Как устроены ветроэлектростанции в Америке

Завораживающее зрелище открывается на подъезде к небольшому курортному городку Палм Спрингс, что расположен в паре часов езды от Лос-Анджелеса. Слева и справа от шоссе, все пространство пустыни до горизонта заполняют тысячи гигантских ветряных мельниц, неспешно вращающих своими футуристическими лопастями.

Давно хотелось узнать, почему именно в этом месте сосредоточено три с половиной тысячи ветряков? Сколько энергии они вырабатывают? Почему некоторые из них крутятся, а некоторые рядом остановились? Что будет если ветер изменит направление? Недавно представился случай попасть на территорию этой ветряной мегаэлектростанции, где нам все подробно рассказали, а мы поделимся этим с вами.

 

Почему именно здесь? Многочисленные ветряки расположились в довольно уникальном месте - это большой горный перевал под названием Перевал Святого Горгония (San Gorgonio Pass). Сама электростанция так и называется San Gorgonio Pass Wind Farm. Перевал образовался благодаря знаменитому разлому Сан-Андреас, и по нему проходит фривей №10, соединяющий Лос-Анджелес и штат Аризона.

По обеим сторонам перевала, возвышаются горы высотой почти в 3 километра. Благодаря специфическим природным условиям в этой естественной трубе практически постоянно дует сильный ветер, что делает это место идеальным для размещения крупной ветряной электростанции. Это одно из самых ветреных мест в Калифорнии.

Всего в этой местности сосредоточено 3200 ветрогенераторов. Суммарная мощность станции 615 МВт, что примерно сопоставимо с мощностью привычных нам Тепловых Электростанций (ТЭС). Оказалось, что ветрогенераторы сейчас очень быстро совершенствуются и их мощность постоянно растет. Поэтому значение имеет не только количество ветряков, но и мощность каждого из них. Станция San Gorgonio Pass Wind Farm возникла еще в конце 70-х годов, и многие генераторы здесь уже довольно старые, а потому несмотря на их большое количество, станция является лишь третьей по мощности в Калифорнии.

Для сравнения, на самой мощной Калифорнийской ветряной станции Alta Wind Energy Center работает в пять с половиной раз меньше генераторов, "всего" 600 штук, но ее мощность гораздо выше, 1600МВт, а это уже сопоставимо c крупными гидроэлектростанциями. Так например, крупнейшая гидроэлектростанция Европы - Волжская ГЭС - имеет мощность 2600 МВт, а знаменитая американская Плотина Гувера 2060 МВт. Но еще интереснее оказалось то, что крупнейшая ветроэлектростанция (ВЭС) мира - Ганьсу на данный момент находится в Китае. ВЭС Ганьсу уже сегодня имеет мощность в 8000 МВт (!), что равно по мощности крупнейшей атомной станции существующей на данный момент на планете (расположена в Японии). При этом китайская ветроэлектростанция Ганьсу еще только строится, и через 5 лет должна достигнуть мощности более 20 000 МВт. Звучит невероятно, но это сделает ее второй по мощности электростанцией мира, среди всех типов станций, которые вообще бывают. Как же так, ведь мы привыкли считать ветроэнергетику чем-то экзотическим?

Вообще поэтому стало интересно в общих чертах сравнить ветроэнергетику с более традиционными источниками энергии. Особенно интересна динамика развития. Выяснялись совершенно потрясающие факты. Оказывается ветроэнергетика во многих странах мира уже давно не считается "альтернативной", а перешла в разряд основной. Ярким примером может служить Дания, где энергия ветра покрывает уже 40% всех энергонужд страны. Энергетические планы Датчан просто потрясают: производить от ветра 50% всей энергии уже к 2020 году, и 85% к 2035-му. В 2050 году Дания должна покрывать свои потребности в электроэнергии с помощью ветра. То есть 100% всех нужд страны.

Но не только Дания, но и другие страны сделали ставку на ветроэнергетику. Уже сегодня 23% всей электроэнергии Португалии, 27% в Испании, 20% в Ирландии, 12% Великобритании, 11% в Германии покрывается за счет ветра.

Но крупнейшими производителями энергии от ветра сегодня являются Китай и США. Поднебесная развивает альтернативную энергетику запредельными темпами.

Интересно, что общая установленная мощность всех электростанций Китая в 2015 году достигла 1359 ГВт. Из которых: ГЭС - 268 ГВт, тепловых электростанции - 935,01 ГВт, ядерная энергетика - 22,14 ГВт. Мощность ветряных электростанций достигла 115 ГВт, увеличившись сразу на четверть за 2014 год (источник).

