Почему счетчик мотает больше электроэнергии

Как показывает практика, все больше и больше людей сталкиваются с проблемой того, что счетчик мотает больше света. И ладно, если бы добавилось новое электрооборудование, и, в результате, возросло энергопотребление. Или произошла замена счетчика электроэнергии и тому подобные более-менее объяснимые причины. Но иногда счетчик начинает наматывать в два раза больше безо всяких объективных причин. Так как чудес в таких «технических» делах не бывает, основания для повышения энергопотребления есть всегда, только нужно правильно их определить.

Подробно рассмотрим причины повышения энергопотребления, условно разделив их на сезонные, замена счетчика, противозаконные манипуляции со счетчиком.

Сезонное возрастание потребления электроэнергии

В зимнее время потребление света больше, чем в летнее. Это связано: с включением обогревателя, частое использование освещения, водонагревательные приборы затрачивают больше энергии на нагрев воды.

 

В жаркие летние дни энергопотребление также может быть достаточно высоким – в противовес обогревательным приборам зимой, летом используются кондиционеры, вентиляторы, а холодильники чаще включаются и работают дольше.

Замена счетчика

Чаще всего потребители замечают изменения в учете электроэнергии после замены счетчика. У индукционных счетчиков есть существенный недостаток по сравнению с электронными: они не считают малые потребления. Это связано с принципом действия и конструкцией.

Новый счетчик считает мельчайшее электропотребление. Так как в электронных счетчиках находятся очень чувствительные микросхемы, которые реагируют на малейшие изменения электрической сети, они учитывают абсолютно все потребители. Если пересчитать потребление всех приборов, которые постоянно включены в ждущем режиме, такие как микроволновка, аудио- и видеотехника, а также всевозможные зарядные устройства от телефонов, планшетов, ноутбуков и т.д., получается расход в несколько десятков киловатт.

Стоит отметить, что индукционные счетчики если и замечали это потребление, то лишь его сотую часть.

Попытки воздействия на счетчик электроэнергии

Использование специальных магнитов – это противозаконно. Поэтому и возникают самые разные ситуации, от простого фиксирования установки магнита без вреда для счетчика с наложением немаленького штрафа до полного выведения прибора учета из строя с наложением еще большего штрафа. Для фиксирования факта установки магнита может применяться как обычная наклейка, так и специальные электронные схемы, которые в паре с системой АСКУЭ сразу же передают сигнал на пульт. Поэтому перед тем как применять подобные методы, стоит хорошо подумать.

Андрей ЛОМАТЬ,

инженер Сморгонского РЭС.

Какие причины и последствия того, что наш электросчётчик мало «наматывает»? | ASUTPP

Не многих пользователей радует ежемесячная «традиция» сверки показаний электросчётчика, так как стандартным последствием данной процедуры является расставание со своими кровно заработанными средствами. Но вот как быть, если ситуация противоположна и счётчик стал «мотать» намного меньше…

Первое, что необходимо сделать

Предупредить соответствующие структуры, а именно компанию, с которой подписан договор. Все необходимые телефоны и другие данные можно узнать в интернете, обязательно указав в поисковой строке свой точный адрес. Если дозвониться не получается, всегда можно оставить сообщение, но практически во всех компаниях энергосбыта работает горячая линия.

Рисунок 1: Первое, что необходимо сделать – вызвать представителя компании энергосбыта

Рисунок 1: Первое, что необходимо сделать – вызвать представителя компании энергосбыта

Важно! Сокрытие данных о неисправности учёта контроля не освобождает пользователя от последствий. Рано или поздно обман будет раскрыт, и сумма штрафа может оказаться достаточно большой.

Теоретическое предположение: счётчик на улице

Да, теоретически счётчик может иметь сбои в работе из-за слишком низкой температуры окружающей среды. Например, на улице – 35 С0, а прибор учёта старого образца – дисковый, установлен на улице. Постоянное примерзание контактов приводит к некорректной работе устройства и как последствие – полному выходу его из строя.

Рисунок 2: Теоретически счётчик расположенный на улице может некорректно работать

Рисунок 2: Теоретически счётчик расположенный на улице может некорректно работать

Данные рассуждения теоретические, и при постоянном примерзании контактов счётчик скорее сгорит, чем станет «наматывать» меньше.

Прибор учёта и контроля просто неисправен

Современные электронные счётчики имеют несколько существенных недостатков:

• Требуют периодической поверки, а на начальном этапе работы – настройки.
• Очень капризны к резким температурным перепадам окружающей среды.
• Практически не поддаются ремонту.

