Ветер — это, по сути, солнечная энергия в другой форме. Солнце неравномерно нагревает сушу, море и разные широты, тёплый воздух поднимается, на его место приходит холодный, и атмосфера приходит в движение. Люди пользуются этим движением тысячи лет, но получать из него электричество в больших количествах научились сравнительно поздно.
Долгая история простого устройства
Парус — древнейший способ заставить ветер работать. Ветряные мельницы, судя по письменным источникам, появились на Востоке около тысячи лет назад, а в средневековой Европе стали обычной частью пейзажа. Они мололи зерно, пилили лес, а в Нидерландах откачивали воду с низменных земель.
Первые ветровые установки для выработки электричества построили в конце XIX века в Шотландии, США и Дании. Это были единичные опыты. В течение XX века ветряки снабжали током отдалённые фермы, а к крупной энергетике дело подошло лишь в последние десятилетия столетия, когда выросли цены на топливо и появились новые материалы для лопастей.
Сколько энергии несёт ветер
Главная особенность ветра: его мощность зависит от скорости очень резко — пропорционально её кубу. Ветер вдвое сильнее несёт в восемь раз больше энергии. Поэтому место для ветростанции выбирают очень тщательно, а башни делают высокими: на высоте в сотню метров ветер заметно сильнее и ровнее, чем у земли.
Второй множитель — площадь, которую ометают лопасти. Она растёт как квадрат их длины, поэтому турбины становятся всё крупнее. У современных машин лопасть может превышать по длине крыло большого пассажирского самолёта.
При этом забрать у ветра всю энергию нельзя в принципе. Если бы воздух за турбиной останавливался, новому потоку было бы некуда двигаться. В начале XX века немецкий физик Альберт Бетц показал, что идеальный ветряк может отобрать у потока не более приблизительно 59 процентов энергии. Реальные турбины подошли к этому пределу довольно близко.
Как устроена турбина
Лопасть работает не как лопатка, которую толкает ветер, а как крыло самолёта: при обтекании на ней возникает подъёмная сила, которая и вращает ротор. Поэтому лопасти такие узкие и изогнутые.
Наверху башни находится гондола с генератором. Автоматика поворачивает её навстречу ветру и меняет угол лопастей: при слабом ветре — чтобы взять больше, при сильном — чтобы не превысить допустимую нагрузку. При буре турбину останавливают. Три лопасти — компромисс между отдачей, плавностью хода и стоимостью.
На суше и в море
Над морем ветер сильнее и устойчивее, а места больше, поэтому многие страны строят ветропарки на шельфе. Обходится это дороже: нужны фундаменты на дне или плавучие основания, подводные кабели, защита от солёной воды. Зато турбины там можно ставить особенно крупные.
Ограничения, о которых стоит знать
- Непостоянство. Ветер дует не по расписанию. В среднем за год турбина выдаёт заметно меньше своей паспортной мощности — обычно от четверти до половины, в зависимости от места. Энергосистеме нужны резервные источники, накопители или связи с соседними регионами.
- Место и ландшафт. Ветропарки занимают большие площади, хотя землю между башнями можно использовать, например под пашню или пастбище.
- Влияние на живую природу. Турбины представляют опасность для птиц и летучих мышей; её снижают выбором места в стороне от путей миграции и режимом работы.
- Шум и утилизация. Вблизи жилья установки стараются не ставить, а переработка отслуживших лопастей из композитных материалов остаётся непростой инженерной задачей.
У ветра есть и очевидные достоинства: ему не нужно топливо, при работе турбины нет выбросов в атмосферу, а сама станция строится быстрее большинства других.
Место ветра в общей картине
Ветровая энергетика не решает всех задач в одиночку, и подходит она не каждой местности. Но там, где ветер силён и постоянен, — на побережьях, в степях, на горных перевалах — она стала обычной частью энергосистемы. Принцип остался тем же, что у старой мельницы: поставить на пути воздуха крыло и дать ему вращаться. Изменились размеры, материалы и точность расчёта.
