Введение

Производство электроэнергии от ветра

Энергия ветра – это использование энергии ветра для выполнения полезной работы. Исторически ветровая энергия использовалась для парусов, ветряных мельниц и ветряных насосов, но сегодня она в основном используется для выработки электроэнергии. В данной статье рассматривается исключительно ветровая энергетика для производства электроэнергии. В настоящее время энергия ветра вырабатывается почти исключительно ветровыми турбинами, как правило, объединенными в ветропарки и подключенными к электрической сети. В 2022 году ветер обеспечил более 2000 ТВтч электроэнергии, что составило более 7% мирового производства электроэнергии и около 2% мирового потребления энергии. Благодаря добавлению около 100 ГВт в 2021 году, в основном в Китае и Соединенных Штатах, общая установленная мощность ветроэнергетики в мире превысила 800 ГВт. Для достижения целей Парижского соглашения по ограничению изменения климата аналитики считают необходимым значительно ускорить ее развитие – более чем на 1% прироста выработки электроэнергии в год. Ветровая энергия считается устойчивым, возобновляемым источником энергии, оказывающим значительно меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению со сжиганием ископаемого топлива. Ветровая энергия непостоянна, поэтому для обеспечения надежного электроснабжения требуются системы хранения энергии или другие регулируемые источники генерации. Наземные ветропарки оказывают большее визуальное воздействие на ландшафт, чем большинство других электростанций, в расчете на единицу произведенной энергии. Оффшорные ветроэлектростанции оказывают меньшее визуальное воздействие и имеют более высокие коэффициенты использования установленной мощности, хотя обычно они дороже в строительстве. Ветровая энергия является одним из самых дешевых источников электроэнергии в пересчете на единицу произведенной энергии. Во многих регионах новые наземные ветропарки обходятся дешевле, чем новые угольные или газовые электростанции. В большинстве регионов выработка энергии ветром выше ночью и зимой, когда выработка солнечной энергии снижается. По этой причине комбинации ветровой и солнечной энергии подходят для многих стран.

Ресурсы энергии ветра

Ветер – это движение воздуха в атмосфере Земли. За единицу времени, например, 1 секунду, объём воздуха, прошедший через определённую площадь, равен. Если плотность воздуха равна ρ, масса этого объёма воздуха равна m, а передача мощности, или перенос энергии в секунду, – P. Мощность ветра, таким образом, пропорциональна кубу скорости ветра; доступная мощность увеличивается в восемь раз при удвоении скорости ветра. Изменение скорости ветра в 2,1544 раза увеличивает мощность ветра на один порядок величины (умножение на 10). Глобальная кинетическая энергия ветра в среднем составляла приблизительно 1,50 МДж/м² в период с 1979 по 2010 год, 1,31 МДж/м² в Северном полушарии и 1,70 МДж/м² в Южном полушарии. Атмосфера функционирует как тепловой двигатель, поглощая тепло при более высоких температурах и отдавая тепло при более низких. Этот процесс обеспечивает производство кинетической энергии ветра со скоростью 2,46 Вт/м², поддерживая тем самым циркуляцию атмосферы, преодолевая трение. Оценка ветровых ресурсов позволяет определить потенциал ветроэнергетики в глобальном масштабе, по странам или регионам, или для конкретной площадки. Глобальный атлас ветроэнергетики, разработанный Техническим университетом Дании в партнёрстве со Всемирным банком, предоставляет глобальную оценку потенциала ветроэнергетики. В отличие от «статических» атласов ветровых ресурсов, которые усредняют оценки скорости ветра и плотности мощности за несколько лет, инструменты, такие как Renewables.ninja, обеспечивают моделирование скорости ветра и выходной мощности различных моделей ветровых турбин с почасовым разрешением. Более детальные оценки потенциала ветровых ресурсов для конкретных площадок можно получить у специализированных коммерческих поставщиков, а многие крупные ветроэнергетические компании располагают собственными возможностями моделирования. Общий объём экономически извлекаемой энергии ветра значительно превышает текущее потребление энергии человеком из всех источников. Сила ветра меняется, и среднее значение для конкретной локации само по себе не указывает на объём энергии, который может произвести ветряная турбина в этом месте. Для оценки перспективных площадок для ветроэнергетики часто подбирается функция распределения вероятностей, соответствующая наблюдаемым данным о скорости ветра. Разные локации будут иметь различные распределения скорости ветра. Модель Вейбулла точно отражает фактическое распределение почасовых/десятиминутных скоростей ветра во многих местах. Фактор Вейбулла часто близок к 2, поэтому распределение Рэлея можно использовать как менее точную, но более простую модель.