Эти цифры поражают! Только от ветра Китай вырабатывает 115 ГВт электроэнергии, и мощность от ветра увеличивается на четверть в год. К 2020 году Китай планирует ввести еще около 100 ГВт от ветра, суммарно производа 220-230 ГВт электроэнергии от ветра. Для сравнения, вся электроэнергетика России вместе взятая сегодня вырабатывает 232 ГВт

 

Получается, что при сохранении темпов роста, всего через 4-5 лет Китай только от ветра будет получать электричества столько же или даже больше, чем могут выработать все электростанции России? Да да, больше чем тепловые+гидро+атомные вместе взятые. Как такое вообще возможно? Верится в это с трудом. При этом интересно, что даже статьи "Ветроэнергетика в России" на русском языке в Wikipedia сегодня не существует (хотя небольшая статья на английском и японском имеется: https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power_in_Russia).

Что касается США, то на данный момент, мощности ветроэнергетики здесь составляют окло 70 ГВт, и также растут в среднем на четверть в год. Это много, очень много. По плану федерального правительства через 15 лет не менее 20% всей энергии в США должно вырабатываться именно от ветра (Источник). Аналогичные программы существуют и для солнечной энергетики. Но вернемся в Калифорнию, на станцию San Gorgonio Pass Wind Farm. Около входа есть небольшой музей, где можно посмотреть на устаревшие модели ветряков.

 

Вот эти ребята на фото начали эту гигантскую станцию в далеких 70-х. Тогда это было делом энтузиастов и эксперементаторов над которыми все посмеивались.

Вот так выглядит установка со снятым кожухом. В современных установках эта часть уже размером с огромную комнату, в которой может находиться несколько человек.

Размах лопастей также постоянно растет. На левом фото более современная установка, размах лопастей десятки метров. На фото справа очень старая, лопасти всего около 12 метров.

Здесь видна разница между старыми и новыми установками. Изменилось все, включая башню. Старые ветряки дорабатывают свой ресурс.

Кстати, одно время башня была треугольной и выглядела наподобии башен ЛЭП. Из плюсов конструкции: удобство ремонта (башню можно было просто сложить на землю).

Со временем пришлось создать более эргономичную форму, так как подобные конструкции часто падали под напором ветра и возникающей в них вибрации.

Иногда на старые башни устанавливали более современные двигатели и лопасти. Но это промежуточный этап. Современные турбины настолько огромны и тяжелы, то для них необходима специальная башня.

Вот эта установка крупнейшая из тех что работают на станции San Gorgonio Pass Wind Farm. Ее мощность 3 мегаватта, а производит такие турбины датская компания Vestas. Размах лопастей этой красавицы целых 90 метров (!), а вес верхней гондолы с двигателем внутри более 70 тонн. Она крутится намного медленнее, чем установки прошлых поколений, а вырабатывает значительно больше энергии. 

 

Другой особенностью современных установок является автоматическая поворотная башня. Другими словами эта установка самостоятельно определяет направление ветра и поворачивается в его сторону, сохраняя эффективность. Все это происходит без участия человека, в автоматическом режиме.

Видите справа столб с красными шариками? Это одна из множества метеостанций, расставленных по территории станции. Они фиксируют погодные условия, скорость и направление ветра и передают информацию на центральный компьютер, который автоматически адаптирует все ветряки под метео-условия. Кстати, если вы видите что несколько ветряков не вращаются, в то время как рядомстоящие быстро крутятся, скорее всего это означает что там проводятся какие то профилактические работы.

Ученые постоянно разрабатывают методы повышения эффективности как самих ветрогенераторов, так и станций в целом. Например на этой станции есть обычно выключенная резервная газовая ТЭС, способная запуститься всего за 10 минут в случае полного отсутсвия ветра, чтобы сгладить провалы. ТЭС полностью автономна и используется только в крайних случаях, так как ветер в этой местнсти дует практически постоянно.

Более современным решением является создание гибридных Солнечно-Ветряных станций. Так как современные установки значительно увеличились в размерах и теперь расстояние между ними довольно большое, появилась возможность устанавливать прямо под ветряками панели солнечных батарей.

 

Говорят, что именно за такими гибридными решениями будущее энергетики.

Третьей составляющей является совершенствование хранилищ для электроэнергии, чтобы станция могла запасать электричество на случай спада силы ветра или наступления ночи (в случае солнечных батарей).

 

Кстати, солнечная энергетика развивается в Калифорнии едва ли не быстрее ветряной. Об открытии крупнейшей солнечной электростанции мира мы писали вот здесь.

Ну и напоследок, посмотрите на самую современную и мощную ветроустановку существующую на данный момент в мире. Ее мощность уже целых 8 мегаватт, высота 187 метров (!), размах лопастей 164 метра. Кстати внутри лопасти спокойно может проехать двухэтажный рейсовый автобус. Сейчас такие турбины начинают устанавливать на шельфах в океане, где сила ветра больше. Посмотрите захватывающее видео, сравнивающее размер одной такой турбины с известными зданиями в Лондоне.

YouTube

3:04