремонт, запчастини) лягають на плечі місцевого населення. Природно, що для вирішення цих проблем потрібна тверда валюта, а її відсутність викликає різке обмеження щодо використання генераторів та терміну їхньої служби. Багатьом країнам доводиться імпортувати викопне паливо, і потреба у дизельному паливі збільшує навантаження імпорту. У таких випадках малі ВЕУ можуть бути найкращою альтернативою.

Економічні розрахунки для малих ВЕУ показують їхню конкурентоспроможність, особливо це справедливо для вітротурбін потужністю понад 250 Вт. На території, де середня швидкість вітру перевищує 4 м/сек, встановлення ВЕУ для щоденного вироблення електроенергії до 1 кВт·год буде дешевшим, ніж використання дизельного генератора, розширення енергомережі або встановлення фотоелектричних систем. Подібні вітрові показники характерні для більшості країн, що розвиваються. При необхідності вищого щоденного вироблення енергії "економіка" вітроенергетики стає ще кращою. Наприклад, ВЕУ потужністю 10 кВт вже за швидкості вітру 3-3,2 м/сек стає рентабельною. Територій, де швидкість вітру менше 3 м/сек, не так вже й багато.

На території Монголії, наприклад, діють 50 тисяч малих ВЕУ. Подібний успіх став можливим завдяки сприятливим кліматичним умовам та послідовній маркетинговій політиці. Мінімальна щомісячна швидкість вітру понад 5 м/сек, що існує протягом року на великих степових територіях, є запорукою безперебійного забезпечення кочівників електроенергією. Використання електричного освітлення, радіо та телемовлення є нечисленними сучасними зручностями, які доступні людям, які проживають у цих віддалених місцях. Декілька приватних компаній, конкуруючи одна з одною, розробили дешеві та доступні моделі ВЕУ. Місцева влада субсидує до 50% вартості обладнання.

Компоненти малих ВЕУ

Вітросистеми, які застосовуються у віддаленій чи сільській місцевості, по суті мають ті ж компоненти, що і ФЕБ. Більшість моделей подібних до ВЕУ розроблено для заряджання акумуляторів, тому вони забезпечені регулятором для запобігання перевантаженню. Регулятор спеціально розробляється під кожну ВЕУ. Регулятори, які працюють із ФЕБ, не підходять для ВЕУ, оскільки вони не призначені для роботи з напругою змінного струму, що характерно для ВЕУ.

Малі ВЕУ зазвичай складаються з лопатей, генератора змінного струму, регулятора та електронної системи контролю. Лопаті зазвичай виробляють із вуглецевого композитного волокна, яке "скручується", коли турбіна виходить на режим номінальної потужності. Завдяки цьому ефекту "скручування" волокна змінюється форма лопаті, що у свою чергу діє як гальмо для лопаті, зупиняючи її. Це пом'якшує роботу генератора змінного струму, запобігаючи пошкодженням, які можуть бути через сильний вітер.

Деякі моделі малих ВЕУ не мають гальм, і під час сильного вітру вони можуть змінювати орієнтацію щодо вітру.

Генератор змінного струму розроблений таким чином, щоб максимально використовувати енергію вітру. Він має постійні магніти і зазвичай не має щіток, що підвищує його ефективність і подовжує термін дії без спеціального обслуговування.

Електронна система контролю підтримує потрібне навантаження на генераторі змінного струму, запобігаючи таким чином перевищенню швидкості, незалежно від стану батареї. Під час заряджання батареї регулятор періодично перевіряє лінію, стежачи за втратами напруги і контролюючи стан батареї. У момент, коли батарея повністю зарядилася, регулятор "відключає" заряд, щоб батарея не перезарядилася, одночасно підтримуючи навантаження на генераторі змінного струму для запобігання прискоренню.

5. Використання малих ВЕУ

Як уже було сказано раніше, вітроенергетика є економічно вигідною альтернативою дизельним генераторам для мешканців віддалених областей. Зокрема, малі ВЕУ переважно використовуються сільськими жителями для таких цілей:

• підйом води та отримання стисненого повітря;
• Виробництво електроенергії (таким чином, сприяючи розвитку сучасних технологій, що працюють на електриці);
• здійснення механічного приводу.

Підйом води

Енергія вітру завжди широко використовувалася людством для підйому води. В даний час понад 100 000 водяних насосів, що працюють за рахунок енергії вітру, встановлено у світі. Більшість із них розташовані у сільських неелектрифікованих районах. Вони використовуються фермерами насамперед для забезпечення питною водою, а також водою, необхідною для господарських потреб. Водяні насоси, що працюють за рахунок вітру, широко використовуються жителями країн, що розвиваються, у яких інтерес до цієї технології дуже високий через важливість забезпечення водою сільськогосподарських районів, а також завдяки простоті в обслуговуванні. В окремих випадках можна припустити, що ВЕУ може забезпечувати всі 100% необхідної електроенергії. Як правило, ВЕУ застосовуються в комбінації з іншими джерелами енергії, що є в кожному окремому випадку.