Поэтому если электронный счётчик стал «мотать» меньше, а потребление пользователей не изменилось ни на киловатт, то скорее всего прибор просто вышел из строя. В таком случае его необходимо просто заменить на новый.

Заводской брак

Тоже неисправность которая имеет место быть и порой подобное встречается на целых выпусках определённой модели. Определить брак можно только в ходе эксплуатации прибора, так как счётчики вряд ли испытывают на производстве.

Низкое напряжение сети

Причиной малого показания электросчётчика может стать банальное падение напряжения в сети. Например, от столба к дому проложен провод с несколькими застарелыми скрутками, в месте подключения слишком плохой контакт и т.д. Результат: вместо необходимых 220 В, может быть 200, 190 и даже меньшее количество вольт!

Сразу следует уточнить, что качество работы бытовых электроприборов слишком не изменится. По крайней мере, невооружённому глазу среднестатистического пользователя это заметно не будет. Но вот потребляемая мощность сократиться в разы и тот же электрочайник, вместо положенного 1 кВт, «потянет» не более 700-800 Вт.

Проверить можно очень просто. Достаточно на выходе из электросчётчика замерить напряжение с помощью мультиметра. Если оно будет меньше положенного, то прибор контроля менять не следует, а решать проблему с разницей потенциалов.

Рисунок 3: Падение напряжения – возможная причина малого потребления

Рисунок 3: Падение напряжения – возможная причина малого потребления

Сколько электроэнергии потребляет кондиционер, как снизить расходы

Климатическое оборудование создает в помещении приятный микроклимат. Прибор работает от электросети, а значит, после установки кондиционера появляются дополнительные расходы энергоресурсов, за которые придется платить. Чтобы разумно планировать собственный бюджет, многие покупатели заранее интересуются, какой объем электроэнергии потребляет конкретная модель сплит-системы и как можно снизить эти расходы.

В статье мы рассмотрим информацию о затратах электроэнергии кондиционером летом и зимой, что такое классы энергоэффективности, рекомендации по снижению потребления электричества кондиционером.

 

Оглавление:

Особенности расхода электричества кондиционером

Количество потребляемой энергии кондиционером неоднозначно и зависит от режимов работы и потребляемой мощности. Это значение определяется по двум основным параметрам – охлаждающая и потребляющая производительность прибора, указанная в техническом паспорте кондиционера (значение СОР и ЕЕR).

Потребляемая мощность указывает расход электроэнергии с линии, а мощностной параметр определяет, какое количество необходимой энергии вырабатывает система. Чем больше это значение, тем меньше расход электроэнергии.

Однако покупателю также стоит понимать, что указанные производителем параметры могут немного отличаться от фактических расходов. Это связано с тем, что при испытании прибора и вычислении его параметров в помещении были соблюдены все условия, необходимые для минимального расхода энергоресурсов (закрытые окна и двери). А вот в бытовой эксплуатации такие условия не всегда сохраняются, что и приводит к увеличению расхода энергии при функционировании сплит-системы.

Также есть некоторые факторы, влияющие на количество потребляемой энергии. Рассмотрим их.

Какие факторы влияют:

1. Кондиционер больше потребляет энергии, когда включаются дополнительные режимы, например, ионизация и увлажнение воздуха.
2. На расход энергии также влияют возможности компрессора. Самым экономичным типом оборудования признаны кондиционеры инверторного типа.
3. Обычные сплит-системы, автоматически отключаемые при достижении заданного температурного значения, не потребляют энергию, когда находятся в режиме ожидания. Но как только температура воздуха в помещении отклоняется от заданных параметров, кондиционер начинает работать на полную мощность, и в таком режиме компрессор потребляет ток в большом количестве.

Сколько кондиционер потребляет за 1 час/месяц

Для расчета потребляемой энергии кондиционером необходимо разделить номинальную мощность прибора на коэффициент ЕЕR. К примеру, возьмем прибор класса А с производительностью на холод 2.5 кВт. Выполним расчет потребления энергии по формуле: 2.5/3.2. Получаем расход 0.78 кВт·ч.

Расход электроэнергии также определяется по тепловой мощности сплит-системы, которая обозначается в британских термических единицах – BTU. Например, тепловая мощность 2-киловатной модели имеет значение «7», на 2.5 Квт – «9», на 3.5 кВт – 12.

