Морские ветрогенераторы или шельфовые ветровые электростанции, оффшорные ветряные турбины — важная часть мировой энергетической системы. Их размещают в море, где ветровые потоки наиболее стабильны и сильны. Из-за постоянных и интенсивных ветров в море эффективность морских ветряков в три раза выше в сравнении с наземными, при этом конструкция остается устойчивой к штормам, ветрам и соленой воде. Сейчас расскажем, почему.
Зачем нужны морские ветрогенераторы: зеленая энергия в океанских ветрах
Морские ветрогенераторы производят чистую энергию без выбросов углерода, что делает их важным элементом в борьбе с изменением климата. Высота от 100 до 200 метров позволяет улавливать более сильные и стабильные ветры, при этом срок службы при минимальном обслуживании составляет 20-25 лет. Как им удается противостоять стихии?
Все дело в их уникальной конструкции. Морские ветрогенераторы используют более мощные и крупные лопасти, что позволяет им захватывать больше энергии от ветра, который на море обычно сильнее и постояннее. В воде нет зданий и деревьев, которые могли бы создавать воздушные завихрения, что обеспечивает более стабильный и мощный поток ветра.
Морские ветрогенераторы создают из специальной стали и композитов с покрытием против коррозии, вызванной морской средой. Они имеют усиленные мачты и лопасти и устанавливаются на специальных платформах, что позволяет оставаться стабильными даже в условиях глубоководья и сильных течений.
Лопасти морских ветрогенераторов сконструированы из углепластика и композитных материалов, что позволяет им быть не только легкими, но и невероятно прочными. Во время шторма они способны гнуться, не ломаясь, что позволяет адаптироваться к сильным ветрам и нагрузкам. Также инженеры учитывают аэродинамические характеристики, которые помогают распределить нагрузки равномерно. В результате даже в самых суровых погодных условиях лопасти остаются целыми.
Подшипники в агрессивной морской среде выживают благодаря тому, что их изготавливают из коррозионностойких материалов — нержавеющей стали и сплавов. Эффективные уплотнения предотвращают попадание соленой воды и загрязнений внутрь, герметичность также достигается благодаря современным конструкциям. Специальные смазки, устойчивые к высокой влажности и воздействию соли, уменьшают трение и создают защитный барьер от коррозии. Оптимальная геометрия минимизирует нагрузки и продлевает срок службы.
Кроме того, современные ветряные турбины оснащены системами управления, которые могут адаптироваться к изменяющимся условиям. Например, они могут менять угол наклона лопастей для оптимизации работы при сильном ветре или отключаться при экстремальных погодных условиях. Регулярный мониторинг и профилактическое обслуживание увеличивают срок службы таких турбин.
Принцип работы морских ветрогенераторов: от волн к ваттам
Ветрогенератор преобразует кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. При этом из экономической целесообразности необходимая скорость ветра для выработки электроэнергии минимально должна составлять 3,5-4,0 м/с (метров в секунду) и не превышать 10-15 м/с. Скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому морские ветряные электростанции такие высокие.
Ветряная электростанция включает в себя несколько ветрогенераторов, собранных в одном или нескольких местах и объединенных в единую сеть для выработки электрической энергии. Поток ветра оказывает давление на лопасти и приводит их в движение. Через специальный привод (редуктор) они заставляют вращаться ротор генератора. Он преобразует механическую энергию вращения в электрическую.
Морские ветрогенераторы часто подключаются к подводным кабелям и передают выработанную электроэнергию на береговые электростанции, что требует особых инженерных решений. Кабели также разработаны для работы в экстремальных условиях. Они могут быть переменного или постоянного тока, защищены от коррозии, давления воды и возможных повреждений якорями или морскими обитателями.
Так, например, гигантская строящаяся в Великобритании морская ветровая электростанция Доггер-Бэнк из 277 турбин мощностью 5.6 ГВт (гигаватт) будет передавать электроэнергию на расстояние более 130 км (до побережья) и снабжать электричеством около 6 млн домов.
