IT-байки: Малая ветроэнергетика - для дома, для семьи / Аналитика

Приступая к работе над очередным материалом раздела "IT-байки", посвящённым энергосбережению и использованию альтернативной энергетики на практике, каждый раз приходится спрашивать в первую очередь самого себя: насколько эта тематика интересна нашим читателям? Насколько она актуальна именно сейчас - когда мировой финансовый и экономический кризис, хоть и находится на этапе определённого "излома", но пока явно не закончился, и неизвестно сколько продлятся его последствия? Стоит ли заводить разговор об очередных "зелёных" проектах, традиционно требующих значительных финансовых вложений, когда гораздо более актуальными кажутся вопросы восстановления традиционных отраслей, борьбы с безработицей, неплатежами и прочими нынешними напастями экономики? Безусловно, говорить стоит, и причин тому множество. Нынешний кризис прекрасно продемонстрировал на практике, что отныне ничто в этом мире уже не останется константой - ни незыблемые доселе финансовые институты, ни курсы валют, ни тем более цены на энергоносители. И если в начале эпохи кризиса кто-то ещё обольщался, что с трёхкратным падением цен на нефтяное сырьё цены на бензин также снизятся в сравнимой пропорции, сегодня такой наивности места уже нет. Цены на энергоносители, хоть и просели на время изрядно, стремительно возвращают утраченные позиции по мере снижения остроты кризисной ситуации. Словом, мир никогда уже не будет прежним. Думаю, в рамках этой статьи не стоит загибать пальцы, тщательно перечисляя выгоды внедрения альтернативной энергетики даже вопреки кризису. Приведу лишь один, но достаточно красноречивый факт. Предыдущие экономические кризисы, сопровождавшиеся значительным снижением цен на энергоносители, автоматически приводили к сворачиванию программ развития альтернативной энергетики и оживлялись лишь по мере возрастания цен на нефть.

Нынешний кризис развивается совсем по другому сценарию. Да, в некоторых отраслях наблюдается определённое снижение расходов на исследовательскую деятельность, и в то же время – обратите внимание на ленту наших новостей, практически не проходит и недели без сообщения о разработке, начале производства или продаж новой модели электромобиля, выпуске высокоэффективных солнечных батарей с рекордным КПД и т.д. Мир и в трудные времена с упорством продолжает искать топливные альтернативы. С той лишь разницей, что ранее, до кризиса, всё это чаще проводилось под флагом охраны окружающей среды. Сейчас же можно говорить, скорее, о последствиях основательного испуга от угрозы энергетической нестабильности. Сегодня речь пойдёт об использовании энергии ветра, но не в том привычном ключе, в котором принято писать об этом вопросе. За сравнительно короткий век развития ветряной энергетики - если, конечно, не брать в расчёт многовековую историю ветряных мельниц, мы привыкли, что ветроэнергетика – это бескрайние поля огромных ветряков или хотя бы "ветряные фермы", установленные в предгорьях, на морских и океанических побережьях или где-нибудь в прериях, где круглый год или хотя бы сезонно наблюдаются стабильно сильные ветра. О малой ветряной энергетике, тем более в безветренных районах пишут гораздо реже. Персональные ветряки и вовсе чаще упоминались в связи с чьими-то чудачествами. Однако времена меняются.

Собственно говоря, поводом для развития сегодняшней темы "малой" ветровой энергетики послужил анонс американской компании WindTronics из штата Мичиган, которая объявила о разработке уникальной компактной ветровой установки, ориентированной на применение в частных хозяйствах и способной генерировать электричество при рекордно низкой скорости ветра – порядка 3 километров в час.

Что ж такого особенного предлагает WindTronics, подразделение компании EarthTronics? Начиная с октября 2009 года в американской торговой сети Ace Hardware появятся ветровые турбины Windgate под брендом Honeywell Wind Turbine по цене $4500. Разработчиком технологии является WindTronics, а производственный гигант Honeywell, соответственно, изготавливает сами ветровые установки.

