Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии на ветровой электростанции), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.
Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием активности Солнца.
Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, в некотороых станциях генерации электроэнергии с помощью ветра - основной источник электроэнергии, например в Дании, где ветрогенерация в 2024 году превысила 50% от общей генерации электроэнергии.
Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой доле ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой доли возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии и системы накопления электроэнергии.
История использования энергии ветра
Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в XIII веке принесены в Европу крестоносцамиAlan Wyatt, Electric Power: Challenges and Choices, (1986), Book Press Ltd., Toronto, ISBN 0-920650-00-7..
Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI века единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашёл способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле.
Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых.
В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы: Толедо — 1526 год, Глостер — 1542 год, Лондон — 1582 год, Париж — 1608 год и так далее.
В Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.
Первая ветряная электростанция — «мельница» Блита диаметром 9 метров — была построена в 1887 году на даче Блита в Мэрикирке (Великобритания)Понятов А. Вступив в эпоху электричества // Наука и жизнь. — 2020. — № 1. — С. 16.. Блит предложил избыточную электроэнергию со своей «мельницы» жителям Мэрикирка для освещения главной улицы, но получил отказ, так как те считали, что электроэнергия — это «работа дьявола»Понятов А. Вступив в эпоху электричества // Наука и жизнь. — 2020. — № 1. — С. 16 — 17.. В дальнейшем Блит построил ветряную турбину для подачи аварийного питания в местную больницу, сумасшедший дом и амбулаториюПонятов А. Вступив в эпоху электричества // Наука и жизнь. — 2020. — № 1. — С. 17.. Однако технологию Блита сочли экономически нежизнеспособной и следующая ветроэлектростанция появилась в Великобритании только в 1951 году. Первая автоматически управляемая ветряная установка американца Чарльза Браша появилась в 1888 году и имела диаметр ротора 17 метров.
В Дании в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908 году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 метра и четырёхлопастные роторы диаметром 23 метра. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров. К 1941 году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт.
В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги.
Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1970-х после нефтяного кризиса 1973 года. Кризис продемонстрировал зависимость многих стран от импорта нефти и привёл к поиску вариантов снижения этой зависимости. В середине 1970-х в Дании начались испытания предшественников современных ветрогенераторов. Позднее чернобыльская катастрофа также стимулировала интерес к возобновляемым источникам энергии. Калифорния осуществила одну из первых программ стимулирования ветроэнергетики, начав предоставление налоговых льгот для производителей электроэнергии из ветра.
В 2020 году было установлено 93 ГВт новых мощностей, что на 53 % больше по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. В 2020 году рекордный рост был обусловлен всплеском установок в Китае и США — двух крупнейших мировых рынках ветроэнергетики — которые вместе установили почти 75 % новых установок в 2020 году, что составляет более половины всей мировой ветроэнергетики. В 2020 году общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 743 ГВт, что эквивалентно годовым выбросам углерода во всей Южной Америке или более 1,1 миллиарда тонн CO2 в год. В 2019 году общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 651 гигаватт и, таким образом, превзошла суммарную установленную мощность атомной энергетики (однако на практике реальная в среднем за год мощность ветрогенераторов, вследствие их невысокого КИУМ, в несколько раз ниже установленной мощности, в то время как АЭС почти всегда работает в режиме установленной мощности). В 2019 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 1430 тераватт-часов (5,3 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику. Согласно данным WindEurope, в 2019 году в Дании с помощью ветрогенераторов было произведено 48 % всего электричества, в Ирландии — 33 %, в Португалии — 27 %, в Германии — 26 %, в Великобритании — 22 %, в Испании — 21 %, в Европейском Союзе в целом — 15 %. В 2014 году 85 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе. По итогам 2015 года в ветроэнергетике занято более 1 000 000 человек во всем мире (в том числе 500 000 в Китае и 138 000 в Германии).
