В Шотландии заработала первая в мире плавучая ветроэлектростанция
Норвежская компания Statoil совместно с арабской Masdar 18 октября 2017 года запустили в шотландском Абердиншире первую в мире плавучую ветряную электростанцию Hywind. Согласно сообщению норвежской компании, новая станция мощностью 30 мегаватт заработала в море в 25 километрах от побережья. Она начала поставлять электричество в энергосистему города Питерхед.
Побережье и морские зоны, несколько удаленные от него, являются одними из наиболее удачных мест для размещения ветряных электростанций, поскольку из-за температурного контраста между водой и сушей здесь нередко возникают воздушные потоки достаточной для выработки электроэнергии силы.
Тем не менее, существующие обычные технологии не позволяют устанавливать ветряные генераторы вдали от берега, где глубина воды превышает 60 метров. Технология стабилизированных поплавков, использованная в Hywind, позволяет размещать ветряные генераторы на воде с глубиной до 800 метров. Такая технология позволит странам, имеющим выход к морю, разместить на воде большее количество ветряков.
В состав шотландской плавучей ветроэлектростанции вошли пять ветрогенераторов. Высота мачты ветряка составляет 175 метров, а его масса — около 12 тонн. Ветрогенератор оснащен винтом с тремя лопастями, длина каждой из которых составляет 75 метров.
Мачта ветряка установлена на вытянутом поплавке длиной 78 метров, в котором в качестве стабилизирующего балласта используется железная руда. Кроме того, поплавок под водой удерживается тремя гибкими тросами, закрепленными на дне с помощью тяжелых 60-тонных блоков.
Угол установки лопастей винтов ветрогенератора может изменяться. Его определяет специальное управляющее программное обеспечение, которые вычисляет нужный угол в зависимости от силы качки и ветра. В перспективе Statoil и Masdar намерены оснастить плавучую электростанцию в Шотландии литий-ионной аккумуляторной батареей емкостью один мегаватт-час.
Разработчики полагают, что аккумуляторная батарея позволит накапливать электроэнергию и служить буфером во время пиков энергопотребления. Аккумуляторная батарея для плавучих ветряных электростанций получила название Batwind.
Помимо шотландской Hywind в настоящее время ведется постройка аналогичных плавучих электростанций у побережья американского штата Мэн, а также берегов Испании. Формально первой в мире плавучей электростанцией стала опытная станция у берегов Норвегии. Ее испытывали в 2009-2011 годах. Она действует и сегодня, но к общей энергосети не подключена и используется для доработки технологии.
В начале июня текущего года подразделение Makani американской компании Google испытало новый ветрогенератор, выполненный в виде кордового планера. Новый летающий ветрогенератор должен будет парить на высотах, где практически постоянно присутствует ветер, и вырабатывать электричество.
Аппарат, выполненный в виде самолета, будет специальным тросом соединен с землей. Ветрогенератор, имеющий размах крыла 25,9 метра, будет подниматься на высоту до 305 метров. Аппарат оснащен восемью небольшими генераторами, соединенными с воздушными винтами диаметром 2,3 метра каждый. Мощность испытанного летающего ветрогенератора составила 600 киловатт.
Правильное расположение ветрогенератора
В регионах с высокой скоростью ветра, в прибрежных зонах и на объектах, где в зимний период солнечная электростанция «не справляется», для автономного энергоснабжения используют ветрогенераторные станции – «ветрогенераторы», (сокращённо ВГ). Но на большей территории нашей страны средняя скорость ветра составляет всего 4-5м/сек., тогда как ветрогенератору для выработки «номинальной мощности» требуется 10-12м/сек.. Именно поэтому нет никаких сомнений в важности правильной и продуманной установки устройства, достичения точки, где винт его окажется в зоне с максимальной скоростью ветра.
Мощность ветрогенератора и зависимость от скорости ветра и высоты мачты
Почему же так важно «не потерять» ни одного метра в секунду? Определим зависимость мощности ветрогенератора от скорости ветра.
1. Кинетическая энергия воздуха, движущегося ламинарно (без завихрений) W=1/2mV2, где m — масса воздуха, V – его скорость.
2. Массу воздуха, проходящего за время t и площадь S можно выразить следующим образом: m=VtSρ, где: S – площадь, описываемая винтом ВГ, ρ – плотность воздуха.
3. Чтобы определить мощность (P), делим энергию на время, подставляем выражение для массы, получаем: P=1/2V3Sρ.
4. Если теперь умножить выражение на КПД устройства в целом, включающее в себя коэффициент преобразования лопастей винта, коэффициент полезного действия редуктора и генератора (ƞ), получим реальную мощность «ветряка»: P=1/2V3Sρ ƞ. На практике обычно значение ƞ лежит в пределах 0,4-0,5.