Характеристики генератора и стабильность

Большинство современных турбин используют генераторы с переменной скоростью в сочетании с частичным или полномасштабным преобразователем мощности между турбинным генератором и системой сбора энергии, которые, как правило, обладают более предпочтительными характеристиками для подключения к энергосети и способны выдерживать кратковременные понижения напряжения. Современные турбины используют либо электрические машины с двойным питанием и частичными преобразователями мощности, либо асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором, либо синхронные генераторы (как с постоянными, так и с электромагнитным возбуждением) с полномасштабными преобразователями. Возможность "черного пуска" существует и активно развивается для регионов (например, Айовы), где большая часть электроэнергии вырабатывается ветром. Операторы передающих сетей предоставляют разработчику ветропарка технические условия на подключение к передающей сети, определяющие требования к коэффициенту мощности, стабильности частоты и динамическому поведению турбин ветропарка при возникновении аварийных ситуат в энергосистеме.

Морская ветроэнергетика

Оффшорная ветроэнергетика – это ветропарки, расположенные в крупных водоемах, как правило, в море. Эти установки могут использовать более частые и сильные ветры, доступные в этих районах, и оказывают меньшее визуальное воздействие на окружающий ландшафт по сравнению с наземными проектами. Однако затраты на строительство и обслуживание значительно выше. По состоянию на ноябрь 2021 года крупнейшим в мире оффшорным ветропарком является ветропарк Hornsea в Великобритании мощностью 1218 МВт.

Сеть сбора и передачи

Оффшорные ветропарки, расположенные вблизи берега, могут быть подключены по переменному току (AC), а удаленные – по постоянному току высокого напряжения (HVDC). Ресурсы ветроэнергетики не всегда находятся рядом с районами высокой плотности населения. С увеличением длины линий электропередачи растут и потери при передаче электроэнергии, поскольку существующие виды потерь усиливаются, а новые становятся существенными; это затрудняет транспортировку больших объемов электроэнергии на большие расстояния. Если пропускная способность линий электропередачи недостаточна для передачи всей вырабатываемой энергии, ветропарки вынуждены снижать выработку или полностью останавливаться – этот процесс называется curtailment (ограничением генерации). Это приводит к недоиспользованию потенциала возобновляемой генерации, но предотвращает перегрузку сети и риски для надежности энергоснабжения. Одной из основных проблем интеграции ветроэнергетики в некоторых странах является необходимость строительства новых линий электропередачи для транспортировки электроэнергии от ветропарков, обычно расположенных в удаленных малонаселенных районах с благоприятными ветровыми условиями, к центрам потребления, как правило, на побережье, где плотность населения выше. Существующие линии электропередачи в удаленных районах могут быть не рассчитаны на передачу больших объемов энергии. В некоторых географических регионах пиковые скорости ветра могут не совпадать с пиковым спросом на электроэнергию, как в оффшорной, так и в наземной ветроэнергетике. В будущем одним из возможных решений может стать создание глобальной сети HVDC, объединяющей удаленные географические регионы.

Тенденции роста

В 2020 году ветровая энергия произвела почти 1600 ТВтч электроэнергии, что составило более 5% мирового производства электроэнергии и около 2% общего потребления энергии. Фактическое количество электроэнергии, которое ветрогенераторы могут произвести, рассчитывается путем умножения их номинальной мощности на коэффициент использования установленной мощности, который меняется в зависимости от оборудования и местоположения. Оценки коэффициента использования установленной мощности для ветровых электростанций находятся в диапазоне от 35% до 44%.

Коэффициент мощности

Поскольку скорость ветра непостоянна, годовая выработка энергии ветроэлектростанции никогда не достигает суммы номинальной мощности всех генераторов, умноженной на количество часов в году. Отношение фактической выработки за год к этому теоретическому максимуму называется коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ). Данные для некоторых местоположений доступны онлайн, и КИУМ можно рассчитать на основе годовой выработки.

