Жел энергиясын электр қуатына айналдыру

Кіріспе

Желден электр энергиясын өндіру

Жел энергиясы – желдің энергиясын пайдалы жұмыс істеу үшін пайдалану. Тарихи тұрғыдан алғанда, жел қуаты желкендерде, жел тегершіктерінде және жел сорғыларында қолданылған, бірақ бүгінде ол көбінесе электр энергиясын өндіру үшін қолданылады. Бұл мақалада тек электр энергиясын өндіру үшін қолданылатын жел энергиясы туралы мәліметтер келтіріледі. Бүгінгі таңда жел энергиясы негізінен жел турбиналары арқылы өндіріледі, олар жел электр станцияларына топтастырылып, электр желісіне қосылады. 2022 жылы жел 2000 ТВт/сағ электр энергиясын өндірді, бұл әлемдік электр энергиясының 7%-дан астамын және әлемдік энергияның шамамен 2%-ын құрады. 2021 жылы шамамен 100 ГВт қуаттылық қосылды, оның көп бөлігі Қытай мен АҚШ-та, ал жаһандық орнатылған жел қуаты 800 ГВт-тан асты. Климаттың өзгеруін шектеу мақсатындағы Париж келісімінің талаптарын орындау үшін, сарапшылар жел энергиясын өндіруді жыл сайын 1%-дан астам өсіру қажет екенін айтады. Жел энергиясы – тұрақты, жаңаруға жарамды энергия көзі және ол табиғатқа фоссилді отындарды жағуға қарағанда әлдеқайда аз зиян келтіреді. Жел энергиясының қуаты өзгермелі болғандықтан, электр энергиясын тұрақты түрде жеткізу үшін энергияны сақтау немесе басқа да қуатты өндіретін энергия көздері қажет. Құрлықтағы жел электр станциялары ландшафтқа басқа электр станцияларына қарағанда көбірек әсер етеді, өндірілген энергияға шаққанда. Теңізде орналасқан жел электр станцияларының көрінісі аз және қуаттылығы жоғары, бірақ олар әдетте қымбатқа түседі. Жел энергиясы – өндірілген энергия бірлігіне ең төмен құнмен электр энергиясының көзі болып табылады. Көптеген аймақтарда жаңа құрлықтағы жел электр станциялары көмір немесе газ станцияларынан арзан. Көптеген өңірлерде жел энергиясын өндіру түнде және қыс айларында жоғары болады, осы кезде күн энергиясының өндірісі төмендейді. Осы себепті, көптеген елдерде жел және күн энергиясын біріктіру тиімді.

Жел энергиясының ресурстары

Жел – Жер атмосферасындағы ауа қозғалысы. Бірлік уақыт ішінде, мысалы, 1 секундта, белгілі бір аумақтан өткен ауа көлемі: Егер ауа тығыздығы болса, осы ауа көлемінің массасы: , ал қуат беру немесе секундына энергия беру: Жел қуаты жел жылдамдығының үшінші дәрежесіне пропорционалды; жел жылдамдығы екі есе артса, қол жетімді қуат сегіз есе артады. Жел жылдамдығының 2.1544 есеге өзгеруі жел қуатын бір ретке ұлғайтады (10 есеге көбейтіледі). 1979-2010 жылдар аралығындағы кезеңдегі әлемдік желдің кинетикалық энергиясы шамамен 1.50 МДж/м² құрады, Солтүстік жарты шардың көрсеткіші 1.31 МДж/м², ал Оңтүстік жарты шардың көрсеткіші 1.70 МДж/м² болды. Атмосфера жылу машинасы ретінде әрекет етеді, жоғары температурада жылуды сіңіріп, төмен температурада жылуды бөліп шығарады. Бұл процесс желдің кинетикалық энергиясын 2.46 Вт/м² жылдамдықпен өндіруге жауапты, осылайша атмосфераның үйкеліске қарсы айналымын сақтайды. Жел ресурстарын бағалау арқылы жел энергиясының әлеуетін әлемдік деңгейде, елдер немесе аймақтар бойынша немесе нақты бір орналасқан жерде бағалауға болады. Дания Техникалық университеті мен Дүниежүзілік банк серіктестігімен жасалған «Жаһандық жел атласы» жел энергиясының әлеуетін бағалауға мүмкіндік береді. «Статикалық» жел ресурстары атластарынан айырмашылығы, жел жылдамдығы мен қуат тығыздығын бірнеше жыл бойы орташалайтын құралдар, мысалы, Renewables.ninja, әртүрлі жел турбиналарының модельдерінен жел жылдамдығы мен қуатының уақытқа қатысты симуляцияларын сағаттық ажыратымдылықпен ұсынады. Жел ресурстарының әлеуетін егжей-тегжейлі, нақты орналасқан жерге қатысты бағалауды мамандандырылған коммерциялық провайдерлерден алуға болады, сондай-ақ көптеген ірі жел энергиясын өндірушілердің өздерінің модельдеу мүмкіндіктері бар. Желден экономикалық тұрғыдан өндірілуге болатын энергияның жалпы көлемі қазіргі адамзаттың барлық көздерден алатын энергиясынан әлдеқайда артық. Желдің күші әртүрлі, ал белгілі бір орналасқан жердің орташа мәні сол жерде жел турбинасы қанша энергия өндіретінін көрсетпейді. Жел энергиясын өндіруге болатын перспективалы орындарды бағалау үшін, жиналған жел жылдамдығы деректеріне сәйкес ықтималдық тарату функциясы жиі қолданылады. Әртүрлі орналасқан жерлерде жел жылдамдығының таралуы әртүрлі болады. Вейбулл моделі көптеген орналасқан жерлерде сағаттық/он минуттық жел жылдамдығының нақты таралуын жақсы көрсетеді. Вейбулл коэффициенті көбінесе 2-ге жақын болғандықтан, Рейли таралымын аз дәл, бірақ қарапайым модель ретінде қолдануға болады.

Wind is air movement in the Earth's atmosphere. In a unit of time, say 1 second, the volume of air that had passed an area is If the air density is , the mass of this volume of air is , and the power transfer, or energy transfer per second is Wind power is thus proportional to the third power of the wind speed; the available power increases eightfold when the wind speed doubles. Change of wind speed by a factor of 2.1544 increases the wind power by one order of magnitude (multiply by 10). The global wind kinetic energy averaged approximately 1.50 MJ/m2 over the period from 1979 to 2010, 1.31 MJ/m2 in the Northern Hemisphere with 1.70 MJ/m2 in the Southern Hemisphere. The atmosphere acts as a thermal engine, absorbing heat at higher temperatures, releasing heat at lower temperatures. The process is responsible for the production of wind kinetic energy at a rate of 2.46 W/m2 thus sustaining the circulation of the atmosphere against friction. Through wind resource assessment, it is possible to estimate wind power potential globally, by country or region, or for a specific site. The Global Wind Atlas provided by the Technical University of Denmark in partnership with the World Bank provides a global assessment of wind power potential. Unlike 'static' wind resource atlases which average estimates of wind speed and power density across multiple years, tools such as Renewables. ninja provide time varying simulations of wind speed and power output from different wind turbine models at an hourly resolution. More detailed, site specific assessments of wind resource potential can be obtained from specialist commercial providers, and many of the larger wind developers have in house modeling capabilities. The total amount of economically extractable power available from the wind is considerably more than present human power use from all sources. The strength of wind varies, and an average value for a given location does not alone indicate the amount of energy a wind turbine could produce there. To assess prospective wind power sites, a probability distribution function is often fit to the observed wind speed data. Different locations will have different wind speed distributions. The Weibull model closely mirrors the actual distribution of hourly/ten minute wind speeds at many locations. The Weibull factor is often close to 2 and therefore a Rayleigh distribution can be used as a less accurate, but simpler model.

