Ветроэнергетика – это использование энергии ветра для производства полезной работы. Исторически энергия ветра использовалась парусами , ветряными мельницами и ветряными насосами , но сегодня она в основном используется для выработки электроэнергии. В этой статье рассматривается только энергия ветра для производства электроэнергии. Сегодня энергия ветра почти полностью вырабатывается с помощью ветряных турбин , обычно сгруппированных в ветряные электростанции и подключенных к электрической сети .
В 2022 году ветер произвел более 2000 ТВтч электроэнергии, что составило более 7% мировой электроэнергии [1] : 58 и около 2% мировой энергии. [2] [3] С учетом того , что в 2021 году было добавлено около 100 ГВт , в основном в Китае и США , глобальная установленная мощность ветровой энергии превысила 800 ГВт. [4] [3] [5] Чтобы помочь достичь целей Парижского соглашения по ограничению изменения климата , аналитики говорят, что оно должно расширяться гораздо быстрее - более чем на 1% производства электроэнергии в год. [6]
Энергия ветра считается устойчивым возобновляемым источником энергии и оказывает гораздо меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению со сжиганием ископаемого топлива . Энергия ветра является переменной , поэтому для обеспечения надежного снабжения электроэнергией требуется накопление энергии или другие управляемые источники энергии. Наземные (береговые) ветряные электростанции оказывают большее визуальное воздействие на ландшафт, чем большинство других электростанций, в зависимости от производимой энергии. [7] [8] Ветровые электростанции, расположенные на море, оказывают меньшее визуальное воздействие и имеют более высокий коэффициент мощности , хотя они, как правило, более дороги. [4] На долю морской ветроэнергетики в настоящее время приходится около 10% новых установок. [9]
Ветроэнергетика является одним из самых дешевых источников электроэнергии на единицу произведенной энергии. Во многих местах новые береговые ветряные электростанции дешевле новых угольных или газовых электростанций . [10]
Регионы в высоких северных и южных широтах имеют самый высокий потенциал ветроэнергетики. [11] В большинстве регионов выработка ветровой энергии выше в ночное время и зимой, когда выработка солнечной энергии низкая. По этой причине сочетание ветровой и солнечной энергии подходит во многих странах. [12]
Ветер – это движение воздуха в атмосфере Земли. За единицу времени, скажем, за 1 секунду, объём воздуха, прошедшего через определенную область, равен . Если плотность воздуха равна , то масса этого объема воздуха равна , а передача мощности или энергии в секунду равна . Таким образом, мощность ветра пропорциональна третьей степени скорости ветра; доступная мощность увеличивается в восемь раз, когда скорость ветра удваивается. Изменение скорости ветра в 2,1544 раза увеличивает мощность ветра на порядок (умножить на 10).
Глобальная кинетическая энергия ветра составила в среднем примерно 1,50 МДж/м 2 за период с 1979 по 2010 год, 1,31 МДж/м 2 в Северном полушарии и 1,70 МДж/м 2 в Южном полушарии. Атмосфера действует как тепловой двигатель, поглощая тепло при более высоких температурах и выделяя тепло при более низких температурах. Этот процесс отвечает за производство кинетической энергии ветра со скоростью 2,46 Вт/м 2 , тем самым поддерживая циркуляцию атмосферы, преодолевая трение. [15]
Посредством оценки ветровых ресурсов можно оценить потенциал ветроэнергетики в глобальном масштабе, по стране или региону или для конкретного объекта. Глобальный атлас ветроэнергетики, предоставленный Техническим университетом Дании в партнерстве со Всемирным банком, дает глобальную оценку потенциала ветроэнергетики. [13] [16] [17] В отличие от «статических» атласов ветровых ресурсов, которые усредняют оценки скорости ветра и плотности мощности за несколько лет, такие инструменты, как Renewables.ninja , обеспечивают изменяющееся во времени моделирование скорости ветра и выходной мощности различных ветряных турбин. модели с почасовым разрешением. [18] Более подробные оценки потенциала ветровых ресурсов для конкретного объекта можно получить у специализированных коммерческих поставщиков, а многие крупные разработчики ветроэнергетики имеют собственные возможности моделирования.
Общий объем экономически извлекаемой энергии, получаемой от ветра, значительно превышает нынешнее потребление человеком энергии из всех источников. [19] Сила ветра варьируется, и среднее значение для данного места не само по себе указывает на количество энергии, которую ветряная турбина может производить там.
Для оценки перспективных объектов ветроэнергетики функция распределения вероятности часто адаптируется к наблюдаемым данным о скорости ветра. [20] В разных местах распределение скорости ветра будет разным. Модель Вейбулла точно отражает фактическое распределение часовой/десятиминутной скорости ветра во многих местах. Фактор Вейбулла часто близок к 2, поэтому распределение Рэлея можно использовать как менее точную, но более простую модель. [21]
Ветряная электростанция — это группа ветряных турбин, расположенных в одном месте. Большая ветряная электростанция может состоять из нескольких сотен отдельных ветряных турбин, распределенных на обширной территории. Земля между турбинами может использоваться в сельскохозяйственных или других целях. Ветряная электростанция также может быть расположена на море. Почти все крупные ветряные турбины имеют одинаковую конструкцию — ветряную турбину с горизонтальной осью, имеющую встречный ротор с тремя лопастями, прикрепленный к гондоле на вершине высокой трубчатой башни.