Це означає, що для забезпечення водою як питною, так і господарською для іригаційних або дренажних робіт необхідно встановити відповідну комбінацію різних насосних систем, а також систему зберігання води. За потреби щоденного підйому води в кількості до 10 м3 системи ручних (або ножних) насосів, лебідок, а іноді й насоси, що працюють за рахунок енергії Сонця, є чудовим доповненням для насоса, що працює за рахунок енергії вітру. Але, якщо щоденна потреба у воді збільшується, дизельні або електричні насоси стають більш конкурентоспроможними.

Питання вибору правильної комбінації насосних систем з погляду економіки та місцевих умов залежить від різноманітності фізичних, соціально-економічних та соціально-культурних умов, характерних для даної місцевості. Всі ці умови, які ми не детально обговорюватимемо у зв'язку з обмеженістю нашого курсу, мають велике значення при плануванні водопостачання сільських районів. Причини невдало проведених проектів із впровадження водяних насосів, що працюють за рахунок енергії вітру, полягають у недотриманні однієї чи більшої кількості цих умов чи передумов.

Так, наприклад, комбінація вітрового та ручного насосів може бути правильним рішенням для постачання води населенню за умови, що в цьому районі вітровий потенціал протягом року достатній для роботи вітряка. Якщо необхідна невелика іригаційна система, то невеликий пересувний дизельний насос, яким можуть користуватися кілька фермерів, є найзручнішим доповненням до вітряка.

Ще один фактор, що впливає на широкомасштабне впровадження вітрових насосних установок – це фінансова та технічна можливість потенційних споживачів, як, втім, і наявність маркетингових та сервісних служб на конкретному ринку.

Зараз на ринку існує кілька виробників вітрових насосних установок. Ці системи призначені для підйому води за швидкості вітру 2-4 м/сек зі свердловин глибиною до 1000 метрів. Типова вітрова насосна установка, що має 3-метровий ротор, може підняти до 2000 літрів води за годину з глибини до 10 м за швидкості вітру, що дорівнює 3 м/сек. Вітряк з 7-метровим ротором може "підняти" до 8000 літрів води на годину за тих самих умов. Подібні агрегати можна використовувати для іригації під час робіт із відновлення ґрунту або для водопостачання віддалених районів. Вітряки легко встановлюються та прості в обслуговуванні.

Іригація

Використання енергії вітру для іригаційних цілей видається проблематичним, оскільки потреба у воді та наявність необхідних вітрових умов піддаються сильним змінам протягом року. Хороший і найголовніше постійний вітровий потенціал необхідний для того, щоб використання вітряків в іригаційних роботах було доцільним. Загалом середня річна швидкість вітру, що дорівнює 4 м/сек, є необхідною передумовою для того, щоб використання вітрової насосної установки в іригаційних роботах було рентабельним.

Типовий проект з використання вітрової насосної установки для іригації було реалізовано в Індонезії. Сезон дощів у цьому регіоні короткий, і традиційно фермери збирають один урожай рису на рік. Під час сухого сезону, який триває близько 75% часу, рисові плантації використовуються як пасовища для великої рогатої худоби. Багато території мають значні ресурси ґрунтових вод, які можна використовувати для штучного зрошення. Найчастіше для підйому води використовуються невеликі гасові насоси потужністю 5 кінських сил. Ці насоси є недорогими, а витрати на паливо частково субсидуються урядом.

Проте термін їхньої служби складає всього кілька років і працюють вони з малою ефективністю, тому загальні витрати за весь період їхньої роботи дуже високі. Початкова вартість малих ВЕУ вища, але загальні витрати з експлуатації протягом усього терміну служби досить низькі. Проект в Оесао, де ґрунтові води знаходяться на глибині всього 2-5 м, заснований на застосуванні ВЕУ, що приводить у рух відцентровий насос, встановлений на поверхні землі. Насос працює від змінного струму, а його швидкість змінюється відповідно до зміни швидкості ротора вітряної турбіни. Максимальне навантаження – 3 л/сек. Система не потребує палива та регулярного обслуговування. Гасовий насос використовується у вигляді запасного. Система в Оесао була встановлена у 1992 році у вигляді експериментального демонстраційного проекту. З того часу в Індонезії було встановлено ще 15 таких систем. У країні планується встановлення великої кількості малих ВЕУ для іригаційних робіт.

Телекомунікації

Вітер є чудовим джерелом енергії для телекомунікаційних об'єктів, оскільки висота та розташування майданчиків, що підходять для встановлення антен, також підходять і для вітроустановок. Але ВЕУ, які використовуються в подібних місцях, мають бути особливо міцними через суворі кліматичні умови в горах.

Заряджання акумуляторів

Дуже зручно використовувати малі вітротурбіни для заряджання акумуляторів та їх використання для освітлення та роботи побутової техніки. Зберігання виробленої за допомогою вітру електроенергії в акумуляторах дає можливість домовласнику використовувати цю енергію тоді, коли це необхідно. Багато моделей малих ВЕУ дають напругу від 14 до 28 В. Деякі моделі виробляють вищу напругу. Напруга 12-24 В може використовуватися безпосередньо для приладів постійного струму або інвертуватися в 220 В змінного струму. Для живлення стандартних побутових приладів краще спочатку зарядити акумулятор, щоб уникнути навантаження на ВЕУ, оскільки при низькій швидкості вітру може зупинитися ротор.