Генератордың сипаттамалары мен тұрақтылығы

Қазіргі заманғы турбиналардың көпшілігі турбина генераторы мен жинақтау жүйесі арасында жартылай немесе толық масштабты қуат түрлендіргішімен (конвертерімен) біріктірілген өзгермелі жылдамдықты генераторларды қолданады. Бұл генераторлар желіге қосылу үшін қажетті жақсы қасиеттерге ие және кернеудің күрт өзгеруіне төтеп бере алады. Қазіргі турбиналар екі есе қуаттандырылатын электр машиналарын жартылай масштабты түрлендіргіштермен, немесе тікшабақ қозғалтқышты индукциялық генераторлармен, немесе толық масштабты түрлендіргіштермен синхронды генераторларды (тұрақты магниттік және электрлік қоздырғыштармен) пайдаланады. Желіні қайта іске қосу (қара старт) мүмкін және желден көп электр энергиясын өндіретін аймақтарда (мысалы, Айова штатында) одан әрі дамытылуда. Желілік жүйе операторлары жел электр станциясын салушыға желілік кодекс береді, онда тарату желісіне қосылу талаптары көрсетіледі. Бұл қуат факторын, жиіліктің тұрақтылығын және жүйеде ақау болған кезде жел электр станциясы турбиналарының динамикалық мінез-құлқын қамтиды.

Теңіздегі жел энергиясы

Теңіздегі жел энергиясы – әдетте теңізде орналасқан, үлкен су кеңістіктеріндегі жел электр станциялары. Бұл нысандар осы аймақтарда болатын жиірек және күштірек желдерді пайдалана алады, сондай-ақ құрлықтағы жобалармен салыстырғанда ландшафтқа көрінетін әсері аз болады. Дегенмен, құрылыс және күтім шығындары айтарлықтай жоғары. 2021 жылдың қараша айына қарай, Ұлыбританиядағы Хорнси жел электр станциясы 1218 МВт қуатымен әлемдегі ең ірі теңіздік жел электр станциясы болып табылады.

Жинақтау және тарату желісі

Жағажайға жақын жел электр станциялары АЖ арқылы, ал алыс жатқандары АЖТҚ арқылы қосылуы мүмкін. Жел энергиясы көздері әрқашан халық тығыздығы жоғары аймақтарда орналаспайды. Тасымалдау желілерінің ұзындығы артқан сайын, электр қуатын тасымалдаумен байланысты шығындар да артады, себебі қысқа желілердегі шығындар күшейеді және ұзындық артқан сайын жаңа түрдегі шығындар да елеусіз болмай қалады, бұл үлкен жүктерді үлкен қашықтықтарға тасымалдауды қиындатады. Егер тасымалдау қуаты өндірілген қуатқа жетпесе, жел электр станциялары толық қуатымен жұмыс істеуге мәжбүр болмайды немесе толығымен тоқтатылады, бұл процеске "қырқу" (қысқарту) дейді. Бұл жаңартылатын энергияның әлеуетін толық пайдаланбауға алып келеді, бірақ желінің жүктемесін артық көтеру немесе сенімді қызмет көрсетуге қауіп тудырудың алдын алады. Кейбір елдерде жел электр энергиясын желіге қосудағы ең үлкен мәселелердің бірі – жел электр станцияларынан алынған қуатты, көбінесе желдің көп болуына байланысты сирек қоныстанған аймақтардан, халық тығыздығы жоғары жағалауларға жеткізу үшін жаңа тасымалдау желілерін салу қажеттігі болып табылады. Шалап жерлердегі бар желілер үлкен көлемдегі энергияны тасымалдауға арналмаған болуы мүмкін. Белгілі бір географиялық аймақтарда желдің максималды жылдамдығы мен электр қуатына деген сұраныстың ең жоғары деңгейі бірдей уақытта келмейтіні мүмкін, ол теңізде немесе құрлықта болсын. Болашақта кеңінен тараған географиялық аймақтарды HVDC супер желісімен байланыстыру мүмкін.

Өсу үрдісі

2020 жылы жел шамамен 1600 ТВт/сағ электр энергиясын өндірді, бұл бүкіл әлемде өндірілген электр қуатының 5%-дан астам және энергия тұтынудың шамамен 2%-ын құрады. Желдің қанша электр қуатын өндіре алатынының нақты мөлшері, жабдық пен орналасқан жеріне қарай өзгеретін қуат коэффициентіне номиналды қуатты көбейту арқылы есептеледі. Желдік электр станцияларының қуат коэффициенттері 35%-тан 44%-ға дейін деп бағаланады.

Қуаттылық коэффициенті

Желдің жылдамдығы тұрақты болмағандықтан, жел электр станциясының жылдық энергия өндірісі генераторлардың номиналды қуатының қосындысын бір жылдағы сағаттар санына көбейту нәтижесінен әрқашан кем болады. Бір жылдағы нақты өнімділіктің осы теориялық максимумқа қатынасын қуат коэффициенті деп атайды. Кейбір жерлер үшін онлайн деректер қолжетімді, ал қуат коэффициентін жылдық өнімнен есептеуге болады.

Енгізу

Жел энергиясының ену деңгейі – желден өндірілген энергияның жалпы энергия өндірісіне қатынасы. 2021 жылы жел энергиясының әлемдік электр энергиясын тұтынудағы үлесі 2015 жылғы 3,5%-дан өскен 7%-ды құрады. Жел энергиясының енуінің жалпы қабылданған ең жоғары шегі жоқ. Нақты бір электр желісі үшін шектеулер қолданыстағы электр станцияларына, баға белгілеу механизмдеріне, энергия сақтау мүмкіндіктеріне, сұранысты басқаруға және басқа факторларға байланысты болады. Электр желісі жабдықтардың бұзылуына жол беру үшін резервтік қуатты және беру мүмкіндіктерін қамтиды. Бұл резервтік қуат жел электр станцияларының өндіретін энергия мөлшерінің өзгеруін өтеуге де мүмкіндік береді. Зерттеулер көрсеткендей, жылдық электр энергиясын тұтынудың 20%-ын айтарлықтай қиындықсыз жүйеге енгізуге болады. Бұл зерттеулер географиялық тұрғыдан шашыраңқы жел электр станциялары бар, энергияны басқаруға немесе су электр станциялары бар, сұранысты басқару мүмкіндігі бар және электр қуатын қажет болған кезде экспорттауға мүмкіндік беретін үлкен желілік аймаққа қосылған жерлерде жүргізілді. Электр энергиясын өндіруші компаниялар жел энергиясының жүйеге кең көлемде енуінің жүйелік тұрақтылыққа тигізетін әсерін зерттеуді жалғастыруда. Жел энергиясының ену деңгейі әртүрлі уақыт аралығында көрсетілуі мүмкін, бірақ көбінесе жылдық мәліметтер келтіріледі. Жыл бойы электр энергиясының барлық дерлік бөлігін желден өндіру үшін басқа жүйелермен айтарлықтай байланыс қажет, мысалы, Шотландиядағы жел энергиясының бір бөлігі Ұлыбританияның қалған желісіне жіберіледі. Айлық, апталық, күндізгі немесе сағаттық (немесе одан да аз) есептегенде, жел ағымдағы тұтынудың 100%-ын немесе одан да көп бөлігін қамтамасыз ете алады, ал қалғаны сақталады, экспортталады немесе шектеледі. Маусымдық өнеркәсіп желдің жоғары және тұтынудың төмен деңгейде болатын уақыттарын пайдалана алады, мысалы, түнде желдің қуаты қалыпты сұраныстан асып түседі. Мұндай өнеркәсіп кремний, алюминий, болат немесе табиғи газ, сутек өндірісін және болашақта 100% жаңартылатын энергия көздерінен энергия алу үшін ұзақ мерзімді сақтауды пайдалануды қамтуы мүмкін. Тұрғын үйлер мен кәсіпорындар электр энергиясына деген сұранысты өзгертуге бағдарламалана алады, мысалы, су жылытқыштарының термостаттарын қашықтан реттеу арқылы.