В ветряной электростанции отдельные турбины соединены между собой системой сбора электроэнергии среднего напряжения (часто 34,5 кВ) [26] и сетью связи. Как правило, на полностью развитой ветряной электростанции между каждой турбиной устанавливается расстояние 7D (7 диаметров ротора ветряной турбины). [27] На подстанции этот электрический ток среднего напряжения повышается по напряжению с помощью трансформатора для подключения к системе передачи электроэнергии высокого напряжения . [28]
В большинстве современных турбин используются генераторы с регулируемой скоростью в сочетании с частичным или полномасштабным преобразователем мощности между турбогенератором и коллекторной системой, которые обычно обладают более желательными свойствами для соединения с сетью и имеют возможность прохождения низкого напряжения . [29] В современных турбинах используются либо электрические машины с двойным питанием с частичными преобразователями, либо асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором, либо синхронные генераторы (как с постоянным, так и с электрическим возбуждением) с полномасштабными преобразователями. [30] Черный старт возможен [31] и в настоящее время разрабатывается для мест (таких как Айова ), где большая часть электроэнергии вырабатывается за счет ветра. [32]
Операторы системы передачи предоставят разработчику ветряной электростанции сетевой код , чтобы указать требования для подключения к сети передачи. Это будет включать в себя коэффициент мощности , постоянство частоты и динамическое поведение турбин ветряной электростанции во время сбоя системы. [33] [34]
Оффшорная ветроэнергетика — это ветряные электростанции, расположенные на больших водоемах, обычно в море. Эти установки могут использовать более частые и сильные ветры, доступные в этих местах, и оказывать меньшее визуальное воздействие на ландшафт, чем наземные проекты. Однако затраты на строительство и обслуживание значительно выше. [36] [37]
По состоянию на ноябрь 2021 года ветряная электростанция Хорнси в Соединенном Королевстве является крупнейшей морской ветряной электростанцией в мире с мощностью 1218 МВт . [38]
Ближние морские ветряные электростанции могут быть подключены к сети переменного тока, а удаленные от берега - к сети высокого напряжения постоянного тока. [39]
Ресурсы ветровой энергии не всегда расположены вблизи мест с высокой плотностью населения. По мере того, как линии электропередачи становятся длиннее, потери, связанные с передачей электроэнергии, увеличиваются, поскольку виды потерь на меньшей длине усугубляются, и новые виды потерь уже не являются незначительными по мере увеличения длины; что затрудняет транспортировку крупных грузов на большие расстояния. [40]
Когда передающая мощность не соответствует генерирующей мощности, ветряные электростанции вынуждены работать ниже своего полного потенциала или вообще прекращать работу в процессе, известном как сокращение . Хотя это приводит к тому, что потенциал возобновляемой генерации остается неиспользованным, это предотвращает возможную перегрузку сети или риск для надежного обслуживания. [41]
Одной из самых больших текущих проблем интеграции ветроэнергетических сетей в некоторых странах является необходимость разработки новых линий электропередачи для передачи электроэнергии от ветряных электростанций, обычно в отдаленных малонаселенных районах из-за наличия ветра, в места с высокой нагрузкой, обычно на побережьях. где плотность населения выше. [42] Любые существующие линии электропередачи в отдаленных местах, возможно, не предназначены для транспортировки больших объемов энергии. [43] В определенных географических регионах пиковая скорость ветра может не совпадать с пиковым спросом на электроэнергию, будь то на море или на суше. Возможным вариантом в будущем может стать соединение широко рассредоточенных географических областей с помощью суперсети HVDC . [44]
В 2020 году ветер произвел почти 1600 ТВтч электроэнергии, что составило более 5% мирового производства электроэнергии и около 2% потребления энергии. [2] [3] С учетом того, что в 2020 году было добавлено более 100 ГВт , в основном в Китае , глобальная установленная мощность ветроэнергетики достигла более 730 ГВт. [4] [3] Однако, чтобы помочь достичь целей Парижского соглашения по ограничению изменения климата , аналитики говорят, что оно должно расширяться гораздо быстрее - более чем на 1% производства электроэнергии в год. [6] Расширению ветроэнергетики препятствуют субсидии на ископаемое топливо . [48] [49] [50]
Фактическое количество электроэнергии, которую может генерировать ветер, рассчитывается путем умножения паспортной мощности на коэффициент мощности , который варьируется в зависимости от оборудования и местоположения. Оценки коэффициентов мощности ветровых установок находятся в диапазоне от 35% до 44%. [51]