С виду турбина Windgate больше всего напоминает гигантский вентилятор. Ключевые характеристики установки таковы:

Система: Высокоэффективная ветровая турбина
Диаметр ротора: 1,7 м
Материалы: нержавеющая сталь, пластик
Мощность генератора при скорости ветра 42 мили в час (18,9 м/с): 2,0 кВт
Минимальная скорость ветра для запуска генератора: 2 мили в час (0,9 м/с)
Среднегодовой выход энергии при работе в районе ветров класса 4: 2000 кВт*год
Годовая экономия выбросов CO₂: 2,2 тонны
Расчётный ресурс (срок службы): 20 лет
Тип генератора: запатентованный электрогенератор с постоянными магнитами
Крепление: стандартная тренога из оцинкованной стали для монтажа на крыше
Вес: 43 кг
Шумовые характеристики: порядка 35-45 дБ Сертификация по нормам электромагнитного излучения: BS EN 6100
Система управления: запатентованная электронная система с возможностью заряда батарей
Интерфейсы: RS-232, опционально – Ethernet, Wireless
Дизайн предусматривает нулевой ущерб окружающей среде

Основная "инженерная хитрость", делающая генератор Windgate уникальным предложением на рынке, заключается в использовании турбинной крыльчатки там, где обычные ветрогенераторы используют всего три лопасти. Такая безредукторная крыльчатка - Blade Tip Power System (BTPS), позволяет значительным образом снизить механическое сопротивление и вес турбины. Но главное преимущество BTPS в том, что такая система работает в гораздо более широком диапазоне скоростей ветра чем традиционные ветрогенераторы. Однако перед тем как перейти непосредственно к рассказу об особенностях чудо-установки WindTronics, хотелось бы в целом описать современную ситуацию с развитием ветровой энергетики в мире - особенно в части сложностей, возникающих на пути энтузиастов практической реализации частных ветряных электростанций.

Проблем на самом деле великое множество, особенно побочных – от эрозии почвы до судьбы налетающих на лопасти птичек. Но одной из главных проблем ветровой энергетики считают нестабильность ветрового потока, затрудняющую создание на базе ветряков крупных энергетических сетей. Помимо этого, далеко не каждый регион пригоден для создания крупных промышленных ветровых установок в силу преимущественно незначительной силы ветров. Так, среди уже реализованных успешных российских проектов ветростанций можно припомнить Воркутинский ветроэлектрический парк "Заполярный", Башкирскую ВЭС "Тюпкильды", Калининградскую ВЭС "Куликово" и Ростовскую ВЭС и другие. Однако во всех этих случаях речь идёт о регионах арктического побережья, прибрежных районах, степных районах Поволжья, уральских степях или Северном Кавказе. Обычно, говоря о силе ветра, подразумевают 12-балльную Шкалу Бофорта, применяемую для примерной оценки скорости ветра. По этой шкале нулю соответствует полный штиль, трём баллам – слабый ветерок со скоростью 3,4 - 5,4 м/с, шести баллам – сильный ветер (10,8 - 13,8 м/с); девять баллов – это уже шторм (20,8 - 24,4 м/с), а все 12 баллов – это ураган со скоростью ветра более 32,6 м/с (117 км/ч). Приведённая ниже табличка с сайта Датской ассоциации ветровой индустрии позволяет приблизительно оценить потенциал энергии ветра при разной его скорости (при плотности воздуха 1,225 кг/м³, сухом воздухе при стандартном атмосферном давлении на уровне моря при температуре +15°C).