Wind energy penetration is the fraction of energy produced by wind compared with the total generation. Wind power's share of worldwide electricity usage in 2021 was almost 7%, up from 3.5% in 2015. There is no generally accepted maximum level of wind penetration. The limit for a particular grid will depend on the existing generating plants, pricing mechanisms, capacity for energy storage, demand management, and other factors. An interconnected electric power grid will already include reserve generating and transmission capacity to allow for equipment failures. This reserve capacity can also serve to compensate for the varying power generation produced by wind stations. Studies have indicated that 20% of the total annual electrical energy consumption may be incorporated with minimal difficulty. These studies have been for locations with geographically dispersed wind farms, some degree of dispatchable energy or hydropower with storage capacity, demand management, and interconnected to a large grid area enabling the export of electric power when needed. Electrical utilities continue to study the effects of large scale penetration of wind generation on system stability. A wind energy penetration figure can be specified for different duration of time but is often quoted annually. To generate almost all electricity from wind annually requires substantial interconnection to other systems, for example some wind power in Scotland is sent to the rest of the British grid. On a monthly, weekly, daily, or hourly basis—or less—wind might supply as much as or more than 100% of current use, with the rest stored, exported or curtailed. The seasonal industry might then take advantage of high wind and low usage times such as at night when wind output can exceed normal demand. Such industry might include the production of silicon, aluminum, steel, or natural gas, and hydrogen, and using future long term storage to facilitate 100% energy from variable renewable energy. Homes and businesses can also be programmed to vary electricity demand, for example by remotely turning up water heater thermostats.

Өзгерімділік

Жел қуаты өзгермелі, ал желдің әлсіз болған кезеңдерінде оны басқа энергия көздерімен алмастыру қажет болуы мүмкін. Электр желілері қазіргі уақытта басқа электр станцияларының істен шығуымен және электр энергиясына сұраныстың күндізгі өзгерістерімен күреседі, бірақ жел қуаты сияқты үздіріссіз энергия көздерінің өзгеруі дәстүрлі электр станцияларына қарағанда жиірек болады. Дәстүрлі электр станциялары, жұмыс істеуге жоспарланған жағдайда, өздерінің номиналды қуатын шамамен 95% уақыт бойы жеткізе алады. Жел энергиясынан өндірілетін электр қуаты сағаттық, күндізгі немесе маусымдық сияқты әртүрлі уақыт аралықтарында өте өзгермелі болуы мүмкін. Жылдық өзгерістер де бар, бірақ олар осы деңгейде маңызды емес. Желінің тұрақтылығын сақтау үшін электр энергиясын бірден өндіру және тұтыну арасындағы тепе-теңдік сақталуы керек болғандықтан, мұндай өзгермелілік жел энергиясын желі жүйесіне енгізуде елеулі қиындықтар туғызуы мүмкін. Жел энергиясын өндірудің үздіріссіздігі және диспетчерлік емес сипаты реттеуге, қосымша жұмыс резервтеріне шығындарды арттыруы мүмкін, ал (жоғары деңгейде енгізілгенде) энергия сұранысын басқаруды, жүктемені азайтуды, сақтау шешімдерін немесе жүйелерді HVDC кабельдерімен байланыстыруды күшейтуді қажет етуі мүмкін. Жүктеменің ауытқуы және ірі жанар май электр станцияларының істен шығуы резервтік қуатты талап етеді, оны жел қуатының өзгеруін өтеу үшін арттыруға болады. Крупномасштабты аккумуляторлар сағаттық және одан қысқа мерзімді өзгерістерді теңгерту үшін жиі қолданылады, бірақ автомобиль аккумуляторлары 2020 жылдардың ортасынан бастап үлкен үлес қоса алады. Жел энергиясын жақтаушылар желдің әлсіз кезеңдерін дайын күйде сақталған электр станцияларын қайта іске қосу арқылы немесе HVDC желілерімен байланыстыру арқылы шешуге болады деп санайды. Жаңартылатын энергия көздерін түрлері мен орналасқан жері бойынша әртараптандыру, олардың өзгеруін болжау және оларды диспетчерлік жаңартылатын энергия көздерімен, икемді отынмен жұмыс істейтін генераторлармен және сұранысқа жауап берумен біріктіру электр қуатымен жабдықтау қажеттіліктерін сенімді түрде қанағаттандыра алатын электр жүйесін құруға мүмкіндік береді. Жаңартылатын энергия көздерін енгізудің жоғары деңгейі нақты жағдайда сәтті көрсетілуде. [[Файл:Еуропадағы жел және фотоэлектр қуатының маусымдық циклі идеалды жағдайларда.png|thumb|Еуропадағы жел және фотоэлектр қуатының маусымдық циклі идеалды жағдайларда. Сурет жел және күн энергиясының маусымдық масштабтағы теңгерімдеу әсерін көрсетеді (Kaspar және басқалар, 2019). Күнделікті немесе апталық масштабта жоғары қысымды аймақтар ашық аспан мен әлсіз жел әкеледі, ал төмен қысымды аймақтар желді және бұлтты болады. Маусымдық масштабта күн энергиясы жазда ең жоғары деңгейге жетеді, ал көптеген аймақтарда жел энергиясы жазда төмен, ал қыста жоғары болады. Сондықтан жел және күн энергиясының маусымдық өзгеруі біршама өзара теңестіріледі. Жел және күн энергиясын біріктіретін гибридтік жүйелерге деген сұраныс артып келеді.

Wind power is variable, and during low wind periods, it may need to be replaced by other power sources. Transmission networks presently cope with outages of other generation plants and daily changes in electrical demand, but the variability of intermittent power sources such as wind power is more frequent than those of conventional power generation plants which, when scheduled to be operating, may be able to deliver their nameplate capacity around 95% of the time. Electric power generated from wind power can be highly variable at several different timescales: hourly, daily, or seasonally. Annual variation also exists but is not as significant. Because instantaneous electrical generation and consumption must remain in balance to maintain grid stability, this variability can present substantial challenges to incorporating large amounts of wind power into a grid system. Intermittency and the non dispatchable nature of wind energy production can raise costs for regulation, incremental operating reserve, and (at high penetration levels) could require an increase in the already existing energy demand management, load shedding, storage solutions, or system interconnection with HVDC cables. Fluctuations in load and allowance for the failure of large fossil fuel generating units require operating reserve capacity, which can be increased to compensate for the variability of wind generation. Utility scale batteries are often used to balance hourly and shorter timescale variation, but car batteries may gain ground from the mid 2020s. Wind power advocates argue that periods of low wind can be dealt with by simply restarting existing power stations that have been held in readiness, or interlinking with HVDC. The combination of diversifying variable renewables by type and location, forecasting their variation, and integrating them with dispatchable renewables, flexible fueled generators, and demand response can create a power system that has the potential to meet power supply needs reliably. Integrating ever higher levels of renewables is being successfully demonstrated in the real world. [[File: Seasonal cycle of capacity factors for wind and photovoltaics in Europe under idealized assumptions. png|thumb|Seasonal cycle of capacity factors for wind and photovoltaics in Europe under idealized assumptions. The figure illustrates the balancing effects of wind and solar energy at the seasonal scale (Kaspar et al., 2019). On daily to weekly timescales, high pressure areas tend to bring clear skies and low surface winds, whereas low pressure areas tend to be windier and cloudier. On seasonal timescales, solar energy peaks in summer, whereas in many areas wind energy is lower in summer and higher in winter.1=[[Wind power in California Thus the seasonal variation of wind and solar power tend to cancel each other somewhat. Wind hybrid power systems are becoming more popular.

