Электрический шторм: как избежать электрический голод
- Проект Blue-H
Распределение потребления электроэнергии в мире
Многие специалисты дают на данный вопрос уверенный ответ: следует сделать ставку на ветер. Атмосфера планеты представляет собой большой даровой двигатель, что может обеспечивать электроэнергией и отдельные дома, и страны, и целые континенты. В 2005 году группа исследователей Стэнфордского университета совершила фундаментальные изучения потенциала развития всемирный ветроэнергетики и взяла очень обнадеживающие результаты.
Выясняется, практически над отечественными головами находится неиссякаемый источник недорогого электричества, что мы в состоянии применять уже на данный момент. Ветер способен дать нам в семь раза больше электричества, чем мы потребляем сейчас. И это с учетом нынешнего уровня развития разработок, каковые способны преобразовать в электричество только пятую часть кинетической энергии ветра.
В отыскивании ветра
Распределение воздушных потоков над планетой неоднородно. Оно зависит от рельефа местности, температуры воздуха, географических координат и атмосферного давления. Природа живет по своим законам, существуют места, в которых ветер не стихает ни на секунду, а имеется районы, где и не сильный ветерок большая редкость. Ветер, талантливый вращать роторы турбин, видится далеко не везде.
Один из самых неповторимых регионов в мире — американская Великая равнина, в особенности штат Северная Дакота.
Ее ветра имели возможность бы обеспечить четверть нынешней потребности США в электричества. Великую равнину многие специалисты сравнивают с нефтяным Персидским заливом — таким многообещающим выглядит ее ветроэнергетический потенциал. Всего же Соединенные Штаты собираются нарастить мощности национальной ветроэнергетики до 20% потребления уже к 2020 году.
За последнее десятилетие мировая ветроэнергетика семикратно увеличилась. Ее предстоящий рост затрудняется экологическими обстоятельствами. Это лишь на первый взгляд думается, что завораживающие стометровые гиганты не оказывают никакого влияния на внешнюю среду, не считая выброса во всемирной эфир экологически чистой кармы.
Ветроустановки через чур шумны и нарушают обычное распространение радиосигналов. Их мачты на горизонте обычно нарушают визуальную гармонию местности, и во многих случаях власти запрещают их установку в пределах прямой видимости из населенных пунктов.
Самые сильные ветра на суше, в большинстве случаев, дуют в горных районах. На высоте более 1 км рельеф фактически не оказывает влияния на силу ветра, да и плотность населения в этих районах очень низка. Но вы попытайтесь смонтировать в том месте огромный ветряк, а после этого протянуть от него линию электропередач до Громадной почвы!
Тем более что одним генератором не обойдешься: удачным делается только создание громадных ветряных ферм, складывающихся из сотен и десятков турбин. Исходя из этого горное размещение ветроэлектростанций экономически малоэффективно.
Огромный поплавок
На Земле существуют огромные пустынные площади, изобилующие замечательными потоками воздушных весов. Это моря и прибрежное мелководье. Самый стабильны в отношении направления, силы и скорости ветра прибрежные шельфовые территории.
Подсчитано, что потенциальная энергоемкость ветров атлантического и тихоокеанского побережий Америки способна перекрыть потребность США в электричества многократно. Норвежские ученые подсчитали, что теоретический энергетический потенциал ветра в экономической морской территории страны в 200 раз превышает нынешнюю выработку энергии всеми гидроэлектростанциями Норвегии, а ее суммарная цена на порядок больше стоимости всего добываемого газа и нефти в год! Подобные возможности развития морской ветроэнергетики раскрываются в Японии, Испании, Англии, Чили, Канаде и других государствах.
Но с технической точки зрения добыть энергию из крепкого свежего морского ветра весьма непросто. Прекрасно, в то время, когда у берегов простираются громадные мелководные территории с глубинами до двадцати метров, как, к примеру, в районе датского Виндеби, где еще в первой половине 90-ых годов двадцатого века компания Siemens Wind Power создала первую в мире ветряную ферму, складывающуюся из 11 ветрогенераторов мощностью 450 кВт любой. Но море у берегов Норвегии, Японии, запада США, Португалии и Испании, каковые традиционно считаются ветронасыщенными, намного глубже.