Проникновение

Проникновение ветроэнергии – это доля энергии, произведенной ветром, в общем объеме выработки. Доля ветроэнергии в мировом электропотреблении в 2021 году составила почти 7%, по сравнению с 3,5% в 2015 году. Общепринятого максимального уровня проникновения ветроэнергии не существует. Предел для конкретной энергосистемы будет зависеть от существующих генерирующих мощностей, механизмов ценообразования, возможностей накопления энергии, управления спросом и других факторов. В объединенную электрическую сеть уже включены резервные генерирующие и передающие мощности для компенсации выхода из строя оборудования. Эти резервные мощности также могут использоваться для компенсации колебаний выработки электроэнергии ветроэлектростанциями. Исследования показывают, что 20% от общего годового потребления электроэнергии может быть интегрировано с минимальными трудностями. Эти исследования проводились для регионов с географически распределенными ветропарками, некоторой долей регулируемой генерации или гидроаккумулирующей электроэнергией, системами управления спросом и подключением к обширной энергосистеме, позволяющей экспортировать электроэнергию при необходимости. Электроэнергетические компании продолжают изучать влияние масштабного проникновения ветрогенерации на стабильность системы. Показатель проникновения ветроэнергии может быть определен для различных периодов времени, но чаще всего он указывается за год. Для выработки почти всей электроэнергии за счет ветра ежегодно требуется существенное межсистемное соединение, например, часть ветроэнергии, вырабатываемой в Шотландии, направляется в остальную часть британской энергосистемы. В масштабах месяца, недели, дня или часа – или даже меньшего периода времени – ветер может обеспечивать столько же или больше 100% текущего потребления, при этом излишки накапливаются, экспортируются или ограничиваются. Сезонные отрасли могут использовать преимущества сильного ветра и низкого потребления, например, ночью, когда выработка энергии ветром может превышать нормальный спрос. Такие отрасли могут включать производство кремния, алюминия, стали или природного газа, а также водорода, и использование перспективных технологий долгосрочного хранения для обеспечения 100% энергоснабжения из возобновляемых источников энергии переменной генерации. Дома и предприятия также могут быть запрограммированы на изменение спроса на электроэнергию, например, путем дистанционного регулирования температуры воды в водонагревателях.

Изменчивость

Ветроэнергетика характеризуется переменчивостью, и в периоды слабого ветра может потребоваться замена другими источниками энергии. Передающие сети в настоящее время справляются с отключениями других электростанций и суточными изменениями потребления электроэнергии, однако изменчивость непостоянных источников энергии, таких как ветроэнергетика, проявляется чаще, чем у традиционных электростанций, которые, при плановой работе, способны выдавать свою номинальную мощность около 95% времени. Электроэнергия, генерируемая ветроэнергетическими установками, может значительно меняться в различных временных масштабах: почасово, ежедневно или сезонно. Годовые колебания также существуют, но менее значительны. Поскольку мгновенная генерация и потребление электроэнергии должны оставаться сбалансированными для поддержания стабильности сети, эта изменчивость создает существенные трудности при интеграции больших объемов ветроэнергии в энергосистему. Прерывистость и нерегулируемый характер производства ветроэнергии могут повысить затраты на регулирование, дополнительный оперативный резерв и (при высокой доле ветроэнергетики) потребовать увеличения уже существующих мер по управлению спросом, отключения нагрузки, систем хранения энергии или системного соединения с использованием высоковольтных кабелей постоянного тока (HVDC). Колебания нагрузки и учет возможных отказов крупных генерирующих установок на ископаемом топливе требуют наличия оперативного резерва мощности, который можно увеличить для компенсации изменчивости ветрогенерации. Аккумуляторные батареи большой мощности часто используются для балансировки почасовых и краткосрочных колебаний, но автомобильные аккумуляторы могут получить распространение с середины 2020-х годов. Сторонники ветроэнергетики утверждают, что периоды слабого ветра можно преодолеть путем перезапуска существующих электростанций, находящихся в резерве, или путем объединения с системами HVDC. Комбинация диверсификации переменных возобновляемых источников энергии по типу и местоположению, прогнозирования их изменений и интеграции с регулируемыми возобновляемыми источниками энергии, гибкими генераторами и управлением спросом может создать энергосистему, способную надежно удовлетворять потребности в электроснабжении. Интеграция все более высоких долей возобновляемых источников энергии успешно демонстрируется в реальных условиях. [[Файл: Seasonal cycle of capacity factors for wind and photovoltaics in Europe under idealized assumptions. png|thumb|Сезонный цикл коэффициентов использования мощности ветровых и фотоэлектрических установок в Европе при идеализированных предположениях. Рисунок иллюстрирует балансирующий эффект ветровой и солнечной энергии в сезонном масштабе (Kaspar et al., 2019). В ежедневном и недельном масштабах области высокого давления обычно приносят ясное небо и слабый ветер, в то время как области низкого давления обычно более ветреные и облачные. В сезонном масштабе солнечная энергия достигает пика летом, в то время как во многих регионах энергия ветра ниже летом и выше зимой. Таким образом, сезонные колебания ветровой и солнечной энергии в некоторой степени компенсируют друг друга. Гибридные ветроэнергетические системы становятся все более популярными.