Поскольку скорость ветра непостоянна, годовая выработка энергии ветряной электростанцией никогда не равна сумме номинальных характеристик генератора, умноженной на общее количество часов в году. Отношение фактической производительности за год к этому теоретическому максимуму называется коэффициентом использования мощности. Для некоторых мест доступны онлайн-данные, а коэффициент мощности можно рассчитать на основе годового объема производства. [52] [53]
Проникновение ветровой энергии – это доля энергии, производимой ветром, по сравнению с общим объемом выработки. Доля ветроэнергетики в мировом потреблении электроэнергии в 2021 году составила почти 7%, [55] по сравнению с 3,5% в 2015 году. [56] [57]
Общепринятого максимального уровня проникновения ветра не существует. Предел для конкретной сети будет зависеть от существующих электростанций, механизмов ценообразования, мощности хранения энергии , управления спросом и других факторов. Объединенная электроэнергетическая сеть уже будет включать в себя резервные генерирующие и передающие мощности на случай сбоев оборудования. Эта резервная мощность также может служить для компенсации изменения выработки электроэнергии, производимой ветряными станциями. Исследования показали, что 20% общего годового потребления электроэнергии можно обеспечить с минимальными трудностями. [58] Эти исследования проводились для мест с географически рассредоточенными ветряными электростанциями, некоторой степенью диспетчеризации энергии или гидроэнергетики с емкостью хранения, управлением спросом и подключением к большой энергосистеме, позволяющей экспортировать электроэнергию при необходимости. Электроэнергетические компании продолжают изучать влияние крупномасштабного внедрения ветровой генерации на стабильность системы. [59]
Показатель проникновения ветровой энергии может быть указан для разного периода времени, но часто указывается ежегодно. Для производства почти всей электроэнергии из ветра ежегодно требуется существенное соединение с другими системами, например, часть энергии ветра в Шотландии отправляется в остальную часть британской энергосистемы . [60] Ежемесячно, еженедельно, ежедневно или ежечасно – или реже – ветер может обеспечивать до 100% текущего потребления или более, а остальная часть хранится, экспортируется или сокращается. Тогда сезонная отрасль может воспользоваться преимуществом сильного ветра и низкой продолжительности использования энергии, например, ночью, когда мощность ветра может превышать нормальный спрос. Такая промышленность может включать производство кремния, алюминия, [61] стали или природного газа и водорода, а также использование будущего долгосрочного хранения для обеспечения 100% энергии из переменных возобновляемых источников энергии . [62] [63] [ нужен лучший источник ] Дома и предприятия также можно запрограммировать на изменение спроса на электроэнергию , [64] [65] например, путем дистанционного включения термостатов водонагревателей. [66]
Энергия ветра варьируется, и в периоды слабого ветра ее, возможно, придется заменить другими источниками энергии. Сети передачи в настоящее время справляются с отключениями других электростанций и ежедневными изменениями спроса на электроэнергию, но изменчивость прерывистых источников энергии , таких как энергия ветра, встречается чаще, чем у традиционных электростанций, которые, когда их планируют запустить, могут быть в состоянии обеспечить обеспечивают заявленную мощность примерно в 95% случаев.
Электроэнергия, вырабатываемая ветровой энергией, может сильно варьироваться в нескольких разных временных масштабах: ежечасно, ежедневно или сезонно. Годовые колебания также существуют, но они не столь значительны. [ нужна цитата ] Поскольку мгновенное производство и потребление электроэнергии должно оставаться в балансе для поддержания стабильности сети, эта изменчивость может представлять серьезные проблемы для включения больших объемов энергии ветра в энергосистему. Прерывистость и недиспетчерируемый характер производства ветровой энергии могут привести к повышению затрат на регулирование, дополнительный операционный резерв и (при высоких уровнях проникновения) могут потребовать увеличения уже существующего управления спросом на энергию , сброса нагрузки , решений по хранению или взаимосвязи систем с Кабели постоянного тока .
Колебания нагрузки и допуск на отказ крупных энергоблоков, работающих на ископаемом топливе, требуют эксплуатационной резервной мощности, которую можно увеличить, чтобы компенсировать изменчивость ветровой генерации.