Збереження тепла

Якщо існує потреба у гарячій воді, то її можна нагріти за допомогою спеціального нагрівача, що працює на електроенергії, виробленої за рахунок енергії вітру. Нагрівач забезпечує стандартний резервуар гарячою водою. Зберігати електроенергію в акумуляторі дорожче ніж отримати гарячу воду. Найпростіша система для нагрівання води включає термостат, що запобігає закипанню води. Нагрівач повинен відповідати параметрам ВЕУ: якщо використовується 1 кВт енергії, то нагрівач також має бути потужністю 1 кВт.

Комбіновані системи "вітер-сонце"

Вітер і сонце можуть відмінно доповнювати один одного: взимку, коли часто дме вітер, комбіновані системи "вітер-сонце" можуть, наприклад, опалювати приміщення, а влітку, коли надлишок сонячної енергії - нагрівати воду. Подібні гібридні системи є особливо привабливими для автономного електропостачання. Ці системи є самозабезпечуючими станціями, не приєднаними до єдиної енергосистеми.

Продуктивність фотоелектричної батареї досить висока влітку та відносно низька взимку. Це означає, що для річного енергозабезпечення робота автономної ФЕБ характеризуватиметься перевиробництвом влітку, до того ж необхідно організувати зберігання виробленої енергії. Однак обидва ці рішення є дуже дорогими. У свою чергу, забезпечення електроенергією, виробленої за рахунок енергії вітру, у літній час є проблематичним через часті безвітряні дні. Тому переваги гібридної системи "вітер-сонце" стають очевидним.

На суттєве питання про відсоткове співвідношення між характеристиками потужностей ВЕУ та ФЕБ у комбінованій системі має відповісти розробник даного об'єкта. Природно, що при виборі багато залежить від необхідного річного обсягу електроенергії та існуючих місцевих кліматичних умов.

6. Вплив вітроенергетики на екологію

У багатьох країнах світу, особливо в тих, де існує нестача електроенергії, люди радо вітають будівництво ВЕУ. Однак там, де є альтернативний вибір, використання того чи іншого джерела енергії пов'язане з його впливом на екологію. Необхідно відзначити, що вплив на екологію того чи іншого джерела енергії може бути оцінено як позитивно, що природно дає перевагу даному джерелу енергії, так і негативно. У цьому розділі ми наведемо основні "екологічні" аргументи, які найчастіше зустрічаються у опонентів вітроенергетики.

Акустика

Шум в основному виробляють лопаті, що обертаються, і працюючі механічні частини ВЕУ, в першу чергу коробки передач. Через те, що шум, по суті, є ознакою неефективності, а також через багато скарг, виробники вітротурбін приділили цьому питанню першорядне значення. В результаті - за останні п'ять років їм вдалося значно знизити рівень шуму, який виробляє працюючі ВЕУ. Критичним вважається рівень шуму в 40 децибел, але якщо розглядати шум як перешкоду для сну, то, природно, цей рівень має бути нижчим. Допустимий рівень зазвичай досягається на відстані близько 250 м від встановленої ВЕУ. Проте питання ставлення до шуму є і суто психологічним; власник машини, можливо, сприймає шум, що виробляється працюючим агрегатом як ознака процвітання, тоді як його сусіди можуть бути роздратовані вторгненням у "їх простір".

Схема вибору розташування вітроустановки відносно житлових приміщень для запобігання впливу надмірного рівня шуму на мешканців

Використання землі

ВЕУ повинні бути відокремлені один від одного, щонайменше, відстанню, що дорівнює висоті п'яти - десяти веж. Ця відстань дозволяє потоку вітру відновлюватися, а турбулентність, створена роботою ротора однієї ВЕУ, не впливає на роботу сусідньої ВЕУ, що знаходиться в підвітряному боці. Відповідно, виходить, що лише 1% землі, зайнятої під ВЕС, реально використовують під установку веж і під під'їзні шляхи. Чим вища і потужніша ВЕУ, тим більша відстань необхідна між сусідніми ВЕУ. Мегаватні машини мають бути розділені відстанню півтора кілометра. Територія між ВЕУ не може використовуватись ні під будівництво будівель, ні під лісівництво.

Візуальний вплив

На рівнинній місцевості ВЕУ завжди видно з дальньої відстані. Необхідність у великій відстані між ВЕУ означає, що вітряки потенційно можуть бути видно з відстані у десятки кілометрів. Однак на таких відстанях для більшості людей вид на ВЕС буде "закритий" різними будівлями, деревами, пагорбами. Найчастіше на ВЕУ звертають увагу люди, що проходять або проїжджають повз, і льотчики. Для останніх існує небезпека зіткнень із ВЕУ під час низького польоту. Візуальна дія офшорних ВЕС повною мірою поки що не визначена.