Да и сила ветра в том месте не так громадна — в открытом море ветер на 30% крепче, соответственно, и работа ветрогенераторов действеннее на ту же величину. Но как добраться до этих электрических райских кущ? Классические стационарные ветроустановки имеют большую глубину установки не более двадцати метров — подводные работы по строительству на громадных глубинах очень дороги и страшны.
Если вы не имеете возможность подняться на дно ногами, вам нужно будет поплыть! Опыт создания плавучих нефтяных и газовых платформ уже существует. В Мексиканском заливе и Северном море кое-какие из них нормально функционируют на больших глубинах.
Конечно, фундамент под 200-метровой толщей воды сделать нереально, а вот надежно закрепить плавучее надводное основание на мертвых якорях (постоянная бетонная конструкция, опускаемая на дно посредством плавучего крана) — задача хоть и сложная, но выполнимая. В итоге получается весьма твёрдая и фактически неподвижная платформа, на которой возможно разместить мачту ветрогенератора, подсобные и жилые помещения, эргономичный причал для судов и вертолетную площадку. Предельные глубины, на которых целесообразно применение плавучих платформ, — 100−200 м.
самая перспективная несущая конструкция для ветроэлектростанции предусматривает применение спар-буя — герметичной железной трубы с балластом в основании и площадкой для крепления турбины в верхней части. Долгая якорные крепления и подводная часть делают его поразительно устойчивым к сильному ветру и штормам. Кроме того в экстремальных условиях спар-буй сохраняет вертикальное положение благодаря балласту, находящемуся в ста либо более метрах ниже уровня моря.
Второе преимущество буя перед платформами — предельные глубины установки. В соответствии с расчетам, сегодняшние возможности морской строительной техники способны обеспечить установку буя и якорей на глубине до 700 м.
А это уже практически открытое море, где сила и стабильность ветра в разы выше, чем на суше и мелководье. Действительно, ремонт и обслуживание спар-буя будут проблематичны из-за отсутствия на его надводной части площадки для судов и приёма вертолётов. Но, опыт эксплуатации ветряных генераторов демонстрирует, что они требуют минимального обслуживания в течение долгого срока работы.
Морская вода — не самая благоприятная среда для металлических конструкций, но современные средства защиты от коррозии снабжают эксплуатацию плавучих ветряков в течение более 200 лет.
Альянс капитала и ума
Возможность появления действующих оффшорных ветряных генераторов стала настоящей по окончании совместного заявления норвежской нефтегазодобывающей компании StatoilHydro и ведущего мирового производителя ветряков, германского концерна Siemens. Партнеры собираются построить первую в мире коммерческую плавучую электростанцию мощностью 2,3 МВт в 10 км от юго-восточной оконечности Норвегии на глубине около 200 м в осеннюю пору 2009 года. Выбор места не случаен.
Уже в течение 30 лет компания Statoil создаёт подводную геологоразведку, добычу нефти и газа в этом регионе, и изучает темперамент перемещения воздушных погоды и масс. Норвежцы знают дно Северного моря очень хорошо.
Проект называющиеся Hywind создан специально для размещения в глубоководных территориях Северного моря. Предельная глубина установки ветряных генераторов типа Hywind — 700 м! Это делает дешёвыми большие энергетические ресурсы стабильных и замечательных морских ветров. Громадный 165-метровый спар-буй, прикрепленный к дну моря тремя мертвыми якорями, будет нести на себе стандартную 2,3-мегаваттную трехлопастную турбину компании Siemens весом 138 т. Диаметр легких и прочных стеклопластиковых лопастей ее ротора составит 82,4 м!
Громадная конструкция будет возвышаться над морем на 65 м и весить 5300 т. Масштабная трехметровая модель Hywind удачно прошла тестирование на волновом симуляторе в норвежском Тронхейме, и на данный момент уже начались работы по изготовлению ее компонентов. Hywind будет производить товарное электричество, но основная задача проекта на этом этапе — проверка работы турбины в условиях открытого моря и предстоящее изучение черт ветра в регионе. В будущем мощность турбин планируется расширить до 5 МВт, а диаметр лопастей роторов — до 120 м. Согласно точки зрения вице-президента StatoilHydro Анне Стрёммен Лике, это главный проект для развития всемирный ветроэнергетики.