Но построить энергоферму и уложить на дне шлейфы силовых кабелей — только полдела. Гораздо сложнее будет обеспечить регулярное обслуживание турбин. Хотя современные ветряки проектируются с огромным запасом прочности и оснащаются системами телемониторинга, не менее четырех раз в год инженерам необходимо производить визуальный осмотр несущей башни, лопастей ротора, менять рабочие жидкости, подшипники, предохранители
Из чего состоят морские ветрогенераторы: сила инженерной мысли
Перечислим ключевые компоненты морских ветрогенераторов и их функции
- Лопасти ротора. Улавливают ветер и преобразовывают его кинетическую энергию в механическую.
- Ротор. Состоит из лопастей и вращающегося механизма, который передает вращательное движение на генератор.
- Генератор. Преобразует механическую энергию, полученную от ротора, в электрическую.
- Турбинный механизм. Включает в себя трансмиссию и редуктор, которые помогают оптимизировать скорость вращения ротора для генерации электроэнергии.
- Стойка (мачта). Поддерживает ротор и лопасти на высоте, где ветер более постоянный и сильный.
- Система управления. Обеспечивает автоматическое регулирование работы ветрогенератора, включая направление лопастей относительно ветра и управление нагрузкой.
- Подшипники. Позволяют вращать ротор с минимальным трением.
- Фундамент. Обеспечивает устойчивость ветрогенератора в морской среде, выдерживая волны и штормы. Может быть различных конструкций в зависимости от глубины воды и типа дна.
- Кабели и трансформаторы. Передают выработанную электроэнергию на береговую линию или в сеть.
Типы морских ветрогенераторов: какие бывают и чем отличаются
Каждый тип морских ветрогенераторов имеет свои преимущества и недостатки в зависимости от условий эксплуатации и требований к производительности. Всего их пять:
Фиксированные ветрогенераторы:
Установлены на морском дне.
Подходят для мелководья (до 50 метров).
Обеспечивают стабильную и надежную работу, но сложны в установке и обслуживании.
Плавучие ветрогенераторы:
Закреплены на плавучих платформах.
Подходят для глубоководных зон (более 50 метров).
Обеспечивают гибкость в размещении и перемещении.
Горизонтально-осевые ветрогенераторы (ГОВГ):
Имеют горизонтально расположенные лопасти.
Наиболее распространенный и эффективный тип.
Вертикально-осевые ветрогенераторы (ВОВГ):
Лопасти расположены вертикально.
Меньше подвержены воздействию сильных ветров и менее шумные, но имеют меньшую эффективность.
Гибридные системы:
Сочетают в себе ветрогенераторы с другими источниками энергии (например, солнечными панелями).
Обеспечивают более стабильное энергоснабжение.
Как выбирают морские ветрогенераторы
Выбор морского ветрогенератора — это сложный процесс, который включает в себя множество факторов. Учитываются:
Место установки:
Условия местности, включая среднюю скорость ветра, направление ветра и частоту штормов.
Глубина воды и тип морского дна, так как это влияет на способ установки.
Тип ветрогенератора:
Плавающий или фиксированный. Плавающие модели подходят для глубоких вод, тогда как фиксированные — для мелководья.
Мощность:
Необходимая мощность рассчитывается в зависимости от потребностей в электроэнергии.
Материалы и конструкции лопастей и подшипников
Они должны быть устойчивыми к коррозии и механическим нагрузкам.
Технологические особенности:
Современные системы мониторинга и управления могут повысить эффективность работы.
Ожидается, что возобновляемая энергия сможет удовлетворить половину мирового спроса на электроэнергию к 2050 году, и развитие морских ветряных электростанций будет иметь решающее значение для достижения этой цели. Великобритания сегодня занимает второе место по производству морской ветровой энергии, обеспечивая около 22% мировой мощности. Китай лидирует. Со 129 установками и общей установленной мощностью 37.7 ГВт на его долю приходится около 50% общемирового объема. Однако США, Австралия, Япония, Южная Корея и многие развивающиеся страны быстро догоняют их. Кстати, в России планируются проекты по строительству морских ветрогенераторов: Калининградской морской ВЭС, Морской ВЭС в Карелии, Приморской ВЭС в Приморском крае и Магаданской ВЭС.