Болжамдылық

Кез келген генератор үшін жел қуатының бір сағат ішінде 10%-дан аз өзгеру мүмкіндігі 80%, ал 5 сағат ішінде 10% немесе одан көп өзгеру мүмкіндігі 40% құрайды. 2021 жылғы жазда Ұлыбританиядағы жел қуаты соңғы жетпіс жылдағы ең нашар жел жағдайының салдарынан төмендеді. Болашақта, желдің электр энергиясын өндіруде үлкен үлес атқаратын болса, жасыл сутегі өндіру арқылы қуаттың жоғарылау және төмендеу деңгейлерін тегістеуге көмектесуі мүмкін. Жеке турбинаның қуаты жергілікті жел жылдамдығына байланысты үлкен және жылдам өзгерістерге ұшыраса да, қаншама көп турбиналар кеңірек аумақтарға қосылса, орташа қуаттың өзгеруі азайып, болжамды бола түседі. Ауа райы болжамы электр желісін өндірісте болатын күтілетін өзгерістерге дайындауға мүмкіндік береді. Ең сенімді, көміртегі аз шығарындымен жұмыс істейтін электр жүйелерінің жел қуатын үлкен үлес етуі қажет деп саналады.

Энергияны сақтау

Көбінесе, дәстүрлі гидроэлектр станциясы жел қуатын өте жақсы толықтырады. Жел күшті соққанда, жақын орналасқан гидроэлектр станциялары суды уақытша тоқтата алады. Жел басылғанда, егер оларда генерациялық қуаты болса, олар өндірісті жылдам арттырып, тапшылықты өтеуге мүмкіндік алады. Бұл тұрақты қуат беруді қамтамасыз етеді, энергия жоғалтуды азайтады және суды артық жұмсамайды. Егер судың жеткілікті қоры болмаса, суды қайта жинақтайтын гидроэлектр станциялары немесе сығымдалған ауа энергиясын сақтау, жылу энергиясын сақтау сияқты желіде энергия сақтаудың басқа түрлері желдің күшті кезеңдерінде өндірілген энергияны сақтап, қажет болғанда пайдалануға болады. Қажетті сақтау түрі желдің ену деңгейіне байланысты: төмен деңгейде күнделікті сақтау жеткілікті, ал жоғары деңгейде қысқа және ұзақ мерзімді сақтау қажет – бір ай немесе одан да көп уақытқа. Сақталған энергия жел энергиясының экономикалық құнын арттырады, себебі оны жоғары сұраныс кезеңдерінде қымбат өндірісті ығыстыру үшін пайдалануға болады. Мұндай арбитраж арқылы алынатын табыс сақтаудың құны мен шығындарын өтеуге көмектеседі. Суды қайта жинақтайтын электр станцияларының тиімділігі шамамен 75% құрайды және орнату құны жоғары болғанымен, олардың төмен жұмыс шығындары және қажетті электр базалық жүктемені азайту мүмкіндігі отынды және жалпы электр энергиясын өндіру шығындарын үнемдеуге мүмкіндік береді.

Энергияны қайтару

Жел электр станциясын салуға жұмсалатын энергия, оның қызмет ету мерзіміндегі жалпы қуат шығысына бөлінгенде, энергияның инвестицияланған энергияға қайтарымдылығын (Energy Return on Energy Invested) көрсетеді. Жел энергиясы үшін бұл көрсеткіш әртүрлі болады, бірақ орташа есеппен 20–25 шамасында. Осыған байланысты, энергияны өндіруге кеткен шығындардың өтелу мерзімі әдетте шамамен бір жылды құрайды.

Экономика

thumbidiyeupright=1.4|1983 және 2017 жылдар аралығындағы құрлықтағы желдің бір киловатт сағатына шаққандағы құны. Құрлықтағы жел – көмір және жаңа газ станцияларынан арзан электр энергиясының тиімді көзі. 2021 жылы Siemens Gamesa компаниясының бас директоры, төмен бағалы жел турбиналарына деген сұраныстың өсуі, материалдық шығындардың және болаттың қымбаттауы өндірушілерге күшті қысым түсіріп, пайданы азайтатынын мәлімдеді. Солтүстік Еуразия, Канада, АҚШ-тың кейбір аймақтары және Аргентинадағы Патагония құрлықтағы жел энергиясын өндіруге ең қолайлы аймақтар болып табылады, ал әлемнің басқа аймақтарында күн энергиясы немесе жел және күн энергиясының комбинациясы тиімдірек.

Электр энергиясының құны мен дамуы

thumbnail2008 жылы Ұлыбританиядағы Эденфилд арқылы өтетін турбина қанаттарының кортежі. Қазір тіпті екі бөліктен тұратын, одан да ұзын қанаттар дайындалады, содан кейін тасымалдау қиындықтарын азайту үшін орналасқан жерде құрастырылады. Жел энергиясын дамыту үшін көп инвестиция қажет, бірақ отын шығындары жоқ. Сондықтан жел энергиясының бағасы, құрылтай отынының құнсыздануымен салыстырғанда, тұрақтырақ. Дегенмен, электр энергиясының бірлігіне шаққандағы орташа құн турбина мен беру желілерін салуға кеткен шығындарды, алынған несиелерді, инвесторларға қайтарымды (тәуекел құнын қоса), жылдық өндіріс көлемін және басқа да компоненттерді қамтиды. Бұл көрсеткіштер жабдықтың күтілетін қызмет мерзімі ішінде есептеледі, ол 20 жылдан аспауы мүмкін. Энергия құнының бағасы осы шарттарға тікелей байланысты болғандықтан, жарияланған деректерде айтарлықтай айырмашылықтар болуы мүмкін. Жел энергиясының болуы, тіпті субсидияланған жағдайда да, тұтынушылар үшін шығындарды азайта алады (Германияда жылына 5 миллиард евроға дейін), себебі шекті бағаны төмендету арқылы қымбатты пик сағаттардағы электр станцияларын пайдалануды азайтуға мүмкіндік береді. Жел турбиналарының технологиясы жетілдірілген сайын құны төмендеді. Қазіргі турбина қанаттары бұрынғыдан ұзын әрі жеңіл, турбинаның өнімділігі жақсарды және электр энергиясын өндіру тиімділігі артты. Сонымен қатар, жел жобаларына жұмсалатын капиталдық және техникалық қызмет көрсету шығындары да төмендеп келеді. 2021 жылы Lazard жүргізген субсидияланбаған электр энергиясы туралы зерттеуде жел энергиясының өндіріс құны азая беретіні, бірақ бұрынғы жылдарға қарағанда баяулау темппен дамитыны айтылды. Зерттеуге сәйкес, жаңа жел энергиясының құны 26-дан 50 долларға дейін /МВт·сағ, ал жаңа газ энергиясының құны 45-тен 74 долларға дейін /МВт·сағ. Толық тозуға ұшыраған ескі көмір станциясының орташа құны 42 доллар/МВт·сағ, атом электр станциясы 29 доллар/МВт·сағ, ал газ 24 доллар/МВт·сағ болды. Зерттеуде теңіз үстіндегі жел энергиясының құны шамамен 83 доллар/МВт·сағ екені көрсетілді. 2016 жылдан 2021 жылға дейінгі орташа жылдық өсім 4%-ды құрады, ал 2009 жылдан 2021 жылға дейінгі өсім 10%-ды құрады.