В России
В середине 1920-х годов ЦАГИ разрабатывал ветроэлектрические станции и ветряки для сельского хозяйства. Конструкция «крестьянского ветряка» могла быть изготовлена на месте из доступных материалов. Его мощность варьировалась от 3 л. с., 8 л. с. до 45 л. с. Такая установка могла освещать 150—200 дворов или приводить в действие мельницу. Для постоянства работы был предусмотрен гидравлический аккумуляторИспользование энергии ветра в СССР // Бурят-Монгольская правда. № 109 (782) 18 мая 1926 года. — С. 7.. В 1931 году в Курске была построена ветроэлектростанция Уфимцева, первая в мире ветроэлектрическая станция с инерционным аккумулятором, она является объектом культурного наследия федерального значения. В том же году в Балаклаве вошла в строй ветроэлектростанция мощностью 100 киловатт, на тот момент самая мощная в мире, но была разрушена в 1941 году во время боёв Великой Отечественной войны.
В 2013 году в России действовала только одна крупная ВЭС — Куликовская (5 МВт)Дегтярёв К. Ветроэнергетика: освоение новых территорий // Наука и жизнь. — 2023. — № 12. — С. 53..
Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 /год. Экономический потенциал составляет примерно 260 /год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.
Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.
Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период — период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % — в Северном экономическом районе, около 16 % — в Западной и Восточной Сибири.
Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17—18 МВт.
Самые крупные ветроэлектростанции России находятся в Крыму и построены украинскими предпринимателями: Донузлавская ВЭС (суммарная мощность 18,7 МВт), Останинская ВЭС («Водэнергоремналадка») (26 МВт), Тарханкутская ВЭС (15,9 МВт) и Восточно-Крымская ВЭС. В общей сложности они располагают 522 ветроагрегатами мощностью 59 МВт.
Ещё одна крупная ветроэлектростанция России (5,1 МВт) расположена в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Зеленоградская ВЭУ состоит из 21 установки датской компании SEAS Energi Service A.S.
На Чукотке действует Анадырская ВЭС мощностью 2,5 МВт (10 ветроагрегатов по 250 кВт). Годовая выработка в 2011 году не превысила 0,2 .
В Республике Башкортостан действует ВЭС Тюпкильды мощностью 2,2 МВт, располагающаяся около одноимённой деревни Туймазинского района. ВЭС состоит из четырёх ветроагрегатов немецкой фирмы Hanseatische AG типа ЕТ 550/41 мощностью по 550 кВт. Годовая выработка электроэнергии в 2008—2010 годах не превышала 0,4 .
В Республике Калмыкия в Приютненском районе, компанией ООО «АЛТЭН» была построена ветровая электростанция мощностью 2,4 МВт, суммарной выработкой 10 в год. ООО «АЛТЭН» управляет активами установленного ветропарка, а также проводит мероприятия по его обслуживанию и эксплуатации совместно с компанией Vensys-Elektrotechnik.
В Республике Коми вблизи Воркуты не достроена Заполярная ВДЭС мощностью 3 МВт. На 2006 действуют 6 установок по 250 кВт общей мощностью 1,5 МВт.
На острове Беринга Командорских островов действует ВЭС мощностью 1,2 МВт.
Успешным примером реализации возможностей ветряных установок в сложных климатических условиях является ветродизельная электростанция на мысе Сеть-Наволок Кольского полуострова мощностью до 0,1 МВт. В 17 километрах от неё в 2009 году начато обследование параметров будущей ВЭС работающей в комплексе с Кислогубской ПЭС.
Существуют проекты на разных стадиях проработки Ленинградской ВЭС 75 МВт, Ейской ВЭС 72 МВт (Краснодарский край), Калининградской морской ВЭС 50 МВт, Морской ВЭС 30 МВт (Карелия), Приморской ВЭС 30 МВт, Магаданской ВЭС 30 МВт, Чуйской ВЭС 24 МВт (Республика Алтай), Усть-Камчатской ВДЭС 16 МВт (Камчатская область), Новиковской ВДЭС 10 МВт (Республика Коми), Дагестанской ВЭС 6 МВт, Анапской ВЭС 5 МВт (Краснодарский край), Новороссийской ВЭС 5 МВт (Краснодарский край), Валаамской ВЭС 4 МВт (Карелия), Приютненской ВЭС 51 МВт (Республика Калмыкия).
Как пример реализации потенциала территорий Азовского моря можно указать Новоазовскую ВЭС, действующей на 2010 год мощностью в 21,8 МВт, установленную на украинском побережье Таганрогского залива.