Аккумуляторы коммунального назначения часто используются для балансировки почасовых и более коротких колебаний по времени, [67] [68] , но автомобильные аккумуляторы могут получить распространение с середины 2020-х годов. [69] Сторонники ветроэнергетики утверждают, что с периодами слабого ветра можно справиться, просто перезапустив существующие электростанции, которые находились в готовности, или соединив их с HVDC. [70]
Сочетание диверсификации возобновляемых источников энергии по типу и местоположению, прогнозирования их изменений и интеграции их с управляемыми возобновляемыми источниками энергии, генераторами с гибким топливом и реагированием на спрос может создать энергетическую систему, которая потенциально сможет надежно удовлетворить потребности в электроснабжении. Интеграция все более высоких уровней возобновляемых источников энергии успешно демонстрируется в реальном мире. [71]
Солнечная энергия имеет тенденцию дополнять ветровую. [73] [74] В ежедневных и еженедельных масштабах в районах с высоким давлением , как правило, ясное небо и слабый приземный ветер, тогда как в районах с низким давлением, как правило, более ветрено и облачно. В сезонных масштабах пик солнечной энергии приходится на лето, тогда как во многих регионах энергия ветра ниже летом и выше зимой. [A] [75] Таким образом, сезонные колебания ветровой и солнечной энергии имеют тенденцию несколько компенсировать друг друга. [72] Гибридные ветроэнергетические системы становятся все более популярными. [76]
Для любого конкретного генератора существует вероятность 80%, что мощность ветра изменится менее чем на 10% за час, и вероятность 40%, что она изменится на 10% или более за 5 часов. [77]
Летом 2021 года мощность ветра в Соединенном Королевстве упала из-за самого слабого ветра за семьдесят лет. [78] В будущем сглаживание пиков за счет производства зеленого водорода может помочь, когда доля ветрогенерации будет увеличиваться. [79]
Хотя мощность одной турбины может сильно и быстро меняться в зависимости от местной скорости ветра, по мере того, как все больше турбин подключаются на все больших и больших площадях, средняя выходная мощность становится менее изменчивой и более предсказуемой. [29] [80] Прогноз погоды позволяет подготовить электроэнергетическую сеть к возникающим предсказуемым изменениям в производстве. [81]
Считается, что самые надежные низкоуглеродные электроэнергетические системы будут включать значительную долю энергии ветра. [82]
Обычно традиционная гидроэлектроэнергия очень хорошо дополняет энергию ветра. Когда дует сильный ветер, близлежащие гидроэлектростанции могут временно задерживать подачу воды. Когда ветер утихнет, они смогут, при наличии генерирующих мощностей, быстро увеличить производство, чтобы компенсировать это. Это обеспечивает очень равномерную общую подачу электроэнергии, практически без потерь энергии и дополнительного использования воды.
В качестве альтернативы, когда подходящий напор воды недоступен, гидроаккумулирующие гидроэлектростанции или другие формы хранения энергии в сети, такие как хранилища энергии сжатого воздуха и хранилища тепловой энергии, могут хранить энергию, вырабатываемую в периоды сильного ветра, и высвобождать ее при необходимости. Тип необходимого хранилища зависит от уровня проникновения ветра: низкое проникновение требует ежедневного хранения, а высокое проникновение требует как краткосрочного, так и долгосрочного хранения – до месяца или более. [ нужна цитата ] Накопленная энергия увеличивает экономическую ценность энергии ветра, поскольку ее можно использовать для замены более дорогостоящего производства в периоды пикового спроса. Потенциальный доход от этого арбитража может компенсировать затраты и потери хранилища. Хотя гидроаккумулирующие энергосистемы имеют эффективность лишь около 75% и имеют высокие затраты на установку, их низкие эксплуатационные расходы и способность снижать необходимую электрическую базовую нагрузку могут сэкономить как топливо, так и общие затраты на выработку электроэнергии. [83] [84]
Энергия, необходимая для строительства ветряной электростанции, разделенная на общую выработку энергии ветра за ее срок службы ( Энергетический возврат на вложенную энергию ) варьируется, но в среднем составляет около 20–25. [85] [86] Таким образом, время окупаемости энергии обычно составляет около года.
Береговой ветер — недорогой источник электроэнергии, более дешевый, чем угольные электростанции и новые газовые электростанции. [10] По данным BusinessGreen , ветряные турбины достигли сетевого паритета (точки, при которой стоимость энергии ветра соответствует традиционным источникам) в некоторых регионах Европы в середине 2000-х годов и примерно в то же время в США. Падение цен продолжает снижать приведенную стоимость, и предполагается, что она достигла общего сетевого паритета в Европе в 2010 году и достигнет той же точки в США примерно в 2016 году из-за ожидаемого сокращения капитальных затрат примерно на 12%. [88] [ нужна обновленная информация ] В 2021 году генеральный директор Siemens Gamesa предупредил, что растущий спрос на недорогие ветряные турбины в сочетании с высокими затратами на сырье и высокой стоимостью стали приводит к усилению давления на производителей и снижению рентабельности. [89]
Северная Евразия, Канада, некоторые части США и Патагония в Аргентине являются лучшими регионами для использования ветровой энергии на суше, тогда как в других частях мира солнечная энергия или комбинация ветра и солнца, как правило, дешевле. [90] : 8
Ветроэнергетика капиталоемка , но не требует затрат на топливо. [91] Таким образом, цена на энергию ветра гораздо более стабильна, чем нестабильные цены на источники ископаемого топлива. [92] Однако расчетная средняя стоимость единицы электроэнергии должна включать стоимость строительства турбинных и передающих мощностей, заемные средства, доход инвесторам (включая стоимость риска), расчетную годовую выработку и другие составляющие, усредненные в течение прогнозируемого срока эксплуатации оборудования, который может составлять более 20 лет. Оценки затрат на электроэнергию во многом зависят от этих допущений, поэтому опубликованные цифры затрат могут существенно отличаться.