Предсказуемость

Для любого конкретного генератора существует 80% вероятность того, что выходная мощность ветрогенератора изменится менее чем на 10% в течение часа и 40% вероятность того, что она изменится на 10% или более в течение 5 часов. Летом 2021 года выработка ветровой энергии в Великобритании снизилась из-за самых слабых ветров за семьдесят лет. В будущем сглаживание пиковых нагрузок за счет производства зеленого водорода может оказаться полезным, когда доля ветровой генерации в общем объеме выработки возрастет. Хотя выходная мощность отдельной турбины может значительно и быстро меняться в зависимости от локальной скорости ветра, по мере подключения большего количества турбин на больших площадях средняя выходная мощность становится менее переменной и более предсказуемой. Прогнозирование погоды позволяет подготовить электросеть к ожидаемым изменениям в выработке. Считается, что наиболее надежные системы низкоуглеродной электроэнергетики будут включать в себя значительную долю ветровой энергии.

Хранение энергии

Обычно, традиционная гидроэлектроэнергетика хорошо сочетается с ветроэнергетикой. Когда ветер сильный, расположенные поблизости гидроэлектростанции могут временно приостановить сброс воды. Когда ветер стихает, они могут, при наличии достаточной генерирующей мощности, быстро увеличить выработку, чтобы компенсировать это. Это обеспечивает очень стабильное общее энергоснабжение, практически без потерь энергии и без дополнительного расхода воды. В качестве альтернативы, при отсутствии подходящего напора воды, можно использовать гидроаккумулирующие электростанции или другие системы накопления энергии в сети, такие как накопление энергии сжатого воздуха и теплоаккумулирующие системы, для хранения энергии, вырабатываемой в периоды сильного ветра, и последующей отдачи ее в сеть по мере необходимости. Необходимый тип накопителя зависит от уровня проникновения ветроэнергетики – при низком уровне требуется суточное накопление, а при высоком – как краткосрочное, так и долгосрочное, сроком до месяца и более. Накопленная энергия повышает экономическую ценность ветроэнергии, поскольку ее можно использовать для замещения более дорогой генерации в периоды пикового спроса. Потенциальная прибыль от такой арбитражной торговли может компенсировать затраты и потери, связанные с накоплением. Хотя гидроаккумулирующие электростанции имеют эффективность около 75% и высокие капитальные затраты, их низкие эксплуатационные расходы и способность снижать необходимую электрическую базовую нагрузку позволяют экономить как топливо, так и общие затраты на производство электроэнергии.

Возврат энергии

Энергия, затраченная на строительство ветропарка, деленная на общий объем выработанной им энергии за весь срок службы, – показатель энергетической отдачи на вложенные затраты для ветровой энергии – варьируется, но в среднем составляет около 20–25. Таким образом, период окупаемости энергии обычно составляет около года.

Экономика

Стоимость энергии ветра на суше за киловатт-час между 1983 и 2017 годами.
Наземный ветер – это недорогой источник электроэнергии, более дешевый, чем угольные и новые газовые электростанции. В 2021 году генеральный директор Siemens Gamesa предупредил, что возросший спрос на недорогие ветряные турбины в сочетании с высокими ценами на исходные материалы и сталь оказывает повышенное давление на производителей и снижает их прибыль. Северная Евразия, Канада, некоторые регионы Соединенных Штатов и Патагония в Аргентине – лучшие районы для развития наземной ветроэнергетики, в то время как в других частях мира солнечная энергия или комбинация ветровой и солнечной энергии, как правило, обходятся дешевле.