Сила ветра
М/с	Вт/м²	М/с	Вт/м²	М/с	Вт/м²
0	0	8	313,6	16	2508,8
1	0,6	9	446,5	17	3009,2
2	4,9	10	612,5	18	3572,1
3	16,5	11	815,2	19	4201,1
4	39,2	12	1058,4	20	4900,0
5	76,2	13	1345,7	21	5672,4
6	132,3	14	1680,7	22	6521,9
7	210,1	15	2067,2	23	7452,3

Табличка эта – скорее, для ухода от субъективных ощущений силы ветра ("лёгкий ветерок", "ветер сбивает с ног). В индустриальной действительности для оценки возможностей развития ветровой энергетики достаточно широко применяется оценка плотности энергии ветра по классификации Министерства энергетики США. Таблица этой классификации с сайта Американской Ассоциации ветровой энергетики (American Wind Energy Association) приведена ниже. Метры в секунду пересчитываются в километры в час как обычно: 1 м/с = 3,6 км/ч. Следует также отметить, что сила ветра обычно растёт с увеличением высоты.

Классификация плотности энергии ветра на высоте 10 м и 50 м
Высота	10 метров		50 метров
Класс энергии ветра	Плотность энергии ветра, Вт/м²	Скорость, м/с	Плотность энергии ветра, Вт/м²	Скорость, м/с
1	Менее 100	Менее 4,4	Менее 200	Менее 5,6
2	100 - 150	4,4 / 5,1	200 - 300	5,6 / 6,4
3	150 - 200	5,1 / 5,6	300 - 400	6,4 / 7,0
4	200 - 250	5,6 / 6,0	400 - 500	7,0 / 7,5
5	250 - 300	6,0 / 6,4	500 - 600	7,5 / 8,0
6	300 - 400	6,4 / 7,0	600 - 800	8,0 / 8,8
7	Более 400	Более 7,0	Более 800	Более 8,8

Районы с ветрами классов 3 и 4 считаются преобладающими на территории, например, США. Считается, что порядка 80% ветровых ресурсов Северной Америки обладают скоростью менее 10 миль в час (около 4,5 м/с), 90% всего времени. Всего лишь порядка 10% территории США обладают достаточными ветровыми ресурсами, чтобы питать традиционные ветровые турбины. Точных данных по Евразии мне найти не удалось, но в целом – если не считать приморских побережий, предгорий и больших равнин, картина, полагаю, будет примерно та же. В некоторых регионах с ветром, впрочем, совсем "негусто". Приведённый ниже скриншот с сайта Метеоновости о текущей ветровой ситуации в России можно назвать типичным для этого времени года.

Дальше углубляться в теоретические подробности в рамках этой статьи смысла нет. Зато теперь самое время вернуться к разговору о Honeywell Wind Turbine Windgate. Как указано в характеристиках турбины, за год такая установка способна генерировать порядка 2 МВт*ч при условии эксплуатации в районах с преобладанием ветров класса 4 по выше приведённой классификации. То есть, при преобладающих ветрах скоростью 5,6-6,0 м/с (в грубом приближении – примерно 20-21,5 км/ч). Раскладка по среднегодовой "активности" такой турбины для выхода на заявленный среднегодовой уровень генерации энергии приведена ниже.

На самом деле стоит помнить о том, что максимальная возможная мощность генератора – то же самое, что и указание количества лошадиных сил для двигателя автомобиля: максимальная отметка скорости на спидометре совсем не означает, что кто-то обычно ездит в здравом уме на такой скорости. Тот же ветровой режим класса 4 на практике означает среднегодовую скорость ветра всего 12,2 мили в час (5.45 м/с), но такая скорость при этом актуальна всего лишь 13% времени на протяжении всего года. В этой связи важно помнить, что генерируемая мощность ветровой установки – это функция куба скорости ветра. Когда скорость ветра удваивается, мощность возрастает в восемь раз. В то же время генератор, работающий даже при небольшом ветре, но продолжительное время, произведёт энергии больше, чем простаивающий основное время и приводимый в движение лишь порывами ветра. Вот тут самое время вспомнить особенную характеристику новой турбины Windgate – возможность работы в более широком диапазоне силы ветра нежели традиционные ветрогенераторы. Дело в том, что согласно сложившейся практике, большинство современных ветрогенераторов начинают крутить свои лопасти при скорости ветра примерно 8 миль в час (3,5 м/с). "Сверху" ограничение обычно устанавливается для скорости 25 миль в час (11,2 м/с) – главным образом, из-за вибраций, способных привести систему к разрушению.