Наличие ветровой энергии, даже если она субсидируется, может снизить затраты для потребителей (5 миллиардов евро в год в Германии) за счет снижения предельной цены и минимизации использования дорогих пиковых электростанций . [93]
Стоимость снизилась по мере совершенствования технологии ветряных турбин. Теперь лопасти ветряных турбин стали длиннее и легче, производительность турбин улучшилась, а эффективность выработки электроэнергии возросла. Кроме того, капитальные затраты на ветровые проекты и затраты на техническое обслуживание продолжают снижаться. [94]
В 2021 году исследование несубсидируемой электроэнергии Lazard показало, что нормализованная стоимость электроэнергии для ветроэнергетики продолжает падать, но медленнее, чем раньше. По оценкам исследования, стоимость новой электроэнергии, вырабатываемой ветром, составляет от 26 до 50 долларов США за МВтч, по сравнению с новой газовой электростанцией от 45 до 74 долларов США за МВтч. Средняя стоимость полностью устаревших существующих угольных электростанций составляла 42 доллара за МВтч, атомных — 29 долларов за МВтч и газовых — 24 доллара за МВтч. По оценкам исследования, стоимость морской ветроэнергетики составляет около 83 долларов США за МВтч. Совокупный годовой темп роста составлял 4% в год с 2016 по 2021 год по сравнению с 10% в год с 2009 по 2021 год. [10]
Цены на турбины значительно упали в последние годы из-за ужесточения конкурентных условий, таких как более широкое использование энергетических аукционов и отмена субсидий на многих рынках. [95] По состоянию на 2021 год морская ветроэнергетика по-прежнему часто получает субсидии . Но они, как правило, больше не нужны для береговой ветроэнергетики в странах даже с очень низкой ценой на выбросы углерода, таких как Китай, при условии, что нет конкурирующих субсидий на ископаемое топливо . [96]
Силы вторичного рынка стимулируют предприятия использовать энергию ветра, даже если на электроэнергию установлена повышенная цена . Например, социально ответственные производители платят коммунальным предприятиям премию, которая идет на субсидирование и строительство новой ветроэнергетической инфраструктуры. Компании используют энергию, вырабатываемую ветром, и взамен могут заявить, что предпринимают решительные «зеленые» усилия. [97] Ветровые проекты предусматривают местные налоги или платежи вместо налогов и укрепляют экономику сельских сообществ, обеспечивая доход фермерам, имеющим ветряные турбины на своей земле. [98] [99]
Сектор ветроэнергетики также может создавать рабочие места на этапе строительства и эксплуатации. [100] Рабочие места включают производство ветряных турбин и процесс строительства, который включает транспортировку, установку и последующее обслуживание турбин. По оценкам, в 2020 году в ветроэнергетике было занято 1,25 миллиона человек. [101]
Малая ветроэнергетика — это название ветроэнергетических систем, способных производить до 50 кВт электроэнергии. [102] Изолированные сообщества, которые в противном случае могли бы полагаться на дизельные генераторы, могут использовать ветряные турбины в качестве альтернативы. Частные лица могут приобрести эти системы, чтобы уменьшить или устранить свою зависимость от электроэнергии из сети по экономическим причинам или уменьшить выбросы углекислого газа . Ветровые турбины использовались для производства электроэнергии в домашних условиях в сочетании с аккумуляторными батареями на протяжении многих десятилетий в отдаленных районах. [103]
Примеры небольших ветроэнергетических проектов в городских условиях можно найти в Нью-Йорке , где с 2009 года в нескольких строительных проектах крыши были оснащены винтовыми ветряными турбинами типа Горлова . Хотя генерируемая ими энергия невелика по сравнению с общим потреблением зданий, они помогают укрепить «зеленые» характеристики здания, чего не может «показать людям свой высокотехнологичный котел», при этом некоторые проекты также получают прямую поддержку Управление энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк . [104]
Внутренние ветряные турбины, подключенные к сети, могут использовать сетевое хранилище энергии, заменяя таким образом покупную электроэнергию электроэнергией местного производства, когда она доступна. Излишки электроэнергии, производимые отечественными микрогенераторами, в некоторых юрисдикциях могут подаваться в сеть и продаваться коммунальным предприятиям, предоставляя владельцам микрогенераторов розничный кредит для компенсации их затрат на электроэнергию. [105]
Пользователи автономных систем могут либо адаптироваться к прерывистому питанию, либо использовать батареи, фотоэлектрические или дизельные системы в дополнение к ветряной турбине. [106] Такое оборудование, как паркоматы, предупреждающие знаки о дорожном движении, уличное освещение или шлюзы беспроводного Интернета, может питаться от небольшой ветряной турбины, возможно, в сочетании с фотоэлектрической системой, которая заряжает небольшую батарею, заменяя необходимость подключения к электросети. сетка. [107]
Воздушные ветряные турбины , например воздушные змеи, можно использовать в местах, подверженных риску ураганов, поскольку их можно заранее демонтировать. [108]
Воздействие на окружающую среду производства электроэнергии с помощью энергии ветра незначительно по сравнению с воздействием на окружающую среду, производимой при помощи энергии ископаемого топлива . [110] Ветровые турбины имеют одни из самых низких выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла среди источников энергии : выбрасывается гораздо меньше парниковых газов , чем при производстве средней единицы электроэнергии, поэтому энергия ветра помогает ограничить изменение климата. [111] Использование искусственной древесины может обеспечить отрицательный выброс углерода в ветроэнергетику. [112] Энергия ветра не потребляет топлива и не загрязняет местный воздух , в отличие от источников энергии на ископаемом топливе.