«В случае если Hywind получит, это будет означать, что дорога к неисчерпаемым экологически чистым энергоресурсам открыта», — говорит Анне.
Соперники не спят
На данный момент в мире еще как минимум две компании разрабатывают коммерческие оффшорные плавучие ветряные генераторы: голландская Blue H и норвежская Sway, находящеяся в собствености на 25% той же StatoilHydro.
В отличие от StatoilHydro и Siemens, использующих серийный вариант турбины, эти компании создают новые, более легкие и компактные ветроустановки для понижения веса поддерживающих облегчения и конструкций монтажа всей установки. Концепция Blue H базируется на классических архитектурных ответах, используемых при возведении морских нефтяных и газовых платформ. В их основе — плавучее основание, крепящееся к дну моря при помощи нескольких натянутых металлических тросов и массивных мертвых якорей либо свай.
Такие конструкции хорошо выдерживают среднюю по мощности и высоте волну и фактически неподвижны. Как раз такая энергетическая установка сравнительно не так давно была выстроена в 10 км от итальянского порта Бриндизи. Она есть тестовой и оснащена не сильный 80-киловаттной турбиной.
Цели ее постройки чисто научные: стабильности и измерение силы ветров в данной территории, и проверка эффективности работы инновационного ротора. В осеннюю пору этого года Blue H собирается установить еще две оффшорные плавучие электростанции, мощностью 2,5 и 3,5 милионов ватт, поблизости от первой тестовой платформы. А следующим летом начнется возведение тестовой платформы в 37 км от Кейп-Код в рамках громадного проекта первой американской атлантической ветряной фермы.
Соперник голландцев, норвежская компания Sway, предлагает иную комбинацию несущей конструкции и дизайна турбины. Как и у Statoil, базисным элементом установки помогает спар-буй — 200-метровая герметичная труба с балластом в основании и гондолой ветрогенератора вверху. Крепление к дну моря этого «поплавка» осуществляется посредством трех замечательных металлических тросов и мертвых якорей неспециализированным весом 2400 т. В рабочем положении тросы не натянуты и вся установка вольно качается на волнах.
Предельная расчетная глубина моря в месте размещения ветряка — 300 м.
Преимущество разработки Sway — это маленький вес якорей в сравнении с платформой натяжного якорного крепления. Помимо этого, норвежцы не стали экспериментировать с дизайном турбины и остановились на хорошем трехлопастном варианте. Действительно, в отличие от турбин наземного размещения, она разворачивается не «под ветер», а «от ветра», для более надежного крепления на вершине опоры, и оснащена особым элементом жесткости. Кроме того при весьма сильном ветре мачта сохраняет вертикальное положение, не смотря на то, что давление ветра на лопасти ротора 5-мегаваттной турбины превышает 60 т.
Ветреное будущее
Вероятнее, опыты по размещению замечательных турбин в открытом море увенчаются успехом. Что же дальше? Директор подразделения компании Hydro по новым видам энергии Александра Бек-Гьорв говорит, что в среднесрочной возможности цель компании — создание масштабных морских ветряных парков, складывающихся из 200 и более генераторов мощностью 5 МВт любой.
Один таковой парк будет способен производить 4 тераватт-часа электричества в год и снабжать едой как морские нефтегазовые платформы, так и бытовые электросети. Нужно заявить, что энергосети ранее нехотя брали электричество от ветряных ферм: ветер — фактор нерегулируемый, соответственно, и выработка энергии от него нестабильна. В случае если ветер слабеет, то генерация падает, и напротив.
Учитывая, что сами сети испытывают провалы энергопотребления и периодические пики, поток энергии от ветряков делается дополнительным дестабилизирующим причиной.