Зіткнення з птахами

Птахи часто стикаються з високовольтними лініями передач, щоглами, антенами, вікнами будівель. Вони також гинуть через зіткнення з автомобілями, що проїжджають. ВЕУ рідко шкодять птахам. Спостереження, проведені в Т'яєреборг (західна частина Данії), де встановлена турбіна потужністю 2 МВт, що має ротор діаметром 60 м, показали, що птахи змінювали маршрут свого польоту (незалежно від часу доби) на відстані 100-200 м до встановленої ВЕУ, пролітаючи над нею на безпечній відстані. У Данії є кілька видів птахів (зокрема соколи), які полюбили гніздитися на вежах ВЕУ. Єдина територія, сумнозвісна через проблеми з птахами, знаходиться в районі каньйонів у штаті Каліфорнія (Альтамонт Пасс). "Стіна вітру", утворена турбінами, встановленими на вежах ґратчастого типу, буквально перекрила вихід із каньйону. І як результат – було зафіксовано кілька випадків загибелі птахів через зіткнення з ВЕУ.

У звіті Міністерства екології Данії наголошується, що лінії електропередач, у тому числі і від ВЕС, є більшою небезпекою для життя птахів, ніж безпосередньо самі ВЕУ. Деякі види птахів звикають до ВЕУ швидко, іншим потрібно більш тривалий термін. Тому вирішення питання будівництва ВЕС поблизу місць проживання птахів залежить від видів птахів, поширених у цій місцевості. При розробці місця під будівництво ВЕС зазвичай також враховуються маршрути міграції птахів. Офшорні ВЕС мало впливають на середовище проживання водоплавних птахів. Такий висновок було зроблено в результаті трирічного дослідження, проведеного на Данській офшорній ВЕС Туна Кноб.

Було проведено кілька незалежних досліджень, пов'язаних із загибеллю птахів від обертових лопатей турбіни. На жаль, подібне трапляється, але значно рідше, ніж загибель птахів через зіткнення з автомобілями, вікнами будівель або високовольтними лініями електропередач. Аргументом на захист ВЕС, також перевіреним експертами, є той факт, що земля навколо ВЕУ надає чудові умови для розмноження птахів.

Електромагнітні перешкоди

Провідники електричного струму можуть створювати перешкоди в роботі телевізійних, радіо та радарних установок. Металеві частини лопатей, що обертаються, можуть надавати хвильовий вплив на сигнали. Встановити ретранслятори для телевізійних та радіосигналів нескладно, проте це не дуже дешево. Перешкоди, що виникають на радарних установках, поки що значною мірою ще не доведені, але вони більшою мірою ставляться до сфери військових інтересів. Тим не менш, ВЕУ стали сучасною реалією сьогоднішнього дня, і військовим у всьому світі також треба з цим зважати. Існує багато ВЕС, розташованих поблизу аеродромів, і жодних суттєвих проблем не виникає.

7. Рекомендації щодо використання енергії вітру

Оскільки ВЕУ мають конкурувати з іншими виробниками енергії, то важливо, щоб їхня вартість була конкурентоспроможною. ВЕУ повинні відповідати будь-яким вимогам щодо навантаження та виробляти енергію з мінімальними фінансовими витратами. Коли Ви вирішили, що настав час придбати та встановити ВЕУ, насамперед необхідно визначити кількість необхідної Вам енергії та середню швидкість вітру на висоті ротора. Іноді здається, що регіон має достатній вітровий потенціал, принаймні у певний час. Але чи можна бути впевненим, що генератор працюватиме в оптимальному режимі відповідно до швидкості вітру? Найбільш просте рішення наступне: необхідно фіксувати швидкість вітру на обраній Вами ділянці протягом щонайменше одного року, а потім порівняти отримані результати з архівними даними метеостанції, зареєстрованими в цьому регіоні протягом кількох років.

Інший варіант: укласти контракт із консалтинговою компанією, яка підготує техніко-економічне обґрунтування будівництва ВЕУ на даній ділянці. Ви отримаєте інформацію про середню щорічну швидкість вітру та максимальну кількість енергії, яку ВЕУ зможе виробити в даних умовах. Природно, що вибір способу залежить від обсягу капіталовкладень, які Ви можете або хочете собі дозволити під будівництво ВЕУ. У випадку з малими ВЕУ, придбання та встановлення яких вимагає відносно невеликих витрат, нелогічно витрачати на дослідження території велику суму, ніж вартість самої вітроустановки.

Без детального попереднього дослідження ділянки, що планується під ВЕУ, і без реальних даних про середню швидкість вітру неможливо вибрати відповідну ВЕУ. На відміну від ФЕБ та малих ГЕС, правильний вибір яких найчастіше здійснює сам споживач, при виборі ВЕУ необхідна участь спеціаліста у галузі вітроенергетики. У цьому розділі ми наведемо деякі керівні принципи для визначення розміру малої ВЕУ та вибору ділянки для її встановлення.