Көтермелеу және қоғамдық пайда

Турбина бағалары соңғы жылдары энергия аукциондарының кеңінен қолданылуы және көптеген нарықтардағы субсидиялардың жойылуы сияқты күшейген бәсекелестік жағдайларға байланысты айтарлықтай төмендеді. 2021 жылға қарай субсидиялар көбінесе теңіздегі жел энергиясына беріледі. Бірақ Қытай сияқты тіпті төмен көміртегі бағасы бар елдерде, бәсекелес табиғи отынға субсидиялар болмаса, құрлықтағы жел энергиясына олар енді қажет емес. Екінші нарық күштері бизнесті желден алынған энергияны пайдалануға ынталандырады, тіпті электр энергиясының бағасы жоғары болса да. Мысалы, әлеуметтік жауапкершілігі бар өндірушілер жел энергиясы инфрақұрылымын субсидиялау және салу үшін электр компанияларына қосымша төлем жасайды. Компаниялар желден өндірілген энергияны пайдаланады және олар "жасыл" бастамаларды іске асырып отырмыз деп мәлімдеуге мүмкіндік алады. Жел энергиясы жобалары жергілікті салықтарды немесе салықтардың орнына төлемдерді қамтамасыз етеді және жерлерінде жел турбиналары орнатылған фермерлерге табыс әкеліп, ауылдық жерлердің экономикасын нығайтады. Жел энергиясы секторы құрылыс және пайдалану кезеңдерінде жұмыс орындарын да жасай алады. Бұл жұмыс орындарына жел турбиналарын өндіру және турбиналарды тасымалдау, орнату және күтіп ұстау сияқты құрылыс процесі кіреді. 2020 жылы жел энергиясы саласында шамамен 1,25 миллион адам жұмыс істеді.

Шағын ауқымды жел энергиясы

thumb|Англияның Бристоль қаласындағы Бристоль маяк үйінің шатырында орналасқан кішкентай Quietrevolution QR5 Gorlov типті тік осьті жел турбинасы. Диаметрі 3 м, биіктігі 5 м, номиналды қуаты 6,5 кВт. Шағын ауқымды жел қуаты – 50 кВт дейінгі электр қуатын өндіретін жел генерациялау жүйелеріне берілген атау. Дизель генераторларына тәуелді болатын шалғайдағы елді мекендер жел турбиналарын балама ретінде пайдалана алады. Жеке тұлғалар экономикалық себептермен немесе көміртегі ізін азайту үшін желідегі электр қуатына тәуелділікті азайту немесе жою мақсатында осы жүйелерді сатып ала алады. Жел турбиналары шалғайдағы аймақтарда ондаған жылдар бойы батареялармен бірге үй шаруалықтарына электр қуатын өндіру үшін қолданылып келеді. Шағын ауқымды жел қуаты жобаларының мысалдарын Нью-Йорк қаласында табуға болады, онда 2009 жылдан бері бірнеше құрылыс жобалары өздерінің шатырларын Gorlov типті спиральді жел турбиналарымен жапқан. Олар өндіретін энергия ғимараттардың жалпы тұтынымымен салыстырғанда аз болғанымен, бұл жобалар ғимараттың «жасыл» имиджін нығайтуға көмектеседі, бұл «адамдарға жоғары технологиялық қазандығыңызды көрсетуден» гөрі тиімді, сонымен қатар кейбір жобалар Нью-Йорк штатының Энергияны зерттеу және дамыту басқармасынан тікелей қолдау алады. Желіге қосылған тұрмыстық жел турбиналары желілік энергия сақтауды пайдалана алады, осылайша қол жетімді болған кезде сатып алынған электр қуатын жергілікті өндірілген қуатпен алмастырады. Кейбір елдердегі ішкі микрогенераторлар өндірген артық қуат желіге жіберіліп, коммуналдық компанияға сатылуы мүмкін, бұл микрогенераторлардың иелеріне энергия шығындарын өтеуге көмектесетін бөлшек салымды қамтамасыз етеді. Желіден тыс жүйелерді пайдаланушылар үзілісті қуатқа бейімделе алады немесе жел турбинасын толықтыру үшін батареяларды, фотоэлектрлік жүйелерді немесе дизельдік жүйелерді пайдалана алады. Тұрақ орындықтарының есептегіштері, жол ескерту белгілері, көше шамдары немесе сымсыз интернет шлюздері сияқты жабдықтар шағын жел турбинасымен, мүмкін фотоэлектрлік жүйемен біріктіріліп, электр желісіне қосылу қажеттілігін жоятын шағын батареяны зарядтауы мүмкін. Ауадағы жел турбиналары, мысалы, желкендер, дауылдар қаупі бар жерлерде қолданылуы мүмкін, өйткені оларды алдын ала алып тастауға болады.

thumb|A small Quietrevolution QR5 Gorlov type vertical axis wind turbine on the roof of Bristol Beacon in Bristol, England. Measuring 3 m in diameter and 5 m high, it has a nameplate rating of 6.5 kW. Small scale wind power is the name given to wind generation systems with the capacity to produce up to 50 kW of electrical power. Isolated communities, that may otherwise rely on diesel generators, may use wind turbines as an alternative. Individuals may purchase these systems to reduce or eliminate their dependence on grid electric power for economic reasons, or to reduce their carbon footprint. Wind turbines have been used for household electric power generation in conjunction with battery storage over many decades in remote areas. Examples of small scale wind power projects in an urban setting can be found in New York City, where, since 2009, several building projects have capped their roofs with Gorlov type helical wind turbines. Although the energy they generate is small compared to the buildings' overall consumption, they help to reinforce the building's 'green' credentials in ways that "showing people your high tech boiler" cannot, with some of the projects also receiving the direct support of the New York State Energy Research and Development Authority. Grid connected domestic wind turbines may use grid energy storage, thus replacing purchased electric power with locally produced power when available. The surplus power produced by domestic microgenerators can, in some jurisdictions, be fed into the network and sold to the utility company, producing a retail credit for the microgenerators' owners to offset their energy costs. Off grid system users can either adapt to intermittent power or use batteries, photovoltaic, or diesel systems to supplement the wind turbine. Equipment such as parking meters, traffic warning signs, street lighting, or wireless Internet gateways may be powered by a small wind turbine, possibly combined with a photovoltaic system, that charges a small battery replacing the need for a connection to the power grid. Airborne wind turbines, such as kites, can be used in places at risk of hurricanes, as they can be taken down in advance.