Стоимость электроэнергии и тенденции

Конвой с турбинными лопастями проезжает через Эденфилд в Великобритании (2008). Сейчас производятся еще более длинные двухсекционные лопасти, которые затем собираются на месте, чтобы облегчить транспортировку. Ветроэнергетика требует значительных капиталовложений, но не предполагает затрат на топливо. Поэтому цена на ветроэнергию гораздо стабильнее, чем волатильные цены на ископаемое топливо. Однако расчетная средняя стоимость единицы электроэнергии должна включать затраты на строительство турбины и передающих устройств, заемные средства, доходность для инвесторов (включая стоимость риска), расчетный годовой объем производства и другие компоненты, усредненные за прогнозируемый срок службы оборудования, который может превышать 20 лет. Оценки стоимости энергии сильно зависят от этих предположений, поэтому опубликованные данные о стоимости могут существенно различаться. Наличие ветроэнергии, даже субсидируемой, может снизить затраты для потребителей (5 млрд евро в год в Германии) за счет снижения предельной цены и минимизации использования дорогих пиковых электростанций. Стоимость снизилась по мере совершенствования технологии ветровых турбин. Сейчас доступны более длинные и легкие лопасти ветровых турбин, улучшена производительность турбин и повышена эффективность выработки электроэнергии. Кроме того, капитальные и эксплуатационные затраты на ветроэнергетические проекты продолжают снижаться. В 2021 году исследование Lazard, посвященное электроэнергии без субсидий, показало, что приведенная стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветром, продолжает снижаться, но медленнее, чем раньше. В исследовании оценивалась стоимость новой электроэнергии, вырабатываемой ветром, в диапазоне от 26 до 50 долларов США за МВтч по сравнению с новой газовой электроэнергией от 45 до 74 долларов США за МВтч. Средняя стоимость существующей угольной электростанции после полной амортизации составила 42 доллара США за МВтч, атомной – 29 долларов США за МВтч, а газовой – 24 доллара США за МВтч. В исследовании стоимость морской ветроэнергетики оценивалась примерно в 83 доллара США за МВтч. Среднегодовой темп роста составил 4% в период с 2016 по 2021 год по сравнению с 10% в период с 2009 по 2021 год.

Стимулы и социальные льготы

Цены на турбины значительно снизились в последние годы из-за усиления конкуренции, обусловленного, в частности, ростом числа энергетических аукционов и отменой субсидий на многих рынках. По состоянию на 2021 год субсидии все еще часто предоставляются для морской ветроэнергетики. Однако для наземной ветроэнергетики они, как правило, больше не требуются в странах даже с очень низкой ценой на выбросы углерода, таких как Китай, при условии отсутствия субсидий на ископаемое топливо. Рыночные механизмы стимулируют предприятия использовать электроэнергию, произведенную ветром, даже если она стоит дороже. Например, социально ответственные производители платят энергетическим компаниям дополнительную плату, которая направляется на субсидирование и строительство новой ветроэнергетической инфраструктуры. Компании используют электроэнергию, произведенную ветром, и взамен могут заявлять о своей активной "зеленой" позиции. Ветроэнергетические проекты обеспечивают местные налоги или платежи в качестве налогов и укрепляют экономику сельских районов, предоставляя доход фермерам, на землях которых установлены ветровые турбины. Ветроэнергетический сектор также создает рабочие места на этапах строительства и эксплуатации. Это включает в себя производство ветровых турбин, а также процесс строительства, включающий транспортировку, монтаж и последующее обслуживание турбин. По оценкам, в 2020 году в ветроэнергетике было занято 1,25 миллиона человек.

Маломасштабная ветроэнергетика

небольшая ветровая турбина Quietrevolution QR5 типа Горлова на крыше Bristol Beacon в Бристоле, Англия. Диаметр – 3 м, высота – 5 м, номинальная мощность – 6,5 кВт. Маломасштабная ветроэнергетика – это термин, используемый для обозначения систем ветрогенерации, способных производить до 50 кВт электроэнергии. Изолированные сообщества, которые в противном случае могут полагаться на дизельные генераторы, могут использовать ветряные турбины в качестве альтернативы. Частные лица могут приобретать эти системы для снижения или устранения зависимости от электроэнергии из сети по экономическим причинам или для уменьшения своего углеродного следа. Ветряные турбины для производства электроэнергии в домашних хозяйствах в сочетании с аккумуляторными батареями используются на протяжении многих десятилетий в отдаленных районах. Примеры проектов малой ветроэнергетики в городской среде можно найти в Нью-Йорке, где с 2009 года несколько строительных проектов оснастили свои крыши спиральными ветровыми турбинами типа Горлова. Хотя вырабатываемая ими энергия невелика по сравнению с общим потреблением зданий, они помогают укрепить «зеленые» характеристики здания таким образом, который недоступен при простом «показе людям вашего высокотехнологичного котла», при этом некоторые проекты также получают прямую поддержку Управления энергетических исследований и развития штата Нью-Йорк. Домашние ветровые турбины, подключенные к сети, могут использовать системы накопления энергии в сети, заменяя приобретенную электроэнергию местной электроэнергией, когда она доступна. Избыточная энергия, производимая домашними микрогенераторами, в некоторых юрисдикциях может направляться в сеть и продаваться энергоснабжающей компании, предоставляя владельцам микрогенераторов розничный кредит для компенсации затрат на энергию. Пользователи автономных систем могут либо адаптироваться к непостоянной энергии, либо использовать батареи, фотоэлектрические системы или дизельные системы для дополнения ветряной турбины. Небольшая ветровая турбина, возможно, в сочетании с фотоэлектрической системой, которая заряжает небольшую батарею, заменяя необходимость подключения к электросети, может питать такое оборудование, как парковочные счетчики, дорожные предупреждающие знаки, уличное освещение или беспроводные интернет-шлюзы. Воздушные ветряные турбины, такие как воздушные змеи, могут использоваться в местах, подверженных риску ураганов, поскольку их можно демонтировать заранее.