Береговые ветряные электростанции могут оказывать значительное визуальное воздействие. [113] Из-за очень низкой поверхностной плотности мощности и требований к пространству, ветряные электростанции обычно приходится размещать на большей территории, чем другие электростанции. [7] [114] Их сеть турбин, подъездных дорог, линий электропередачи и подстанций может привести к «разрастанию энергетики»; [8] хотя земля между турбинами и дорогами все еще может использоваться для сельского хозяйства. [115] [116] Некоторые ветряные электростанции выступают против потенциального порчи охраняемых живописных территорий, археологических ландшафтов и объектов наследия. [117] [118] [119] В докладе Совета по альпинизму Шотландии сделан вывод, что ветряные электростанции наносят ущерб туризму в районах, известных природными ландшафтами и панорамными видами. [120]
Утрата и фрагментация среды обитания являются наибольшим потенциальным воздействием береговых ветряных электростанций на дикую природу [8] , но экологическое воздействие во всем мире минимально. [110] Тысячи птиц и летучих мышей, в том числе редких видов, погибли от лопастей ветряных турбин, [121] хотя ветряные турбины ответственны за гораздо меньшее количество смертей птиц, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе. [122] Это можно смягчить путем надлежащего мониторинга дикой природы. [123]
Лопасти многих ветряных турбин изготовлены из стекловолокна и имеют срок службы 20 лет. [124] Лезвия полые: некоторые лезвия измельчаются, чтобы уменьшить их объем, а затем выбрасываются на свалку. [125] Однако, поскольку они могут выдерживать большой вес, их можно превратить в долговечные небольшие мосты для пешеходов или велосипедистов. [126] Окончание срока службы лезвий является сложной задачей, [127] и лезвия, изготовленные в 2020-х годах, скорее всего, будут полностью пригодны для вторичной переработки. [128]
Ветровые турбины также создают шум. На расстоянии 300 метров (980 футов) уровень шума может составлять около 45 дБ, что немного громче, чем у холодильника. На расстоянии 1,5 км (1 миля) их становится неслышно. [129] [130] Имеются отдельные сообщения о негативном воздействии на здоровье людей, живущих очень близко к ветряным турбинам. [131] Рецензируемые исследования, как правило, не подтверждают эти утверждения. [132] [133] [134]
Хотя ветряные турбины с фиксированным основанием являются зрелой технологией и новые установки, как правило, больше не субсидируются, [135] [136] плавучие ветряные турбины являются относительно новой технологией, поэтому некоторые правительства субсидируют их, например, для использования более глубоких вод. [137]
Субсидии на ископаемое топливо со стороны некоторых правительств замедляют рост возобновляемых источников энергии. [138]
Выдача разрешений на строительство ветряных электростанций может занять годы, и некоторые правительства пытаются ускориться – ветроэнергетика заявляет, что это поможет ограничить изменение климата и повысить энергетическую безопасность [139] – иногда такие группы, как рыбаки, сопротивляются этому [140] , но правительства говорят, что правила, защищающие биоразнообразие по-прежнему будет соблюдаться. [141]
Опросы общественного мнения в Европе и во многих других странах показывают сильную общественную поддержку ветроэнергетики. [143] [144] [145] Баккер и др. (2012) в своем исследовании обнаружили, что жители, которые не хотели, чтобы рядом с ними строили турбины, испытывали значительно больший стресс, чем те, кто «получил экономическую выгоду от ветряных турбин». [146]
Хотя энергия ветра является популярной формой производства энергии, береговым или прибрежным ветряным электростанциям иногда противостоят из-за их воздействия на ландшафт (особенно живописные места, территории наследия и археологические ландшафты), а также из-за шума и воздействия на туризм. [147] [148]
В других случаях ветряные электростанции находятся в прямой общественной собственности . Сотни тысяч людей, принявших участие в работе малых и средних ветряных электростанций Германии, демонстрируют там такую поддержку. [149]
Опрос Харриса 2010 года обнаружил сильную поддержку ветроэнергетики в Германии, других европейских странах и США. [143] [144] [150]
Общественная поддержка в США снизилась с 75% в 2020 году до 62% в 2021 году, при этом Демократическая партия поддерживает использование энергии ветра в два раза больше, чем Республиканская партия. [151] Президент Байден подписал указ о начале строительства крупных ветряных электростанций. [152]
В Китае Shen et al. (2019) обнаружили, что китайские горожане могут сопротивляться строительству ветряных турбин в городских районах, причем удивительно высокая доля людей называет необоснованный страх перед радиацией причиной своих опасений. [153] Кроме того, исследование показывает, что, как и их коллеги в странах ОЭСР, городские китайские респонденты чувствительны к прямым затратам и внешним воздействиям, связанным с дикой природой. Распространение соответствующей информации о турбинах среди общественности может смягчить сопротивление.