Қоршаған ортаға және ландшафтқа әсері

Парниктік газдардың энергия көзіне шаққандағы шығарылымдары. Жел энергиясы – парниктік газдардың ең аз шығарылатын көздерінің бірі. Жел турбинасының жанында мал жайылымы. Жел энергиясынан электр энергиясын өндірудің қоршаған ортаға тигізетін әсері, қатты отыннан алынатын энергиямен салыстырғанда, айтарлықтай аз. Инженерлік ағаштан жасалған құрылымдар көміртегі теріс жел энергиясын мүмкін етеді. Жел энергиясы отынды пайдаланбайды және қатты отыннан алынатын энергия көздерінен айырмашылығы, жергілікті ауаның ластануын тудырмайды. Құрлықтағы жел электр станцияларының сыртқы түрі көзге айқын тиеді. Жел электр станцияларының төмен беттік қуат тығыздығы мен арақашықтық талаптарына байланысты, олар басқа электр станцияларына қарағанда көбірек аумақты қамтиды. Олардың турбиналар, кіру жолдары, беру желілері және подстанцияларының желісі "энергияның таралуына" алып келуі мүмкін; Кейбір жел электр станциялары қорғалатын табиғи аймақтардың, археологиялық ландшафттардың және мәдени мұра орындарының сұлулығын жояды деген наразылықтар туындайды. Шотландияның Альпинистер кеңесі жасаған баяндамада жел электр станциялары табиғи ландшафттарымен және панорамалық көріністерімен әйгілі аймақтарда туризмге зиян келтіреді деген қорытынды жасалған. Құрлықтағы жел электр станцияларының фаунасына тигізетін ең үлкен әсер – ортаның жоғалуы және фрагментациясы. Мыңдаған құстар мен жаңарылар, соның ішінде сирек кездесетін түрлер жел турбиналарының пернелеріне тию арқылы қаза тапқан, бірақ жел турбиналары құстардың өліміне қатты отынмен жұмыс істейтін электр станцияларына қарағанда әлдеқайда жауапты емес. Дұрыс фаунаны бақылау арқылы бұл мәселені шешуге болады. Көптеген жел турбиналарының пернелері шыны талшықтан жасалған және олардың қызмет ету мерзімі 20 жылды құрайды. Пернелердің іші қуыс: кейбір пернелер көлемін азайту үшін ұсатылып, содан кейін полигонға тасылады. Дегенмен, олар үлкен салмақты көтере алатындықтан, жаяу және велосипед жолдары үшін ұзақ қызмет ететін шағын көпірлерге айналдыруға болады. Пернелердің өмірлік циклы күрделі, ал 2020 жылдары жасалған пернелер толыққанды қайта өңдеуге арналған болуы мүмкін. Жел турбиналары да шу тудырады. Олардың арақашықтығына байланысты, бұл шамамен 45 дБ болуы мүмкін, бұл тоңазытқыштан сәл жоғары. Ал одан әрі қашықтауда олар естілмейді. Жел турбиналарына жақын тұратын адамдардың денсаулығына кері әсер ететіні туралы айтылатын деректер бар. Бірақ, пәктік сараптамадан өткен зерттеулер мұндай мәлімдемелерді қолдамайды.

thumb|Greenhouse gas emissions per energy source. Wind energy is one of the sources with the least greenhouse gas emissions. thumb|Livestock grazing near a wind turbine. The environmental impact of electricity generation from wind power is minor when compared to that of fossil fuel power. Use of engineered wood may allow carbon negative wind power. Wind power consumes no fuel, and emits no local air pollution, unlike fossil fuel power sources. Onshore wind farms can have a significant visual impact. Due to a very low surface power density and spacing requirements, wind farms typically need to be spread over more land than other power stations. Their network of turbines, access roads, transmission lines, and substations can result in "energy sprawl"; Some wind farms are opposed for potentially spoiling protected scenic areas, archaeological landscapes and heritage sites. A report by the Mountaineering Council of Scotland concluded that wind farms harmed tourism in areas known for natural landscapes and panoramic views. Habitat loss and fragmentation are the greatest potential impacts on wildlife of onshore wind farms, Thousands of birds and bats, including rare species, have been killed by wind turbine blades, though wind turbines are responsible for far fewer bird deaths than fossil fueled power stations. This can be mitigated with proper wildlife monitoring. Many wind turbine blades are made of fiberglass, and have a lifetime of 20 years. Blades are hollow: some blades are crushed to reduce their volume and then landfilled. However, as they can take a lot of weight they can be made into long lasting small bridges for walkers or cyclists. Blade end of life is complicated, and blades manufactured in the 2020s are more likely to be designed to be completely recyclable. Wind turbines also generate noise. At a distance of , this may be around 45 dB, which is slightly louder than a refrigerator. At , they become inaudible. There are anecdotal reports of negative health effects on people who live very close to wind turbines. Peer reviewed research has generally not supported these claims.

Қоғамдық пікір

Басты бармақ. Америка Құрама Штаттарында жел және күн энергиясын қолдау демократтардың (көк түс) арасында күштірек, ал атом электр станцияларын қолдау республикашылдардың (қызыл түс) арасында күштірек. Еуропа және көптеген басқа елдерде жүргізілген сауалнамалар жел энергиясына халықтың жоғары деңгейде қолдау көрсетіп отырғанын анықтады. Баккер және авторлар (2012) өз зерттеулерінде, өз үйлерінің жанында жел турбиналары салынуын қаламаған тұрғындар, "жел турбиналарынан экономикалық пайда алған" тұрғындарға қарағанда әлдеқайда көп стресске ұшырағанын анықтады. Жел энергиясы энергия өндірудің танымал түрі болғанымен, құрлықтағы немесе жағалауға жақын орналасқан жел электр станциялары кейде ландшафтқа (әсіресе көрнекті аймақтар, мұра аймақтары және археологиялық ландшафттар), сондай-ақ шуға және туризмге тигізетін әсерге байланысты қарсылыққа тап болады. Кейде жел электр станцияларына тікелей қоғамдық меншік болады. Германиядағы шағын және орта өлшемді жел электр станцияларына қатысқан жүздеген мың адам мұндай қолдауды көрсетеді. 2010 жылғы Харрис сауалнамасы Германияда, басқа еуропалық елдерде және Америка Құрама Штаттарында жел энергиясына жоғары деңгейде қолдау бар екенін көрсетті. Америка Құрама Штаттарындағы халықтың қолдауы 2020 жылы 75% болса, 2021 жылы 62% -ға төмендеді, демократиялық партия жел энергиясын пайдалануды республикалық партияға қарағанда екі есе көп қолдады. Президент Байден үлкен ауқымды жел электр станцияларын салуды бастау үшін жарлыққа қол қойды. Қытайда Шен және авторлар (2019) қала тұрғындарының қалалық аймақтарда жел турбиналарын салуға қарсы болуы мүмкін екенін анықтады, сонымен қатар адамдардың үлкен бөлігі радиациядан негізсіз қорқуын алаңдаушылықтарының себебі ретінде атады. Сонымен қатар, зерттеуде Экономикалық Ынтымақтастық және Даму Ұйымы (ЭЫДҰ) елдеріндегі әріптестеріне ұқсас, қалалық қытайлық респонденттер тікелей шығындарға және жабайы табиғатқа тигізетін әсерге сезімтал екені анықталды. Турбиналар туралы тиісті ақпаратты халыққа тарату қарсылықты азайтуға көмектеседі.