Влияние на окружающую среду и ландшафт

Выбросы парниковых газов в зависимости от источника энергии. Энергия ветра – один из источников с наименьшими выбросами парниковых газов. Изображение: скот, пасущийся рядом с ветряной турбиной. Экологическое воздействие выработки электроэнергии из ветровой энергии незначительно по сравнению с воздействием электростанций, работающих на ископаемом топливе. Использование инженерной древесины может позволить получать ветровую энергию с отрицательным углеродным следом. Ветровая энергия не потребляет топлива и не производит локального загрязнения воздуха, в отличие от источников энергии на ископаемом топливе. Наземные ветропарки могут оказывать значительное визуальное воздействие. Из-за очень низкой удельной мощности и требований к расстоянию между турбинами ветропарки обычно занимают большую площадь, чем другие электростанции. Их сеть турбин, подъездных дорог, линий электропередач и подстанций может приводить к "энергетическому разрастанию"; Некоторые ветропарки подвергаются критике из-за потенциального ущерба охраняемым живописным зонам, археологическим ландшафтам и объектам культурного наследия. В отчете Совета по альпинизму Шотландии говорится, что ветропарки наносят ущерб туризму в районах, известных своими природными ландшафтами и панорамными видами. Потеря и фрагментация среды обитания – наиболее значимые потенциальные последствия для дикой природы, связанные с наземными ветропарками. Тысячи птиц и летучих мышей, включая редкие виды, погибают, сталкиваясь с лопастями ветряных турбин, хотя ветровые турбины ответственны за гораздо меньшее количество гибели птиц, чем электростанции на ископаемом топливе. Это можно смягчить с помощью надлежащего мониторинга дикой природы. Многие лопасти ветряных турбин изготавливаются из стекловолокна и имеют срок службы 20 лет. Лопасти полые: некоторые измельчают для уменьшения объема, а затем отправляют на полигон. Однако, благодаря своей прочности, их можно использовать для строительства долговечных небольших мостов для пешеходов или велосипедистов. Утилизация лопастей – сложная задача, и лопасти, произведенные в 2020-х годах, с большей вероятностью будут спроектированы для полной переработки. Ветряные турбины также производят шум. На расстоянии, этот шум может достигать примерно 45 дБ, что немного громче, чем звук холодильника. На расстоянии, шум становится неслышимым. Существуют отдельные сообщения о негативном влиянии на здоровье людей, живущих в непосредственной близости от ветряных турбин. Научные исследования, как правило, не подтверждают эти утверждения.