Вибір ділянки

Холми або гірські хребти, що знаходяться на відкритому ландшафті, зазвичай вважаються чудовим місцем для ВЕУ. Зокрема, ВЕУ, встановлена на великій ділянці, відкритій для переважного напряму вітру, завжди матиме переваги. На пагорбах швидкість вітру вища порівняно з навколишньою рівнинною територією. Необхідно пам'ятати, що вітер може змінювати свій напрямок перш, ніж досягне пагорба, оскільки область високого тиску фактично розширюється на деякій відстані перед пагорбом. Крім того, пройшовши через ротор турбіни вітровий потік стає безладним. Також необхідно пам'ятати, що турбулентність, значення якої різко збільшується у разі крутого пагорба або його нерівної поверхні, може звести нанівець переваги вищої швидкості вітру.

Відстань між перешкодою та ВЕУ

Відстань між перешкодою та ВЕУ дуже значуща через ефект "покриття". Взагалі, дія цього ефекту зменшується в міру віддалення від перешкоди, подібно до того, як розчиняється високо в небі хвіст диму над димовою трубою. На території з дуже слабким ступенем нерівності, наприклад водна поверхня, вплив перешкоди, наприклад острова, може бути відчутним на відстані до 20 км. Якщо турбіна знаходиться на відстані меншій, ніж п'ятикратна висота перешкоди, результати впливу менш передбачувані, оскільки вони залежать від форми перешкоди.

Нерівність

Нерівність ландшафту, розташованого між ВЕУ та перешкодою, має істотне значення, оскільки вона впливає на ступінь ефекту "покриття". Більш рівнинна територія дозволяє вітровому потоку, що проходить поза перешкодою, легше змішуватися з турбулентним потоком, що утворюється позаду перешкоди, що значно послаблює дію і значущість повітряних перешкод. Практика довела необхідність оцінювати кожну конкретну перешкоду щодо вітротурбіни в переважних напрямках вітрового потоку на відстані ближче ніж 1000 м. Інші наявні перешкоди оцінюються відповідно до класів нерівності поверхні.

Висота перешкоди

Чим вища перешкода, тим більшими будуть повітряні перешкоди, які називають "повітряним аеродинамічним мішком". Якщо турбіна знаходиться на відстані від перешкоди ближче, ніж його п'ятикратна висота, або перешкода вища, ніж половина висоти установки осі ротора, результати будуть менш точними, оскільки вони залежатимуть від геометрії перешкоди. У такому разі, у результатах обстеження місцевості вітрових умов буде відповідний коментар, який попереджає про неточність.

Ефект сліду від турбіни

Оскільки турбіна виробляє електроенергію з енергії вітру, то енергія вітрового потоку, що "пройшов через турбіну" буде менше енергії вітрового потоку перед турбіною. Це випливає з факту, що енергія не може бути створена з нічого або безслідно поглинена. У підвітряному від ВЕУ напрямку завжди буде утворюватися повітряний мішок. Фактично, позаду турбіни завжди буде турбулентний слід, тобто довгий хвіст вітрового потоку, який є дуже безладним і сповільненим у порівнянні з вітром. На ВЕС вітротурбіни стоять один від одного на відстані, що дорівнює, принаймні, потрійній довжині діаметра ротора, щоб уникнути впливу занадто великої турбулентності навколо ВЕУ, розташованих у підвітряному напрямку. У переважних напрямках вітру турбіни встановлюються зазвичай ще відокремлено.

Турбулентність

Турбулентність зменшує можливість ефективного використання енергії вітру. Вона також є причиною прискореного зношування машини. Башти для турбін зазвичай роблять досить високими, щоб уникнути турбулентності, що утворюється над поверхнею землі.

Середня швидкість вітру

Як уже зазначалося вище, щоб правильно вибрати майданчик та розмір ВЕУ, необхідно мати інформацію про середню швидкість вітру на даній ділянці. Середня швидкість вітру протягом року використовується для характеристики загального вітрового потенціалу місцевості. Дані за більш короткими проміжками часу (щомісячні, годинні) використовуються в точніших дослідженнях, коли відношення між періодом наявності вітру та потребою в електроенергії особливо важливе. Тимчасові зміни швидкості вітру на конкретній ділянці описуються відносною ймовірністю того, що швидкість вітру в будь-який момент може бути більшою або меншою за середню. Типовий розподіл швидкості вітру (часто званий розподілом Релея, іноді - розподілом Вейбулла) зазвичай означає, що існує мала ймовірність повної відсутності вітру; найчастіше спостережувана швидкість вітру становить 75% від середньої; швидкість вітру, що вдвічі перевищує середню, зустрічається рідко.

Вимірювання швидкості вітру

Не можна оцінювати енергію вітру, не провівши ретельного виміру його швидкості, характерної для даної місцевості. Найчастіше 4 місяці - мінімальний період спостережень, хоча період в 1 рік - кращий. Якщо Ви плануєте інвестувати велику суму у ВЕУ, додаткові 8 місяців спостережень можуть визначити різницю між поганим і хорошим капіталовкладенням.