Как видно из расчета, мощность ВГ пропорциональна третей степени скорости ветра, то есть увеличение скорости в 2 раза даст увеличение мощности в 8 раз!
Таким образом, скорость ветра и отсутствие турбулентностей (завихрений) должны иметь решающее значение при выборе места установки ветрогенератора. Из этих соображений идеально подходят:
- берег крупного водоема;
- вершина горы или возвышенности;
- центр протяженного поля.
Увы, в реальной жизни мало кто имеет на своем участке моря, поля и горы. Поэтому принцип только один – чем выше установка, тем лучше. В идеале, Ветрогенератор должен быть выше не менее, чем на 6 (шесть) метров окружающих его предметов (дома, деревьев, строений, возвышенностей), чтобы оказаться в зоне ламинарного движения воздуха.
Приведем простой пример, который можно легко проверить в on-line калькуляторе для расчета на нашем сайте. Рассмотрим модель пятилопастного ветрогенератора HY-1000, стоящий в «бесконечном» поле вблизи Санкт-Петербурга:
- При высоте мачты 5 метров максимальная выработка достигается в сентябре и составляет 1,38кВтч/сутки;
- Если увеличить высоту мачты до 10 метров, получим 2,43 кВтч/сутки;
- Увеличим высоту до 20 метров и получим уже – 3,12 кВтч/сутки.
Вывод напрашивается сам собой — часто вместо увеличения мощности ветрогенератора достаточно увеличить высоту мачты.
Решающая роль места установки «ветряка» в эффективности энергосистемы
Очень велик соблазн приделать мачту ветрогенератора к дому для увеличения высоты всей конструкции. Несмотря на очевидные плюсы, данный подход имеет ряд минусов:
Во-первых, установка издает звуки, и звуки эти отлично могут быть переданы по мачте на конструкцию дома, что со временем будет раздражать его жителей. Во-вторых, если здание находится в черте города, могут потребоваться дополнительные согласования в надзорных органах.
Стоит также обратить внимание на конструкцию самой мачты. Если горизонтальные линейные размеры мачты сравнимы или превышают размеры ВГ, то, собственно, сама мачта может являться источником турбулентности.
Очень показательный пример, когда мачта по сути мешает работать системе, плюс частично затеняет солнечные батареи, представлен на фотографии.
Особое внимание нужно уделить выбору сечения кабеля. Так как ВГ находится на мачте, а контроллер заряда где-то в доме, длина линии может быть значительной, равно как и падение напряжения. Это может привести к снижению эффективности заряда аккумуляторных батарей. Из этих соображений, площадь сечения кабеля должна быть достаточно большой, чтобы данный эффект был незначителен. Для расчёта площади сечения кабеля следует обратиться к правилам, описанным в статье Расчёт сечения провода.
В отличие от монтажа солнечных батарей, установка «ветряка» часто влечет за собой капитальные строительные работы, такие как бетонирование основания, монтаж свай для растяжек, сварочные работы. Тем не менее, правильно выполненный монтаж обеспечит надежную и эффективную работу системы, и максимальную выработку энергии на протяжении всего срока эксплуатации.
«Парящее» в воздухе судно, или как строят ветропарки в море
Люди используют энергию ветра на протяжении многих тысячелетий. Впервые ветряные мельницы появились в 200 годах до н.э. в Персии, где их использовали для помола зерна. Позже они распространились в исламском мире, а в XIII веке были принесены в Европу крестоносцами. Первые ветряные мельницы применяли в составе водонасосных станций в Испании, Франции, а также Великобритании, где, к слову, в 1888 году появилась первая автоматически управляемая ветряная установка. В России первые ветряки начали разрабатывать в середине 1920-х годов. Сегодня ветроэнергетика стала масштабной и перспективной отраслью.
К началу 2016 года общая установленная мощность всех существующих ветрогенераторов составила 432 гигаватта – это число превысило уровень суммарной мощности атомной энергетики, а к началу 2019 года — 600 гигаватт. Интенсивно развивают ветроэнергетику в Дании, где ветрогенераторы производят 42% всего электричества, в Португалии, Никарагуа, Испании, Ирландии, Нидерландах, Словакии и Германии. В частности, в Германии к 2025 году планируют производить до 45% электроэнергии из возобновляемых источников энергии.
Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны, хотя и инвестиций это требует больше: стоимость по сравнению с сушей в полтора-два раза выше. В море, на расстоянии 10-12 км от берега, а иногда и дальше, строятся ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров, после чего обустраивают распределительные подстанции и протягивают до побережья подводные кабели. Помимо свай для фиксации турбин могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания. Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт был установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.