Общественное мнение

Принятие ветровых и солнечных установок в своем сообществе выше среди демократов США (синий цвет), а принятие атомных электростанций – среди республиканцев США (красный цвет). Опросы общественного мнения, проведенные в Европе и многих других странах, демонстрируют широкую общественную поддержку ветроэнергетики. Баккер и др. (2012) в своем исследовании обнаружили, что жители, выступающие против строительства ветряных турбин рядом с их домом, испытывали значительно больший стресс, чем те, кто "получал экономическую выгоду от ветряных турбин". Несмотря на популярность ветроэнергетики, наземные и прибрежные ветропарки иногда вызывают возражения из-за их влияния на ландшафт (особенно на живописные, исторические и археологические территории), а также из-за шума и воздействия на туризм. В других случаях ветропарки находятся в прямой собственности местных сообществ. Поддержка этому демонстрируется сотнями тысяч людей, участвующих в развитии малых и средних ветровых электростанций в Германии. Опрос Harris Poll, проведенный в 2010 году, показал высокую поддержку ветроэнергетики в Германии, других европейских странах и Соединенных Штатах. Общественная поддержка в США снизилась с 75% в 2020 году до 62% в 2021 году, при этом Демократическая партия поддерживает использование ветроэнергии в два раза активнее, чем Республиканская. Президент Байден подписал указ о начале строительства крупных ветропарков. В Китае Шэнь и др. (2019) обнаружили, что жители китайских городов могут негативно относиться к строительству ветряных турбин в городских районах, причем удивительно большая доля людей выражает необоснованный страх перед радиацией как причину своих опасений. Кроме того, исследование показало, что, как и респонденты из стран ОЭСР, жители китайских городов чувствительны к прямым затратам и воздействию на дикую природу. Предоставление общественности соответствующей информации о ветряных турбинах может снизить сопротивление.

Сообщество

Ветротурбины, такие как эти, в Камбрии, Англия, встречают сопротивление по ряду причин, включая эстетические соображения, со стороны некоторых слоев населения. Многие ветроэнергетические компании сотрудничают с местными сообществами, чтобы снизить экологические и другие опасения, связанные с конкретными ветропарками. В других случаях наблюдается прямое участие местных сообществ в собственности на проекты ветропарков. Надлежащие государственные консультации, планирование и процедуры утверждения также помогают минимизировать экологические риски. Некоторые по-прежнему могут возражать против ветровых электростанций и учитывать мнение более широкого сообщества. В США сообщается, что проекты в области ветроэнергетики увеличивают местную налоговую базу, помогая финансировать школы, дороги и больницы, а также способствуют возрождению экономики сельских районов, обеспечивая стабильный доход фермерам и другим землевладельцам. Панорамный вид на ветропарк Уайтли в Великобритании с водохранилищем Локгойн на переднем плане. Некоторые ветропарки стали туристическими достопримечательностями. В Центре для посетителей ветропарка Уайтли есть выставочный зал, учебный центр, кафе со смотровой площадкой и магазин. Управляется Глазго научным центром. В Дании схема компенсации за снижение стоимости позволяет людям требовать возмещение убытков, связанных со снижением стоимости их собственности, если это вызвано близостью к ветротурбине. Убыток должен составлять не менее 1% от стоимости собственности. Несмотря на общую поддержку концепции ветроэнергетики в обществе, местное сопротивление часто существует и приводило к задержкам или отмене ряда проектов. Помимо опасений по поводу ландшафта, есть опасения, что некоторые установки могут создавать чрезмерный уровень шума и вибрации, что приводит к снижению стоимости недвижимости. Исследование 50 000 сделок купли-продажи жилья вблизи ветротурбин не выявило статистических доказательств влияния на цены. Хотя эстетические вопросы субъективны, и некоторые считают ветропарки приятными и вселяющими оптимизм, или символами энергетической независимости и местного процветания, часто создаются протестные группы, чтобы попытаться заблокировать строительство некоторых ветроэлектростанций по различным причинам. Часть возражений против ветропарков списывается на синдром "Не в моем дворе" (NIMBY), но исследование, проведенное в 2009 году, показало, что мало доказательств в поддержку убеждения, что жители возражают против ветропарков исключительно из-за такого отношения.

Геополитика

Ветровую энергию нельзя остановить, в отличие от нефти и газа, поэтому она может способствовать энергетической безопасности.