Вимірювання швидкості вітру зазвичай проводиться за допомогою чашкового анемометра, що представляє собою три чашки, укріплені на вертикальній осі. Кількість обертів за хвилину реєструється за допомогою електронних пристроїв. Зазвичай анемометр оснащений флюгером визначення напряму вітру. Також є ультразвукові та лазерні анемометри, які визначають зміну фази звукової хвилі або когерентного світла, відбитого від молекул повітря. Спіральні анемометри вимірюють швидкість вітру через різницю температур за допомогою спіралей, поміщених у вітровий потік і повітряний мішок з підвітряного боку. Перевага немеханічних анемометрів полягає в тому, що вони менш схильні до зледеніння. Однак повсюдне застосування отримали саме чашкові анемометри. В арктичних областях використовують спеціальні моделі з валами і чашками, що електрично підігріваються.

Визначення точної середньорічної швидкості вітру - завдання не з легких і, до того ж, цей процес є досить дорогим. Зрештою, ці дослідження можуть бути непотрібними. Для встановлення малих ВЕУ необхідно лише отримати деякі дані щодо середньорічної швидкості вітру на цій місцевості. Для цього достатньо провести спостереження за деякими фізичними явищами, характерними для обраної ділянки. Можна почати з візуальних спостережень, хоча це навряд чи можна назвати науковим підходом. Потім має сенс перевірити дані, які є у служб аеропортів та місцевих метеостанцій. Ці дані можуть бути основою оцінки вітрових умов місцевості.

Дані про вітри, які реєструються метеорологами та службами аеропортів для складання прогнозів погоди, часто використовуються для отримання загального уявлення про вітрові умови даної місцевості, необхідні для вітроенергетики. Точне вимірювання швидкості вітру не таке важливе для складання прогнозів погоди, як для планування вітроенергетичних об'єктів. На швидкість вітру впливають такі фактори: нерівність поверхні ділянки, перешкоди, що знаходяться поблизу (дерева, маяки, різні будівлі), а також контури місцевого ландшафту. Без коригування розрахунків та обліку місцевих особливостей, за яких були проведені метеорологічні вимірювання, важко правильно визначити вітровий потенціал ділянки.

Причиною не зовсім коректних даних є насамперед те, що метеорологи вимірюють швидкість вітру на невеликій висоті. Вони не вимірюють на висоті 20-30 метрів, де зазвичай знаходиться ротор ВЕУ. Дані, які реєструються в аеропортах, також не надто придатні для вітроенергетики. Зазвичай аеропорти знаходяться на більш менш захищених від вітру територіях, щоб знизити ризик зльоту і посадки під час сильного вітру. "Сирі" дані, отримані від метеостанцій або аеропортових служб, необхідно екстраполювати для місцевих умов, використовуючи концепцію, відому як "фактор зсуву". Ґрунтуючись на отриманих даних та враховуючи топографічні відмінності чи відповідності між ділянкою для ВЕУ та найближчою метеостанцією чи аеропортом, можна теоретично оцінити середню швидкість вітру на потрібній висоті у потрібному місці.

Дуже простий анемометр можна зробити самому. Для цього Вам знадобиться 5 паперових чашок, дві пластикові соломинки для води, ножиці, гострий олівець з гумкою на кінці, дірокол, маленький степлер.

Візьміть 4 чашки. Діроколом пробийте в кожній чашці отвори приблизно на півтора сантиметри нижче краю чашки. Візьміть п'яту чашку. Пробийте в ній 4 отвори на однаковій відстані один від одного на висоті близько 8 мм нижче краю чашки. Потім пробийте отвір у центрі дна чашки. Візьміть чашку №1 із чашок з одним отвором і вставте соломинку в отвір. Зігніть кінець соломинки та прикріпіть його степлером до сторони чашки поперек отвору. Повторіть цю процедуру з чашкою №2 та другою соломинкою. Тепер, простягаючи соломинку через два протилежні отвори, прикріпіть степлером чашку №1 з одним отвором до чашки з чотирма отворами. Кінець соломинки просмикніть через отвір чашки №3 з одним отвором, прикріпивши таким чином і її до центральної чашки з чотирма отворами.

Так само прикріпіть чашки № 2 і №4 до центральної чашки з чотирма отворами. Чашки потрібно кріпити таким чином, щоб їх отвори були орієнтовані в одному напрямку (за годинниковою стрілкою або проти центральної чашки). Просуньте пряму шпильку через дві соломинки в місці їх перетину. Крізь отвір в основі центральної чашки протягніть кінець олівця з гумкою. Якомога міцніше застромте шпильку в гумку олівця. Ваш анемометр готовий до використання. Він обертатиметься зі швидкістю вітру. Подібний пристрій допоможе Вам точно визначити швидкість вітру. Для цього потрібно підрахувати кількість обертів за хвилину. Потім обчислити довжину кола, по якому обертаються чашки. Помноживши кількість обертів за хвилину на довжину кола, Ви отримаєте швидкість вітру за хвилину. Анемометр є взірцем вітрового приладу з вертикальною віссю обертання. Його не потрібно спрямовувати на вітер, щоб він обертався.