Қауымдастық

thumb|upright=2.05|Англияның Камбрия аймағындағы осындай жел турбиналарына халықтың бір бөлігі эстетикалық себептерге қоса, түрлі себептермен қарсылық білдірді. Көптеген жел энергетикасы компаниялары белгілі бір жел электр станцияларымен байланысты экологиялық және басқа да алаңдаушылықтарды азайту үшін жергілікті қауымдастықтармен жұмыс істейді. Кейбір жағдайларда жел электр станциялары жобаларына тікелей қауымдық меншік құқығы беріледі. Тиісті мемлекеттік консультациялар, жоспарлау және келісім беру рәсімдері де қоршаған ортаға қауіптерді азайтуға көмектеседі. Дегенмен, кейбіреулер жел электр станцияларына және жалпы қоғамның пікірлеріне қарсы бола беруі мүмкін. АҚШ-та жел энергетикасы жобалары жергілікті салық базасын арттырып, мектептерге, жолдарға және ауруханаларға қаржы жұмсауға, сондай-ақ ауылдық аймақтардың экономикасын шаруалар мен жер иелеріне тұрақты табыс беру арқылы жандандыруға көмектеседі. thumb|upright=2.05|оң жақта|Ұлыбританияның Уайтли жел фермасының панорамалық көрінісі, алдында Лохгойн суқоймасы. Кейбір жел электр станциялары туристік орындарға айналды. Уайтли жел фермасының келушілер орталығында көрме залы, оқу орталығы, панорамалық көрінісі бар кафе және дүкен бар. Оны Глазго ғылым орталығы басқарады. Данияда мүліктің құнына келген залал үшін өтемақы алу құқығын беретін жүйе бар, егер мүліктің құны жел турбинасына жақын болуына байланысты төмендесе. Залал мүліктің құнының кемінде 1%-ын құрауы керек. Жел энергетикасын қолдауға қарамастан, жергілікті қарсылықтар жиі кездеседі және көптеген жобаларды кешіктіреді немесе тоқтатып тастайды. Ландшафтқа қатысты алаңдаушылықтармен қатар, кейбір орналымдардың артық дыбыс пен діріл тудырып, мүліктің құнын төмендетуі мүмкін деген де қауіптер бар. Жел турбиналарының жанындағы 50 000 үй сатылымын зерттеу бағаларға әсер еткенін көрсететін статистикалық деректерді көрсетпеді. Эстетикалық мәселелер субъективті, кейбіреулер жел электр станцияларын жағымды және көңіл көтеріп, энергия тәуелсіздігі мен жергілікті өркендеудің символы деп санайды. Алайда, түрлі себептермен жел электр станцияларын құрылысын тоқтатуға тырысатын наразылық топтары жиі құрылады. Жел электр станцияларына қарсылықтың кейбір түрлері "Менің ауламда емес" (NIMBY) синдромы деп қарастырылады, бірақ 2009 жылы жүргізілген зерттеулер тұрғындардың жел электр станцияларына қарсылық білдіруіне осы көзқарас себеп екенін көрсететін аз деректер бар екенін анықтады.

thumb|upright=2.05|Wind turbines such as these, in Cumbria, England, have been opposed for a number of reasons, including aesthetics, by some sectors of the population. Many wind power companies work with local communities to reduce environmental and other concerns associated with particular wind farms. In other cases there is direct community ownership of wind farm projects. Appropriate government consultation, planning and approval procedures also help to minimize environmental risks. Some may still object to wind farms and the opinions of the broader community. In the US, wind power projects are reported to boost local tax bases, helping to pay for schools, roads, and hospitals, and to revitalize the economies of rural communities by providing steady income to farmers and other landowners. thumb|upright=2.05|right|A panoramic view of the United Kingdom's Whitelee Wind Farm with Lochgoin Reservoir in the foreground. Some wind farms have become tourist attractions. The Whitelee Wind Farm Visitor Centre has an exhibition room, a learning hub, a café with a viewing deck and also a shop. It is run by the Glasgow Science Centre. In Denmark, a loss of value scheme gives people the right to claim compensation for loss of value of their property if it is caused by proximity to a wind turbine. The loss must be at least 1% of the property's value. Despite this general support for the concept of wind power in the public at large, local opposition often exists and has delayed or aborted a number of projects. As well as concerns about the landscape, there are concerns that some installations can produce excessive sound and vibration levels leading to a decrease in property values. A study of 50,000 home sales near wind turbines found no statistical evidence that prices were affected. While aesthetic issues are subjective and some find wind farms pleasant and optimistic, or symbols of energy independence and local prosperity, protest groups are often formed to attempt to block some wind power stations for various reasons. Some opposition to wind farms is dismissed as NIMBYism, but research carried out in 2009 found that there is little evidence to support the belief that residents only object to wind farms because of a "Not in my Back Yard" attitude.

Геосаяси саясат

Мұнай мен газ сияқты желді де тоқтатуға болмайды, сондықтан ол энергия қауіпсіздігіне үлес қосуы мүмкін.

Турбинаның құрылысы

Жел турбинасы – желдің кинетикалық энергиясын электр энергиясына түрлендіретін құрылғы. Бүгінгі жел турбиналары – мың жылдан астам жел тегірмендерін дамыту мен қазіргі заманғы инженерияның нәтижесі. Ең кішкентай турбиналар қосымша қуат үшін аккумуляторларды зарядтау сияқты қолданыстарда қолданылады. Сәл үлкен турбиналар электр желісі арқылы пайдаланылмаған қуатты қайта сату арқылы үй шаруашылығының электрмен жабдықталуына шағын үлес қосу үшін пайдаланылуы мүмкін. Жел электр станциялары деп аталатын ірі турбиналар тобы жаңартылатын энергияның маңызды көзіне айналды және көптеген елдерде олардың жанар майға тәуелділігін азайту стратегиясының бір бөлігі ретінде қолданылады. Жел турбинасын жобалау – желден энергия алу үшін жел турбинасының пішіні мен сипаттамаларын анықтау процесі. Жел турбинасын орнату – желдің энергиясын жинауға, турбинаны жел бағытына бұруға, механикалық айналымды электр қуатына түрлендіруге және турбинаны іске қосу, тоқтату және басқару үшін қажетті жүйелерден тұрады. 1919 жылы неміс физигі Альберт Бетц гипотетикалық идеалды жел энергиясын алу машинасы үшін масса мен энергияның сақталу заңдары желдің кинетикалық энергиясының 16/27 (59%) -ден артығын алуға мүмкіндік бермейтінін көрсетті. Қазіргі турбиналардың жобаларында осы Бетц шегіне жақындасуға болады, олар теориялық Бетц шегінің 70-80% -ына жете алады. Жел турбинасының аэродинамикасы күрделі. Лопастьтардағы ауа ағыны турбинадан алыс жердегі ауа ағынымен бірдей емес. Энергияны ауадан алудың өзі турбинаның ауаны ауытқуына себеп болады. Бұл "ояну әсері" деп аталатын, төмен жатқан объектілерге немесе басқа турбиналарға әсер етеді. Сонымен қатар, ротор бетіндегі жел турбинасының аэродинамикасы басқа аэродинамикалық салаларда сирек кездесетін құбылыстарды көрсетеді. Жел турбинасының лопастьтарының пішіні мен өлшемдері желден энергияны тиімді алу үшін қажетті аэродинамикалық көрсеткіштермен және лопастьтарға түсетін күштерге төтеп беру үшін қажетті беріктікпен анықталады. Лопастьтардың аэродинамикалық жобалауынан басқа, толық жел қуатын өндіру жүйесін жобалауда орнатудың роторлық торабы, нацель, мұнара құрылымы, генератор, басқару және негіздің жобасы да қарастырылуы керек.