Конструкция турбины

Ветряные турбины – это устройства, преобразующие кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Являясь результатом более чем тысячелетнего развития ветряных мельниц и современных инженерных разработок, современные ветряные турбины производятся в широком диапазоне типов с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Самые маленькие турбины используются для таких задач, как зарядка аккумуляторов для вспомогательного питания. Турбины немного большего размера могут использоваться для внесения небольшого вклада в электроснабжение дома, продавая неиспользованную электроэнергию поставщику через электрическую сеть. Массивы крупных турбин, известные как ветропарки, становятся все более важным источником возобновляемой энергии и используются во многих странах как часть стратегии по снижению зависимости от ископаемого топлива. Проектирование ветряной турбины – это процесс определения формы и характеристик турбины для извлечения энергии из ветра. Ветротурбинная установка состоит из необходимых систем для захвата энергии ветра, ориентации турбины по направлению ветра, преобразования механического вращения в электрическую энергию, а также других систем для запуска, остановки и управления турбиной. В 1919 году немецкий физик Альберт Бетц показал, что для гипотетической идеальной машины по извлечению энергии ветра фундаментальные законы сохранения массы и энергии позволяют улавливать не более 16/27 (59%) кинетической энергии ветра. Этот предел Бетца может быть приближен в современных конструкциях турбин, которые могут достигать 70–80% теоретического предела Бетца. Аэродинамика ветряной турбины не является простой. Воздушный поток вблизи лопастей отличается от воздушного потока на расстоянии от турбины. Сам принцип извлечения энергии из воздуха также приводит к отклонению воздуха турбиной. Это влияет на объекты или другие турбины, расположенные ниже по потоку, что известно как «эффект следа» (или «эффект подветренного потока»). Кроме того, аэродинамика ветряной турбины на поверхности ротора демонстрирует явления, редко встречающиеся в других аэродинамических областях. Форма и размеры лопастей ветряной турбины определяются аэродинамическими характеристиками, необходимыми для эффективного извлечения энергии из ветра, и прочностью, необходимой для противодействия силам, действующим на лопасть. Помимо аэродинамического проектирования лопастей, при проектировании полной системы ветроэнергетики также необходимо учитывать конструкцию роторной втулки установки, гондолы, башни, генератора, систем управления и фундамента.

История

Ветряная мельница Чарльза Ф. Бруша 1888 года, использовавшаяся для выработки электроэнергии. Энергия ветра используется с тех пор, как человек начал использовать паруса. Машины, приводимые в движение ветром и использовавшиеся для помола зерна и перекачки воды – ветряные мельницы и ветряные насосы – были разработаны в современном Иране, Афганистане и Пакистане к IX веку. Энергия ветра была широко доступна и не ограничивалась берегами быстротекущих рек или, позднее, необходимостью в источниках топлива. Ветряные насосы осушали польдеры Нидерландов, а в засушливых регионах, таких как Средний Запад США или австралийская глушь, ветряные насосы обеспечивали водой скот и приводили в действие паровые двигатели. Первая ветряная мельница, использовавшаяся для производства электроэнергии, была построена в Шотландии в июле 1887 года профессором Джеймсом Блайтом из Колледжа Андерсона в Глазго (предшественника Университета Стратклайда). Высокая ветряная турбина Блайта была установлена в саду его загородного дома в Мэрикирке, Кинкардиншир, и использовалась для зарядки аккумуляторов, разработанных французом Камилем Альфонсом Форе, для питания освещения в доме. Блайт предложил излишки электроэнергии жителям Мэрикирка для освещения главной улицы, но они отказались от предложения, полагая, что электричество – это «дело дьявола». Она была построена его инженерной компанией у него дома и работала с 1886 по 1900 год. Ветротурбина Brush имела ротор диаметром и была установлена на башне высотой. Хотя по сегодняшним меркам машина была большой, её мощность составляла всего 12 кВт. Подключенное динамо использовалось либо для зарядки батарей, либо для питания до 100 ламп накаливания, трех дуговых ламп и различных двигателей в лаборатории Бруша. С развитием электроэнергетики ветроэнергетика нашла новые применения в освещении зданий, удаленных от централизованных источников энергии. На протяжении XX века параллельно развивались небольшие ветровые установки, подходящие для ферм или домов. С 1932 года многие изолированные объекты в Австралии использовали освещение и электрические вентиляторы, питаемые от аккумуляторов, заряжаемых ветрогенератором "Freelite", вырабатывающим 100 ватт электроэнергии даже при слабом ветре. Нефтяной кризис 1973 года вызвал исследования в Дании и Соединенных Штатах, которые привели к созданию более крупных ветрогенераторов, способных подключаться к электрическим сетям для удаленного использования энергии. К 2008 году установленная мощность в США достигла 25,4 гигаватт, а к 2012 году – 60 гигаватт. Сегодня ветрогенераторы работают в самых разных масштабах – от крошечных установок для зарядки аккумуляторов в изолированных домах до гигаваттных морских ветропарков, обеспечивающих электроэнергией национальные электросети. Европейский Союз работает над расширением этих перспектив. В 2023 году мировой сектор ветроэнергетики пережил значительный рост: в энергосистему было добавлено 116,6 гигаватт (ГВт) новых мощностей, что на 50% больше, чем в 2022 году. Этот всплеск мощности привел к тому, что общая установленная мощность ветроэнергетики во всем мире к концу года составила 1021 ГВт, что на 13% больше, чем в предыдущем году.