Визначення напряму вітру

Визначити вітровий потенціал місцевості можна ще одним способом: за допомогою спостереження за рослинністю на цій місцевості. Дерева, особливо хвойні та вічнозелені, часто схильні до впливу вітру: сильний вітер може спотворити форму крони дерева. За такою деформацією можна визначити напрямок вітру. Особливо це явище типово для високих дерев, що самотньо стоять. З навітряного боку дерева його гілки будуть рідкими та хирлявими, з підвітряного - довгими та горизонтальними. Огляньте місцевість, звернувши особливу увагу на дерева, що стоять окремо, і на дерева, що ростуть на краю лісових масивів (дерева в лісі захищають один одного від сильного вітру). Хоча деформація дерев є підтвердженням наявності вітрового потенціалу на цій місцевості, її відсутність не є доказом відсутності вітру із необхідною середньорічною швидкістю. Інші фактори, про які невідомо спостерігачеві, можуть впливати на "взаємодіяю вітру та дерев".

Для грубої оцінки середньої швидкості вітру можна використовувати індекси деформації Григгса-Патмана (Griggs-Putman)

Зміни швидкості вітру

Окрім середньої швидкості вітру існує ще ряд параметрів, необхідних для визначення вітрового потенціалу. До цих параметрів відносяться: максимальна швидкість вітру, кількість послідовних днів (годин), коли швидкість вітру перевищує 5 м/с; тривалість періодів безвітря чи постійного вітру. Швидкість вітру завжди змінюється, отже, змінюється його енергія. Величина змін залежить від погоди, і від рельєфу місцевості, і від наявності перешкод. Продуктивність вітротурбіни змінюватиметься зі зміною швидкості вітру, хоча швидкі зміни вітру компенсуватимуться інертністю ротора турбіни.

Усі необхідні вимірювання не можна, звичайно ж, провести за допомогою садового анемометра. Анемометр, який реєструє всі перераховані вище дані, коштує недешево. Подібні анемометри є, по суті, більшими за комп'ютери, ніж просто датчики, їх вартість варіюється від 2000 до 4000 доларів США.

Вибір малої ВЕУ

Правильно вибрати малу ВЕУ необхідної потужності може людина, знайома з різними типами ВЕУ. Мало того, що ВЕУ має бути добре виготовлена, необхідно, щоб вона відповідала вітровим умовам даної ділянки та виробляла необхідну кількість електроенергії. Сучасні вітротурбіни зазвичай виробляють струм низької напруги, і тільки великі ВЕУ дають 50(60) Гц, 120/240 В змінного струму.

Порівнюючи різні моделі вітротурбін, не можна при виборі керуватися лише номінальною потужністю. Оцінюючи потужність ВЕУ, виробники можуть ґрунтуватися на різних швидкостях вітру. Якщо швидкості вітру, необхідні для ефективної роботи двох різних турбін, відрізняються, то вибір, зроблений у результаті порівняння цих двох виробів, може бути помилковим. Виробники ВЕУ повинні інформувати про річне вироблення електроенергії при різних середньорічних швидкостях вітру. Ця інформація дозволить точніше визначити модель необхідної вітротурбіни. Однак, ці цифри не допоможуть визначити реальну продуктивність ВЕУ на конкретній ділянці.

Вежа (опора)

Потужність вітру пропорційна кубу його швидкості (крім інших факторів). Тому найлегший спосіб збільшити енергію вітру, доступну для генератора - це збільшити швидкість вітру. Цієї мети можна досягти, встановивши вищу вежу, або перемістивши ВЕУ на більш вітряну ділянку.

Слід зазначити, що у відсотковому співвідношенні швидкість вітру збільшується з висотою набагато швидше над місцевістю, захаращеною деревами та будинками, ніж над відкритою рівнинною територією. За винятком таких районів, як озера чи пустелі, швидкість вітру значно зростає з висотою. Наприклад, швидкість вітру на висоті 30 і 10 м може відрізнятися на 100%. Отже, два вітрогенератори, встановлені на висоті 10 м, будуть виробляти стільки ж електроенергії, скільки один, встановлений на висоті 30 м.

До того ж встановити одну ВЕУ з висотою вежі, що дорівнює 30 м, набагато дешевше, ніж встановити дві ВЕУ з нижчими вежами. Золоте правило: вітрогенератор повинен височіти над навколишніми перешкодами, що знаходяться в радіусі 100 м, мінімум на 10 м. Вважається, що 15 м - це мінімальна висота установки, але в принципі чим вона більша, тим краще. Великі вітротурбіни зазвичай встановлюються на вищих вежах, ніж малі. Наприклад, ВЕУ встановленою потужністю 250 Вт має вежу висотою 15-20 м, у той час як для 10 кВт турбіни необхідна вежа висотою 20-30 м. Для ефективної роботи вітротурбіни вежа повинна бути стійкою. Турбулентність, яка вища біля поверхні землі і зменшується з висотою, знижує продуктивність ВЕУ.

