Альтернативные источники энергии

     - по количеству лопастей (одна, две,  три и более);

     - по мощности (от десятков Ватт до нескольких МВатт);

     - по форме лопастей, по конструкции  генераторов и т.д. и т.п. 

     Типовое использование ветрогенераторов  

     Приведено несколько самых распространенных схем согласования потребителя с ветроэлектрическими системами.

     Рис.4. Ветрогенератор с блоком аккумуляторов 
 
 

     Устройства  потребителя питаются исключительно  от ветроэнергетической установки.

     Рис.5. Ветрогенератор с блоком аккумуляторов и коммутация с сетью. 

     Чтобы снизить зависимость от непостоянного  направления и силы ветра, в систему включают разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.

     В том случае, если ветер утих или  его скорость недостаточная для  выхода ветрогенератора на рабочие скорости, а резервные аккумуляторы при этом разряжены, АВР позволяет переключить потребителя на питание от электросети. Эта схема может использоваться и в реверсионном режиме, т.е. наоборот - в таком случае ветрогенератор используется как резервный источник питания.

     Рис.6. Гибридная автономная система - солнце-ветер. 
 
 

     Этот  вариант предусматривает подключение  солнечных элементов к системе  ветрогенератора. Подключение может  происходить через гибридный  контроллер или с помощью отдельного контроллера используемого для  солнечных систем. [8]

     Ветрогенераторы с вертикальной осью постоянно совершенствуются учеными по всему миру. Они высокоэффективны, т.к. их строение позволяет оказывать максимальное сопротивление потокам ветра.

     Рис.7. Инновационные ветрогенераторы  с вертикальной осью  
 

     Особенностью представленного ветрогенератора является вогнутая сторона высокого сопротивления, которая передает усилие ветра непосредственно на вал ротора, который связан непосредственно с генератором преобразующим энергию в электричество. Сила сопротивления при этом является контролируемой, а крутящий момент турбины можно регулировать путем увеличения размера лопастей и расстояния до центра масс, а не вертикальной высоты.

     Сила, возникающая в напоре ветра непосредственно  прикладывается к оси вращения турбины, тем самым извлекая максимальную мощность на низких скоростях ветра. При этом компания может производить ветряные турбины, которые можно масштабировать до любых потребностей.

     Считается, что ветрогенераторы с вертикальной осью более эффективны, чем горизонтальные, и могут быть объединены в массивы, в которых турбулентности, созданные отдельно стоящими ветряными турбинами могут помочь вращаться соседним турбинам, тем самым увеличивая эффективность общей системы. В отличие от ветровой турбины с горизонтальной осью, эти параметры могут повысить эффективность, а не уменьшать ее. [9] 

     Сейчас  в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а  всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как  ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится всего в 12 сантимов за 1 кВт·ч.

     В Беларуси для первоначального этапа  развития ветроэнергетики определены 1840 площадок для строительства как  одиночных ВЭУ, так и ВЭС с  потенциалом более 200 млрд кВт·ч. Выявленные на территории Беларуси площадки под ветроэнергетику – это, в основном, гряды холмов высотой от 20 до 80 м с фоновой скоростью ветра 5 м/с и более, на которых можно возвести от 5 до 20 ВЭУ.

     Выборочные  обследования зон опытной эксплуатации ветротехнического оборудования на территории Беларуси показали, что при оптимальном выборе строительной площадки для возведения ВЭУ (на возвышениях и открытой местности, на берегах водных массивов и т.п.) окупаемость ВЭУ при среднегодовой скорости ветра 6-8 м/с укладывается в срок около 5 лет.

     Наиболее эффективно обеспечивается использование современной зарубежной ветротехники на территориях зон со среднегодовыми фоновыми скоростями не ниже 4,5 м/с на холмистом рельефе. К таким регионам относятся: возвышенные районы большей части севера и северо-запада Беларуси, центральная зона Минской области, включая прилегающие с запада районы, Витебская возвышенность.

     В итоге ветер может дать Беларуси 2-3% энергии от общего энергобаланса  страны, максимум – до 5%. [3] 
 

     5. Энергия воды 

     Гидроэнергостанции  – еще один из источников энергии, претендующих на экологическую чистоту. При гидроэлектрической генерации энергии электричество получают, используя энергию воды, перетекающей из высшего уровня к низшему и вращающей при этом турбину. Некоторые страны, такие, как Новая Зеландия, Швейцария, Норвегия и Канада, получают буквально всю свою электрическую энергию из этого источника, при этом даже электрохимическая индустрия основана на энергии гидроэлектростанций.