Так вот, турбина WindTronics начинает вращаться при скорости ветра всего 1 миля в час (0,45 м/с), генерировать электричество при скорости ветра 2 мили в секунду (всего 0,9 м/с!), и работоспособна до скорости ветра 45 миль в час (20,1 м/с)! Расчёты показывают, что такая турбина генерирует электричество в среднем на 50% чаще и дольше чем традиционные ветрогенераторы.

Рекламный ролик EarthTronics, посвящённый генератору Honeywell Wind Turbine.

Чтобы избежать повреждения конструкции, автоматика системы с постоянно подключенным к ней анемометром следит за скоростью и направлением ветра, и при достижении максимальной рабочей скорости турбина попросту поворачивается к ветру обтекаемым боком. Также автоматика системы немедленно реагирует на переохлаждённый дождь, способный вызвать обледенение. Более того, конструкция системы спроектирована таким образом, чтобы замена большинства элементов, в том числе несущих компонентов и лопастей турбины, занимала минимум времени.

Кстати, электроника системы позволяет работать одновременно с двумя турбинами, а также совместима с солнечными батареями. Для работы ветровой установки Windgate необходим как минимум один стандартный автомобильный аккумулятор (больше – лучше). Аккумулятор в этом случае играет роль системного ресурса – "буферного" накопителя энергии и одновременно источника для инвертора, преобразующего постоянное напряжение 12В в переменное напряжение силовой сети.

Теперь несколько слов об уникальной конструкции электрического генератора турбины Windgate. Традиционные ветрогенераторы передают на ротор генератора механическую энергию вращающихся лопастей через редуктор, и вся эта конструкция размещается в специальном обтекаемом корпусе. В отличие от них, турбина WindTronic оснащена небольшими постоянными магнитами на концах лопастей этого огромного "вентилятора". Таким образом, получается, что турбина WindTronic оснащена огромным ротором диаметром 1,7 метра.

Наконец, всё это хозяйство – турбина, управляющая электроника, инвертор и монтажный комплект, поставляются вместе с набором компактных экономичных флуоресцентных ламп EarthTronic. Такая покупка, по мнению представителей компании, позволит обеспечить до 30% экономии на счетах за электричество (или около 18% без использования энергосберегающих ламп).

К чести EarthTronics необходимо упомянуть, что компания испытала более 280 ветровых турбин, прежде чем определилась с оптимальными характеристиками финальной модели. Технология уже сейчас запатентована более чем в 120 странах. Что интересно отметить, первоначально турбина разрабатывалась как привлекательный источник энергии для развивающихся стран. Сейчас планируется, что продажи турбин Windgate всё же стартуют в США, где потенциальные потребители имеют возможность получения скидок от розничной цены $4500 в размере до 30% благодаря новым программам предоставления федеральных налоговых льгот. Уже к декабрю 2009 года компания намерена выйти на продажи порядка 5000 установок ежемесячно и удвоить этот показатель к марту 2010. Первоначально производственные мощности по выпуску турбин Windgate будут размещаться в США и Канаде, но в последующие 2-3 года EarthTronics планирует построить шесть или даже семь заводов по всему миру, включая Индию, Китай, Европу и Северную Америку. В целом же необходимо отметить, что интерес к малым ветровым турбинам постоянно растёт во всём мире. Поскольку ситуация со слишком слабыми ветрами – явление на нашей планете достаточно частое, также отметим, что EarthTronics – не единственная компания, работающая над решением этой проблемы. И многие из этих компаний вполне преуспели в создании собственных оригинальных решений. Многие разработки – такие как, например, Skystream 3.7 компании Southwest Windpower, предназначены для работы в непосредственной связке с общей силовой сетью, однако не могут похвастать возможностью работы при столь низкой скорости ветра как турбина EarthTronics.

Перспективны идеи компании FloDesign, разработавшей ветровую турбину для генерирования электричества с применением технологий реактивных двигателей.