Для малих вітротурбін найменш дорогими є опори ґратчастого типу з відтяжками. Такі опори зазвичай використовуються для аматорських радіоантен. Невисокі вежі з відтяжками іноді сконструйовані із трубчастих секцій чи труб. Для стійких веж, решітчастих чи які з трубчастих секцій, потрібна менша площа, та й зовні вони привабливіші. Однак такі вежі коштують набагато дорожче. Під малі вітротурбіни можна використовувати телефонні стовпи. Завдяки тому, що опори, особливо з відтяжками, можуть бути прикріплені до основи на петлях, їх можна піднімати або опускати лебідкою або транспортним засобом. Це дозволяє проводити всі сервісні роботи на землі.

Деякі типи опор та вітротурбін легко можуть бути встановлені безпосередньо самим покупцем, для монтажу інших краще звернутися до фахівців. Для вежі будь-якого типу, на яку надалі будуть підніматися, настійно рекомендується використовувати пристрій, що оберігає від падіння, що складається з троса з бігунком, що фіксується. Потрібно уникати алюмінієвих веж, оскільки вони схильні до руйнування конструкції. Зазвичай виробники турбін пропонують такі вежі. Придбання опори та вітротурбіни одного виробника є гарантією їхньої повної відповідності. Під час монтажу ВЕУ переконайтеся, що вежа (опора) міцна та надійно встановлена. Недбале встановлення вежі може призвести до падіння системи. Слід мати на увазі, що вежі з відтяжками дешевші та безпечніші.

Вибір регулятора

Як правило, виробники вітротурбін випускають і регулятори для кожної певної моделі, при цьому регулятори поставляються разом із ВЕУ. Отже, покупцю вітротурбіни немає необхідності вибирати для неї регулятор. Регулятор контролює напругу в системі та за необхідності змінює продуктивність ВЕУ. У сучасних ВЕУ використовуються тільки регулятори типу шунтуючого, так як зняття навантаження викликає розкрутку турбіни, що може призвести до її пошкодження.

Вибір акумулятора

Вибір акумулятора для ВЕУ залежить від тривалості періоду безвітря. Через те, що іноді дуже важко заздалегідь визначити кількість послідовних безвітряних днів, акумулятор ВЕУ повинен бути розрахований на більше днів, ніж акумулятор для ФЕБ. Мінімальною має бути батарея, яка може підтримати роботу ВЕУ протягом 7 днів. Якщо це можливо фінансово, варто збільшити об'єм акумулятора до 14 днів. Завдяки потужнішому акумулятору ВЕУ працюватиме більш ефективно та менше залежатиме від погодних умов.

8. Питання для засвоєння пройденого матеріалу

1. Які приклади використання енергії вітру у минулому Ви знаєте?
2. Які урядові рішення сприяли успішному розвитку вітроенергетики у Данії?
3. Які рішення вплинули на розвиток вітроенергетики в Німеччині?
4. У якій країні найбільша встановлена потужність ВЕС?
5. Чому дорівнює зараз середня ціна електроенергії, виробленої на ВЕС у розвинених країнах?
6. У разі, якщо вітроенергетика забезпечуватиме 10% світового виробництва енергії (2020), скільки нових робочих місць зможе забезпечити вітроенергетична промисловість?
7. Чому вітротурбіни виробляють у середньому більше енергії взимку, ніж улітку?
8. Які фактори мають найбільший вплив на швидкість вітру?
9. Як збільшиться вироблення електроенергії за допомогою ВЕУ, якщо швидкість вітру зросте вдвічі?
10. При якій швидкості вітру мала вітрова насосна установка починає виробляти енергію?
11. Чому для виробництва лопатей вітроагрегатів використовують такі матеріали, як скловолокно, поліестер чи дерево?
12. Скільки (приблизно) електроенергії зможе виробити протягом року ВЕУ із встановленою потужністю 1 МВ, якщо середня швидкість вітру дорівнює 9м/с?
13. Який коефіцієнт використання встановленої потужності у типових ВЕУ?
14. Чому деякі ВЕУ встановлюють у офшорних (прибережних) зонах?
15. Як зазвичай використовуються малі ВЕУ у сільськогосподарських районах?
16. Чому сонячні та вітроенергетичні системи добре доповнюють одна одну?
17. Про які негативні впливи ВЕУ найчастіше згадують?
18. Яка має бути відстань від великої ВЕУ для того, щоб не було перевищено прийнятих шумових обмежень (40 дБ)?
19. Яким приладом можна визначити швидкість вітру?
20. Як деформація дерев може сприяти вибору місця під установку вітротурбіни?

9. Джерела інформації

1. Титко Р., Калініченко В.М. Відновлювальні джерела енергії (досвід Польщі для України). Навчальний посібник. 2-ге вид. – Варшава: OWG, 2010. – 530 с.
2. A.Tummala et al / Renewable and Sustainable Energy Reviews 56 (2016) 1351-1371.
3. https://orsted.co.uk/energy-solutions/offshore-wind
4. U.S. Wind Turbine Database - https://eerscmap.usgs.gov/uswtdb/

Наступний модуль