     Этот  метод имеет преимущества: не загрязняет атмосферу, легко управляется прием поворота механизированного клапана на подаче воды, поэтому проблем, связанных с пиковыми нагрузками, нет. Однако гидроэнергетика  все-таки не безвредна для окружающей среды,  и минусы  породили идею “мини-ГЭС”, которые могут располагаться на небольших реках или даже ручьях, их электрогенераторы будут работать при небольших перепадах воды или движимые лишь силой течения. Эти же мини-ГЭС могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением. [10]

     Детально  разработаны центробежные и пропеллерные энергоблоки рукавных переносных гидроэлектростанций мощностью от 0.18 до 30 киловатт. При поточном производстве унифицированного гидротурбинного оборудования “мини-ГЭС” способны конкурировать с “макси” по себестоимости киловатт-часа. Несомненным плюсом является также возможность их установки даже в самых труднодоступных уголках страны: все оборудование можно перевезти на одной вьючной лошади, а установка или демонтаж занимает всего несколько часов.

     Еще одной очень перспективной разработкой, не получившей пока широкого применения, является недавно созданная   геликоидная турбина Горлова (по имени ее создателя)(рис.8). Ее особенность заключается в том, что она не нуждается в сильном напоре и эффективно работает, используя кинетическую энергию водяного потока - реки, океанского течения или морского прилива. Это изобретение изменило привычное представление о гидроэнергостанции, мощность которой ранее зависила только от силы напора воды, то есть от высоты плотины ГЭС. [11]

     Рис. 8. Турбина Горлова  

     5.1. Энергия приливов и отливов 

     Несоизмеримо  более мощным источником водных потоков  являются приливы и отливы. Подсчитано, что потенциально приливы и отливы могут дать человечеству примерно 70 млн. миллиардов киловатт-часов в  год. Для сравнения: это примерно столько же, сколько способны дать разведанные запасы каменного и бурого угля, вместе взятые; вся экономика США 1977 г. базировалась на производстве 200 млрд. киловатт-часов, вся экономика СССР того же года – на 1150 млрд., хрущевский “коммунизм” к 1980 г. должен был быть построен на 3000 млрд. киловатт-часов. Образно говоря, одни только приливы могли бы обеспечить процветание на Земле тридцати тысяч современных “Америк” при максимально эффективном использовании приливов и отливов, но до этого пока далеко. Проекты приливных гидроэлектростанций детально разработаны в инженерном отношении, экспериментально опробованы в нескольких странах, в том числе и у нас, на Кольском полуострове. Продумана даже стратегия оптимальной эксплуатации ПЭС: накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает “пик потребления” в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.

     Сегодня ПЭС не конкурентоспособна по сравнению с тепловой энергетикой: мало заинтересованных в том, чтобы вкладывать миллиарды долларов в сооружение ПЭС, когда есть нефть, газ, уголь. Практически на сооружение ПЭС в наиболее благоприятных для этого точках морского побережья, где перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия, может быть, даже столетия. Но процент за процентом в мировой энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия.

     Первая  приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8.4 м. Открывая станцию, президент Франции Шарль де Голль назвал ее выдающимся сооружением века. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2.5 раза превосходит расходы на возведение речной ГЭС такой же мощности, первый опыт экплуатации приливной ГЭС оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и эффективно используется.

     Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12.9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м.

     Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских  приливов связаны с возможностью применения геликоидной турбины  Горлова, которая позволяет сооружать  ПЭС без плотин, сокращая расходы на строительство. [12]  

     5.2. Энергия волн 

     Идея  получения электроэнергии от морских  волн была изложена еще в 1935 г. советским  ученым К.Э. Циолковским.

     В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую. Когда буй качается по волне, уровень воды внутри него меняется. От этого воздух то выходит из него, то входит. Но движение воздуха возможно только лишь через верхнее отверстие (такова конструкция буя). А там установлена турбина, вращающаяся всегда в одном направлении независимо от того в каком направлении движется воздух. Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту. Другой тип установки – что-то вроде стационарной микроэлектростанции. Внешне она похожа на ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в ящик и приводят в действие турбину. И здесь для работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой в 20 см зажигали лампочки общей мощностью 200 Вт.

     В настоящее время инженерно разработаны и экспериментально опробованы высокоэкономичные волновые энергоустановки, способные эффективно работать даже при слабом волнении или вообще при полном штиле. На дно моря или озера устанавливается вертикальная труба, в подводной части которой сделано “окно”; попадая в него, глубинная волна (а это – почти постоянное явление) сжимает воздух в шахте, а тот крутит турбину генератора. При обратном движении воздух в турбине разрежается, приводя в движение вторую турбину. Таким образом, волновая электростанция работает беспрерывно почти при любой погоде, а ток по подводному кабелю передается на берег.

     Некоторые типы ВЭС могут служить волнорезами, защищая побережье от волн и экономя таким образом миллионы долларов на сооружение бетонных волнорезов.

     Под руководством директора Лаборатории  эннергетики воды и ветра Северо-Восточного университета в Бостоне был разработан проект первой в мире океанской электростанции. Она будет сооружена во Флоридском проливе, где берет начало Гольфстрим. На его выходе из Мексиканского залива мощность водяного потока составляет 25 млн. м3 в секунду, что в 20 раз превышает суммарный расход воды во всех реках земного шара. По подсчетам специалистов средства, вложенные в проект, окупятся в течение пяти лет.