Разработчики из компании Green Energy Tech и вовсе не стали изобретать велосипед, а попросту придумали для своей ветровой установки WindCube самый настоящий "ветроуловитель", который действует по принципу "воронки" и позволяет генерировать электричество при ветре от 5 миль в час (2,2 м/с).

Компания Optiwind выпускает оригинальные ветровые установки Optiwind 300 и Optiwind 150, мощностью 300 кВт и 150 кВт соответственно. Правда, эти установки трудно назвать компактными решениями для дома, для семьи – скорее, установками для коллективной экономии энергии в посёлках, садовых хозяйствах, колхозах.

Основная идея такого решения – сбор энергии ветра наборными конструкциями из нескольких турбин на приличной высоте: Optiwind 300, к примеру, комплектуется 61-метровой башней, платформа акселератора имеет 13 метров в диаметре, а диаметр каждой турбины составляет 6,5 м.

На самом деле в этом сегменте работает огромное количество компаний. Просто не поверите, какое огромное количество. У многих технологий имеются перспективные плюсы, однако зачастую не обходится и без минусов – это выше упомянутый порог начала работы установки, "отрезающий" слишком слабый ветер, это огромные габариты, слоновый вес, несусветная цена установки, огромная себестоимость полученного киловатта энергии или все эти факторы в том или ином сочетании. Попробуем покритиковать и рассмотренную сегодня в подробностях турбину WindTronic. И прежде всего вспомним, что энергия ветра – это функция куба его скорости. Получается, что в любом случае говоря о турбине, работающей при малой скорости ветра, стоит оценивать эту возможность скорее как нижний порог работоспособности системы, нежели как чудодейственный способ генерации значительной энергии от слабого ветерка. Так что если в вашей местности совсем плохо с ветром, стоит семь раз отмерить, иначе выйдет, что несколько тысяч долларов будут буквально выброшены на ветер, а полученной за год энергии хватит разве что на тусклое освещение сортира. Большим минусом установки WindTronic, пожалуй, назову её нынешнюю цену. Которая, кстати, не включает вызов сертифицированного специалиста для монтажа турбины (согласно информации на сайте компании, такой специалист обойдётся в США примерно в $500-$1500). Кроме того, время от времени придётся нести кое-какие расходы на техобслуживание установки. Прибавив к этому цену турбины - $4500, поневоле задумаешься, сколько же лет понадобится чтобы окупить затраты и выйти на экономию против "государственного" киловатт-часа. Опять же, что такое 2000 кВт*ч? Хорошо, пусть турбина Windgate установлена в правильном месте и генерирует расчётные 2 мегаватт-часа энергии в год. Статистика утверждает, что это составляет примерно 15-20% годового потребления электричества для среднего частного домашнего хозяйства в США. Каждый из нас может поднять квитанции оплаты за электричество и примерно посчитать собственные расходы. Получится, что кто-то запросто расходует столько электричества за месяц, кто-то за полгода, но мало насчитается современных семей, которым будет достаточно энергии только этого генератора для покрытия всех потребностей в электричестве. Иными словами, ветровой генератор для частного использования (если только вы не живёте на берегу океана или в какой-нибудь другой аэродинамической трубе) в любом случае в настоящее время, с нынешним уровнем развития технологий, стоит рассматривать лишь в качестве дополнительного источника энергии. Нынешняя цена турбины также вряд ли позволит говорить о быстрой окупаемости такой затеи. Разве что другие источники энергии действительно дороже, или необходима хотя бы частичная автономия электропитания хозяйства. Дизель-генератор такая установка не заменит, но зато сможет значительно сократить время его работы. Однако самое интересное во всей этой истории заключается в том, что технологии никогда не стоят на месте и постоянно развиваются. Мне хотелось бы верить, что достаточно скоро цена таких турбин снизится до приемлемого уровня – такого, при котором ветровая энергетика станет желанным явлением на каждом подворье. Ссылки по теме:

Материалы для дополнительного чтения:

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Материалы по теме

IT-байки: Малая ветроэнергетика - для дома, для семьи

am2+