Wind turbines are devices that convert the wind's kinetic energy into electrical power. The result of over a millennium of windmill development and modern engineering, today's wind turbines are manufactured in a wide range of horizontal axis and vertical axis types. The smallest turbines are used for applications such as battery charging for auxiliary power. Slightly larger turbines can be used for making small contributions to a domestic power supply while selling unused power back to the utility supplier via the electrical grid. Arrays of large turbines, known as wind farms, have become an increasingly important source of renewable energy and are used in many countries as part of a strategy to reduce their reliance on fossil fuels. Wind turbine design is the process of defining the form and specifications of a wind turbine to extract energy from the wind. A wind turbine installation consists of the necessary systems needed to capture the wind's energy, point the turbine into the wind, convert mechanical rotation into electrical power, and other systems to start, stop, and control the turbine. In 1919, the German physicist Albert Betz showed that for a hypothetical ideal wind energy extraction machine, the fundamental laws of conservation of mass and energy allowed no more than 16/27 (59%) of the kinetic energy of the wind to be captured. This Betz limit can be approached in modern turbine designs, which may reach 70 to 80% of the theoretical Betz limit. The aerodynamics of a wind turbine are not straightforward. The airflow at the blades is not the same as the airflow far away from the turbine. The very nature of how energy is extracted from the air also causes air to be deflected by the turbine. This affects the objects or other turbines downstream, which is known as "wake effect". Also, the aerodynamics of a wind turbine at the rotor surface exhibit phenomena that are rarely seen in other aerodynamic fields. The shape and dimensions of the blades of the wind turbine are determined by the aerodynamic performance required to efficiently extract energy from the wind, and by the strength required to resist the forces on the blade. In addition to the aerodynamic design of the blades, the design of a complete wind power system must also address the design of the installation's rotor hub, nacelle, tower structure, generator, controls, and foundation.

Тарих

thumbdeviceЧарльз Ф. Браштің 1888 жылғы жел диірмені, электр қуатын өндіру үшін пайдаланылды. Адамдар желге желкенді салғалы бері жел энергиясы қолданылып келеді. 9 ғасырда қазіргі Иран, Ауғанстан және Пәкістан жерінде астық ұнтақтау және су сорғылау үшін желмен жұмыс істейтін машиналар, жел диірмені мен жел сорғысы пайда болды. Жел қуаты кеңінен қолданылған және тез ағатын өзендер жағалауымен шектелмеген, сондай-ақ кейіннен отын көздерін қажет еткен жоқ. Желмен жұмыс істейтін сорғылар Нидерландтың полирлерін құрғақтатты, ал Американың орталық батысы мен Австралияның шөлді аймақтарында жел сорғылары мал мен бу машиналарына су жеткізді. Электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылатын алғашқы жел диірменін 1887 жылдың шілде айында Шотландияда Глазгодағы Андерсон колледжінің профессоры Джеймс Блайт (Стратклайд университетінің алдағысы) салды. Блайттың жоғары матадан жасалған жел турбинасы Кинкардинширдегі Мэрикирктегі демалыс үйінің бақшасына орнатылды және француз ғалымы Камиль Альфонс Фур әзірлеген аккумуляторларды зарядтау үшін пайдаланылды. Блайт Мэрикерк тұрғындарына қаланың басты көшесін жарықтандыру үшін артық электр қуатын ұсынды, бірақ олар электр қуаты "шайтанның ісі" деп ойлағандықтан ұсыныстан бас тартты. Бұл диірмен оның инженерлік компаниясымен үйінде салынды және 1886 жылдан 1900 жылға дейін жұмыс істеді. Браш жел турбинасының роторы белгілі диаметрде болды және мұнараға орнатылды. Бүгінгі стандарттармен салыстырғанда үлкен болғанымен, машинаның қуаты 12 кВт-қа тең болды. Қосқан динамо батареяларды зарядтауға немесе Браштың зертханасындағы 100 шамшыраққа, үш доға шамға және әртүрлі моторларға қуат беруге қолданылды. Электр қуатының дамуымен жел энергиясы орталықтандырылған қуаттан шалқап жатқан ғимараттарды жарықтандыруда жаңа қолданыстар тапты. 20 ғасыр бойы параллель жолдар фермаларға немесе тұрғын үйлерге қолайлы шағын жел станцияларын дамытты. 1932 жылдан бастап Австралиядағы көптеген оқшауланған үйлерде жарық пен электр желдеткіштері батареялардан жұмыс істеді, оларды "Freelite" желмен жұмыс істейтін генератор зарядтады, ол желдің жылдамдығы аз болғанда 100 ватт электр қуатын өндірді. 1973 жылғы мұнай дағдарысы Дания мен АҚШ-тағы зерттеулерді бастады, нәтижесінде электр қуат желілеріне қосылатын, ірі масштабты жел генераторлары пайда болды. 2008 жылы АҚШ-тың орнатылған қуаты 25,4 гигаваттқа жетті, ал 2012 жылы орнатылған қуаты 60 гигаваттты құрады. Бүгінде желмен жұмыс істейтін генераторлар әр түрлі өлшемде жұмыс істейді, олар оқшауланған тұрғын үйлерде батареяларды зарядтауға арналған шағын станциялардан бастап, ұлттық электр желілеріне электр қуатын жеткізетін гигаватт көлеміндегі теңіздегі жел электр станцияларына дейін жетеді. Еуропалық Одақ осы перспективаларды кеңейту үшін жұмыс істейді. 2023 жылы әлемдік жел энергиясы секторы елеулі өсімді бастан кешірді, электр желісіне 116,6 гигаватт (ГВт) жаңа қуат қосылды, бұл 2022 жылы қосылған көлемге қарағанда 50% көп. Осы өсімнің нәтижесінде жыл соңына дейін әлемдегі жел қуатының жалпы орнатылған қуаты 1021 ГВт-қа жетті, бұл өткен жылмен салыстырғанда 13% өсімді білдіреді.

thumb|Charles F. Brush's windmill of 1888, used for generating electric power. Wind power has been used as long as humans have put sails into the wind. Wind powered machines used to grind grain and pump water, the windmill and wind pump, were developed in what is now Iran, Afghanistan, and Pakistan by the 9th century. Wind power was widely available and not confined to the banks of fast flowing streams, or later, requiring sources of fuel. Wind powered pumps drained the polders of the Netherlands, and in arid regions such as the American mid west or the Australian outback, wind pumps provided water for livestock and steam engines. The first windmill used for the production of electric power was built in Scotland in July 1887 by Prof James Blyth of Anderson's College, Glasgow (the precursor of Strathclyde University). Blyth's high cloth sailed wind turbine was installed in the garden of his holiday cottage at Marykirk in Kincardineshire, and was used to charge accumulators developed by the Frenchman Camille Alphonse Faure, to power the lighting in the cottage, Blyth offered the surplus electric power to the people of Marykirk for lighting the main street, however, they turned down the offer as they thought electric power was "the work of the devil." This was built by his engineering company at his home and operated from 1886 until 1900. The Brush wind turbine had a rotor in diameter and was mounted on an tower. Although large by today's standards, the machine was only rated at 12 kW. The connected dynamo was used either to charge a bank of batteries or to operate up to 100 incandescent light bulbs, three arc lamps, and various motors in Brush's laboratory. With the development of electric power, wind power found new applications in lighting buildings remote from centrally generated power. Throughout the 20th century parallel paths developed small wind stations suitable for farms or residences. From 1932 many isolated properties in Australia ran their lighting and electric fans from batteries, charged by a "Freelite" wind driven generator, producing 100watts of electrical power from as little wind speed as
The 1973 oil crisis triggered the investigation in Denmark and the United States that led to larger utility scale wind generators that could be connected to electric power grids for remote use of power. By 2008, the U. S. installed capacity had reached 25.4 gigawatts, and by 2012 the installed capacity was 60 gigawatts. Today, wind powered generators operate in every size range between tiny stations for battery charging at isolated residences, up to gigawatt sized offshore wind farms that provide electric power to national electrical networks. The European Union is working to augment these prospects. In 2023, the global wind power sector experienced significant growth, with 116.6 gigawatts (GW) of new capacity added to the power grid, representing a 50% increase over the amount added in 2022. This surge in capacity brought the total installed wind power capacity worldwide to 1,021 GW by the end of the year, marking a growth of 13% compared to the previous year.