Многие ветроэнергетические компании работают с местными сообществами, чтобы уменьшить экологические и другие проблемы, связанные с конкретными ветряными электростанциями. [156] [157] [158] В других случаях проекты ветряных электростанций находятся в прямой общественной собственности . Соответствующие государственные консультации, процедуры планирования и утверждения также помогают минимизировать экологические риски. [143] [159] [160] Некоторые все еще могут возражать против ветряных электростанций [161] , но многие говорят, что их опасения следует сопоставить с необходимостью устранения угроз, связанных с загрязнением воздуха , [162] [111] изменением климата [163] и мнение более широкого сообщества. [164]
Сообщается, что в США проекты ветроэнергетики увеличивают местную налоговую базу, помогают оплачивать школы, дороги и больницы, а также оживляют экономику сельских сообществ, обеспечивая стабильный доход фермерам и другим землевладельцам. [98]
В Великобритании и Национальный фонд , и Кампания по защите сельской Англии выразили обеспокоенность по поводу воздействия на сельский ландшафт неправильного расположения ветряных турбин и ветряных электростанций. [165] [166]
Некоторые ветряные электростанции стали туристическими достопримечательностями. В центре для посетителей ветряной электростанции Уайтли есть выставочный зал, учебный центр, кафе со смотровой площадкой, а также магазин. Им управляет Научный центр Глазго . [167]
В Дании схема компенсации потери стоимости дает людям право требовать компенсацию за потерю стоимости их имущества, если она вызвана близостью к ветряной турбине. Убыток должен составлять не менее 1% от стоимости имущества. [168]
Несмотря на общую поддержку концепции ветроэнергетики среди широкой общественности, часто существует местная оппозиция , которая откладывает или отменяет ряд проектов. [169] [170] [171] Помимо опасений по поводу ландшафта, существуют опасения, что некоторые установки могут производить чрезмерный уровень шума и вибрации, что приводит к снижению стоимости недвижимости. [172] Исследование 50 000 продаж домов рядом с ветряными турбинами не выявило статистических доказательств того, что это повлияло на цены. [173]
Хотя эстетические вопросы являются субъективными, и некоторые находят ветряные электростанции приятными и оптимистичными или символами энергетической независимости и местного процветания, часто формируются группы протеста, которые пытаются заблокировать некоторые ветряные электростанции по разным причинам. [161] [174] [175]
Некоторая оппозиция ветряным электростанциям отвергается как NIMBYism , [176] но исследование, проведенное в 2009 году, показало, что существует мало доказательств, подтверждающих мнение, что жители возражают против ветряных электростанций только из-за позиции «Не на моем заднем дворе». [177]
В отличие от нефти и газа, ветер невозможно отключить, поэтому он может способствовать энергетической безопасности . [178]
Ветровые турбины — это устройства, преобразующие кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. В результате более чем тысячелетнего развития ветряных мельниц и современной техники сегодня ветряные турбины производятся в широком диапазоне типов с горизонтальной и вертикальной осью. Самые маленькие турбины используются, например, для зарядки аккумуляторов для вспомогательных источников энергии. Турбины немного большего размера можно использовать для небольшого вклада в бытовое электроснабжение, одновременно продавая неиспользованную электроэнергию обратно поставщику коммунальных услуг через электрическую сеть. Комплексы крупных турбин, известных как ветряные электростанции, становятся все более важным источником возобновляемой энергии и используются во многих странах в рамках стратегии по снижению их зависимости от ископаемого топлива .
Проектирование ветряной турбины — это процесс определения формы и характеристик ветряной турбины для извлечения энергии из ветра. [179] Ветротурбинная установка состоит из необходимых систем, необходимых для улавливания энергии ветра, направления турбины на ветер, преобразования механического вращения в электрическую энергию и других систем для запуска, остановки и управления турбиной.