Но все это относится по большей части к ветряным фермам наземного базирования. Свежий Морской ветер отличается постоянством, а совокупности преобразования синхронизации и исходного тока его с параметрами сети стали более идеальными. К тому же концепция энергопередачи в пара сетей в один момент решает проблему нестабильности потребления. Как вычисляет Александра Бек-Гьорв, через 10−15 лет ветряные парки покажутся в разных точках планеты и станут важными игроками на энергетическом рынке.
Энергия ветра будет существенно дешевле той, которая получается при сжигании угля либо газа, и будет на равных соперничать с энергией гидроэлектростанций. Соответственно, энергетический голод человечеству не угрожает.
Без единого гвоздя
Разработка изготовления лопастей ротора для ветряных генераторов IntegralBlade® создана компанией Siemens Wind Power. Ее уникальность в том, что целый процесс проходит в один этап, на протяжении которого употребляется один многоразовый набор форм, а сами лопасти получаются цельными и не имеют клеевых соединений и швов.
Схематически процесс изготовления лопасти выглядит так: на внутреннюю эластичную модель наносят пара слоев стекловолокна, внешнюю твёрдую форму хорошо прижимают к модели и под нагревом ламинируют стекловолокно. Потом под внешнюю форму нагнетают эпоксидную смолу и еще раз «запекают» заготовку без демонтажа внешней формы. По окончании затвердевания смолы из внутренней эластичной модели откачивают воздушное пространство и извлекают ее из корпуса лопасти.
В следствии получается идеально обработанная и равномерно прочная цельная лопасть.
Характеристики проекта Hywind
• Установленная мощность турбины — 2,3 МВт / тип Siemens SWT-2,3−93
• Масса турбины — 138 т
• Высота надводной части — 65 м
• Диаметр лопастей ротора — 82,4 м тип лопастей ротора — IntegralBlade®
• Глубинапогружения подводной части спар-буя — 100 м
• Суммарная масса конструкции — 5300 т
• Диаметр спар-буя на уровне моря — 6 м
• Диаметр подводнойчасти спар-буя — 8,3 м
• Диапазон глубин установки — 120−700 м
• Количество донных мертвых якорей — 3
Оптимизм в цифрах
- Кое-какие модели турбин вращаются с постоянной скоростью. Но самый действенны генераторы, применяющие полупроводниковый стабилизатор напряжения для работы в широком диапазоне скоростей
Исследователи Стэнфордского университета утверждают, что потенциальная энергия ветра на планете в пять раз превышает энергетические потребности человечества. На сегодня в мире отыскано более 1000 мест с благоприятными погодными условиями для установки современного ветряного генератора электричества. Все эти турбины совместно забранные имели возможность бы создавать до 72 ТВт электричества.
Самая громадная турбина в одиночку создаёт до 5 МВт энергии — этого достаточно, дабы обеспечить едой 5000 домохозяйств. На данный момент часть энергии ветра в общем энергопотреблении планеты образовывает всего 1%, но в отдельных государствах эта цифра куда более внушительна: 19% в Дании, 9% в Португалии и Испании, 6% в Ирландии и Германии. За последние семь лет потребление энергии ветра в мире возросло пятикратно.
Комментарий эксперта
Один из ведущих в мире специалистов по морской промышленной архитектуре Пол Склавунос скептически относится к инновациям в области дизайна турбин. Он уверен в том, что проверенные годами качественные ветряные генераторы, доказавшие собственную эффективность на суше, предпочтительнее для начального этапа освоения глубоководных, богатых сильным ветром районов.
Склавунос уверен, что основная задача на сегодня — всесторонняя проверка технологических ответов плавучих несущих установок, доводка разных компонентов их конструкции и глубокое изучение характера ветров на глубоководье. Наряду с этим он вычисляет методику Sway более универсальной. Твёрдые конструкции хорошо противостоят средним крепкому ветру и волнам, но в условиях ожесточённых штормов в Северном море, где беспокойство иногда достигает высоты 40 м, они смогут разрушиться.
Простые узкие «поплавки», как у Sway и StatoilHydro, нормально выдерживают такие опробования на прочность.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№71, сентябрь 2008).
<
h4>