Для строительства и обслуживания ветропарков приходится создавать специальную технику, порой весьма необычную. Такую, как, например, самоходная кран-баржа MPI Resolution. Это судно оснащено стойками, которые во время движения поднимаются над палубой, а во время рабочей стоянки опускаются на дно – на глубину до 5 м, после чего баржа приподнимается над поверхностью воды. К чему такие сложности? Монтировать гигантский ветрогенератор с помощью кран-баржи во время волнения моря сложно и опасно. Но если судно поставить на прочные опоры и оторвать от стихии, выполнить задачу становится проще, ведь морской кран будет работать практически в тех же условиях, что и на суше. MPI Resolution построили на одной из китайских верфей в Шанхае еще в 2004 году. Одна из последних ее работ – строительство 60-ветрогенераторного парка в открытом море у берегов Шотландии.
Аналогичный способ выбрала компания Ailes Marines, отвечающая за разработку, монтаж и эксплуатацию морской ветроэлектростанции в заливе Сен-Бриё (Франция). Для устройства фундаментов и трубных креплений установок будет использоваться судно Aeolus. Это судно, построенное для строительства морских ветропарков и введенное в эксплуатацию в 2014 году, оборудовано краном грузоподъемностью более 1 600 тонн, что позволяет ему транспортировать и устанавливать фундаменты и ветровые турбины. Судно также оборудовано усовершенствованной домкратной системой с четырьмя гигантскими опорами, высота каждой из них – 85 м, а вес – почти 1 300 тонн, что позволяет Aeolus подниматься и работать на глубине до 45 м.
Морская ветроэлектростанция Сен-Бриё строится в одноименном заливе Сен-Бриё в Бретани в 16,3 км от побережья Франции. После завершения строительства ветроэлектростанция общей мощностью 496 МВт будет производить 1,820 ГВт/ч в год, что эквивалентно годовому потреблению электроэнергии 835 тыс. жителей. Монтажные работы продлятся несколько месяцев до 2022 года. Морской ветропарк будет полностью введен в эксплуатацию в 2023 году.
При подготовке текста использованы материалы портала portnews.ru.
Морской ветер может обеспечить потребности всего мира в энергии
Морской ветер может обеспечить потребности в энергии для всего человечества, говорится в исследовании ученых Стэнфордского университета. И ветряки нового типа могут появиться уже довольно скоро — на горизонте 10-15 ближайших лет.
Для того чтобы удовлетворить все современные потребности человечества в электричестве — то есть 18 тераватт, понадобится установить морские турбины на площади 3 миллиона квадратных километров, подсчитали в Стэнфорде. И эта огромная на первый взгляд цифра закрывает всего-навсего менее 1 процента площади Мирового океана.
В океане, выяснили ученые, скорость ветра в среднем на 70 процентов выше, чем на суше. И еще один факт — в открытом море в средних широтах штормы регулярно переносят энергию ветра с суши, расположенной в более высоких широтах, то есть верхний предел объема энергии, который можно «снять» ветряком, здесь намного выше.
Так в чем же дело и почему не строятся ветряки? Расчеты неверны?
«Это только одна из гипотез, у которой я лично не видел научного основания», — подтверждает сомнения Юрий Мазуров, профессор географического факультета МГУ им. Ломоносова. «Тем не менее она достаточно интересная и достойна дальнейшей проработки. Хотя не умаляет и других идей, связанных с ветроэнергетикой, — например, про установку ветряков на горных хребтах. Однако мысль о ветряках в океане не учитывает многих инфраструктурных аспектов — транспортировка энергии, ее хранение, амортизация оборудования, затраты на ремонт», — перечисляет эксперт.
Почему до сих пор местом расположения ветряков становятся европейские равнины или в лучшем случае так называемая офшорная генерация, когда их ставят в прибрежной полосе?
18 тераватт в год — таков уровень энергии, необходимый человечеству (это 18 миллиардов киловатт)
Причина в технологиях, отвечает Игорь Брызгунов, председатель Российской ассоциации ветроиндустрии. «Сегодня построить ветряки в открытом океане технически невозможно, такие устройства для океанских ветров по сравнению с материковыми — совсем другая технология, все равно что сравнивать автомобиль и космический корабль», — сравнивает он.
Требования к строительству таких изделий на больших глубинах совсем другие, продолжает он, подчеркивая, что это должны быть плавучие генераторы, а такая технология сейчас только апробируется. Еще один момент, добавляет эксперт, в том, что прочность конструкции должна быть совсем другой по сравнению с той, которой вполне достаточно для материка.
Однако сам факт такого исследования показывает, что технологии есть куда развиваться, обнадеживает Брызгунов. «Это самый настоящий вызов для науки и промышленности, поэтому я думаю, что в пределах 10-15 ближайших лет ветряки в открытом море могут стать реальностью», — резюмирует эксперт.
Проект из Шотландии
Согреют 20 тысяч домов
Первую в мире плавучую ветряную электростанцию начали строить в Шотландии. Группу из пяти 175-метровых «ветряков» предполагается расположить в 15 километрах от берега, а снабжать электроэнергией они смогут 20 тысяч домохозяйств.