В 1919 году немецкий физик Альберт Бец показал, что для гипотетической идеальной машины для извлечения энергии ветра фундаментальные законы сохранения массы и энергии позволяют уловить не более 16/27 (59%) кинетической энергии ветра. . К этому пределу Беца можно приблизиться в современных конструкциях турбин, которые могут достигать 70–80% от теоретического предела Беца. [180] [181]
Аэродинамика ветряной турбины непроста. Поток воздуха на лопастях отличается от потока воздуха вдали от турбины. Сама природа того, как энергия извлекается из воздуха, также приводит к отклонению воздуха турбиной. Это влияет на объекты или другие турбины, расположенные ниже по потоку, что известно как « эффект следа ». Кроме того, аэродинамика ветряной турбины на поверхности ротора демонстрирует явления, которые редко наблюдаются в других аэродинамических областях. Форма и размеры лопастей ветряной турбины определяются аэродинамическими характеристиками, необходимыми для эффективного извлечения энергии ветра, а также прочностью, необходимой для сопротивления силам, действующим на лопасти. [182]
Помимо аэродинамической конструкции лопастей, при проектировании всей ветроэнергетической системы необходимо также учитывать конструкцию втулки ротора установки, гондолы , конструкции башни, генератора, органов управления и фундамента. [183]
Энергия ветра использовалась с тех пор, как люди начали пускать паруса по ветру. В Кодексе царя Хаммурапи (годы правления 1792–1750 гг. до н. э.) уже упоминались ветряные мельницы для выработки механической энергии. [184] Ветряные машины, используемые для измельчения зерна и перекачки воды, ветряные мельницы и ветряные насосы , были разработаны на территории современного Ирана , Афганистана и Пакистана к 9 веку. [185] [186] Энергия ветра была широко доступна и не ограничивалась берегами быстрых ручьев или позже, требуя источников топлива. Насосы с приводом от ветра осушали польдеры Нидерландов , а в засушливых регионах, таких как Средний Запад Америки или глубинка Австралии , ветряные насосы обеспечивали водой скот и паровые двигатели.
Первая ветряная мельница, использовавшаяся для производства электроэнергии, была построена в Шотландии в июле 1887 года профессором Джеймсом Блитом из Андерсон-колледжа в Глазго (предшественник Стратклайдского университета ). [187] Ветряная турбина Блита высотой 10 метров (33 фута) с тканевым парусом была установлена в саду его загородного коттеджа в Мэрикирке в Кинкардиншире и использовалась для зарядки аккумуляторов , разработанных французом Камиллой Альфонсом Фором , для питания освещения в коттедж, [187] что делает его первым домом в мире, электроэнергия которого подается за счет энергии ветра. [188] Блит предложил жителям Мэрикирка избыток электроэнергии для освещения главной улицы, однако они отклонили это предложение, поскольку считали, что электроэнергия - это «работа дьявола». [187] Хотя позже он построил ветряную турбину для снабжения аварийным электроэнергией местного сумасшедшего дома, лазарета и диспансера Монтроуза , изобретение так и не прижилось, поскольку технология не считалась экономически жизнеспособной. [187]
По ту сторону Атлантики, в Кливленде, штат Огайо , зимой 1887–1888 годов Чарльзом Ф. Брашем была спроектирована и построена более крупная и тщательно сконструированная машина . [ 189 ] Ветряная турбина Brush имела ротор диаметром 17 метров (56 футов) и была установлена на башне высотой 18 метров (59 футов). . Несмотря на большие размеры по сегодняшним меркам, мощность машины составляла всего 12 кВт. Подключенная динамо-машина использовалась либо для зарядки аккумуляторов, либо для питания до 100 ламп накаливания , трех дуговых ламп и различных двигателей в лаборатории Браша. [191] С развитием электроэнергетики энергия ветра нашла новые применения в освещении зданий, удаленных от централизованно вырабатываемой энергии. На протяжении 20-го века на параллельных путях создавались небольшие ветряные станции, подходящие для ферм или жилых домов. С 1932 года во многих изолированных объектах недвижимости в Австралии освещение и электрические вентиляторы работали от батарей, заряжаемых ветряным генератором Freelite, производящим 100 Вт электроэнергии при скорости ветра всего лишь 10 миль в час (16 км/ч). [192]
Нефтяной кризис 1973 года спровоцировал расследование в Дании и США, которое привело к созданию ветрогенераторов более крупного масштаба, которые можно было подключать к электросетям для удаленного использования энергии. К 2008 году установленная мощность в США достигла 25,4 гигаватт, а к 2012 году установленная мощность составила 60 гигаватт. [193] Сегодня ветряные генераторы работают в любом диапазоне размеров: от крошечных станций для зарядки аккумуляторов в изолированных жилых домах до морских ветряных электростанций мощностью в гигаватт , которые обеспечивают электроэнергией национальные электрические сети.
{{cite journal}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)Ключевой движущей силой наращивания мощностей стало прекращение субсидий центрального правительства в конце 2021 года.
Субсидии на ископаемое топливо являются одним из крупнейших финансовых барьеров, препятствующих переходу мира на возобновляемые источники энергии.