Средний расход электроэнергии по параметру тепловой мощности:

• «7» – 0.65-0.75 кВт·ч;
• «9» – 0.78-088 кВт·ч;
• «12» – 0.96-1 кВт·ч.

Количество потребляемой энергии в месяц зависит от количества рабочих часов. Например, в жаркое время года кондиционер может безостановочно функционировать на протяжении 10-12 часов.

Например, возьмем модель «9», потребляемую за час в среднем 0.78 кВт. За 6 часов работы кондиционер будет потреблять 4.68 кВт, а значит, за месяц расход электричества составит 140 кВт.

Однако этот расчет достаточно грубый и поверхностный. Для вычисления более точных параметров необходимо учитывать площадь помещения, условия его эксплуатации, режимы работы и другие важные нюансы.

Потребление в летнее время

В летнее время года кондиционеры, функционирующие на охлаждение, потребляют больше энергии, чем зимой. При расчете этого значения стоит также учитывать количество рабочих часов. К примеру, при 8-часовой безостановочной работе кондиционера с тепловой мощностью «9» среднее суточное потребление составит 6.4 кВт. Если же техника работает в сильную жару 24 часа в сутки, расход электроэнергии увеличится втрое.

Потребление на обогрев зимой

В режиме на обогрев кондиционеры расходуют меньше энергии, чем при работе на охлаждение. Для расчета используется коэффициент СОР. Например, для приборов класса А он равен 3.60.

К примеру, возьмем кондиционер с мощностью обогрева 2.2 кВт. Делим этот параметр на 3.6 и получаем средний расход энергии за 1 час – 0. 61 кВт. А чтобы рассчитать расходы электроэнергии за сутки или весь месяц, нужно умножить этот параметр на количество рабочих часов и дней.

Классы энергоэффективности кондиционеров

Класс энергоэффективности кондиционера указывается в техническом паспорте значением СОР – режим обогрева и ЕЕR – на охлаждение.

Классы энергоэффективности сплит-систем:

1. A – СОР – 3.60, ЕЕR – 3.20.
2. B – СОР – 3.40/3.60, ЕЕR – 3.20/3.00.
3. C – СОР 3.20/3.40, ЕЕR 2.80/3.00.
4. D – СОР 2.80/3.20, ЕЕR 2.60/2.80.
5. E – СОР 2.60/2.80, ЕЕR 2.40/2.60.
6. F – СОР 2.40/2.60, ЕЕR 2.20/2.40.
7. G – СОР 2.40, ЕЕR 2.20.

Какой класс энергоэффективности лучше

Энергоэффективными считаются кондиционеры класса А, А+, А++, А+++, коэффициент которых равен или выше значения 3.2.

Как правило, чем выше класс, тем рациональнее расход электроэнергии. Такие приборы стоят дороже, зато они более экономичные в эксплуатации.

Как сэкономить на энергопотреблении кондиционера

Есть несколько дельных советов, которые помогут пользователям экономить расход электричества при эксплуатации климатического оборудования.

Полезные советы:

1. Закрывайте двери и окна в процессе эксплуатации кондиционера.
2. Если комната солнечная, закрывайте окна темными занавесками или защитными светоотражающими пленками, чтобы кондиционер не расходовал дополнительную энергию, затрачиваемую на компенсацию теплопоступлений из окна.
3. Выбирайте оптимальную температуру охлаждения и не переключайте постоянно температурное значение, заставляя прибор работать безостановочно, расходуя дополнительную энергию.
4. Следите за чистотой и исправностью механизмов во внутренних блоках сплит-систем. От технического состояния оборудования также зависит расход электроэнергии.
5. Следите за количеством фреона в сплит-системе. При его недостатке или избытке нарушается нормальная работа прибора, что также может повлиять на расход электричества.
6. Используйте кондиционер только в том диапазоне температур, который рекомендован производителем.

Современные сплит-системы потребляют небольшое количество электроэнергии, а при соблюдении правил эксплуатации прибора можно получить приличную экономию бюджета при оплате за электричество.

Где используется энергия ветра

Ветряные электростанции требуют тщательного планирования

Эксплуатация ветряной электростанции сложнее, чем просто установка ветряных турбин в ветреной местности. Владельцы ветряных электростанций должны тщательно спланировать, где разместить ветряные турбины, и должны учитывать, как быстро и как часто дует ветер на площадке.

Подходящими местами для ветряных турбин являются места, где среднегодовая скорость ветра составляет не менее 9 миль в час (миль в час) или 4 метра в секунду (м/с) для небольших ветряных турбин и 13 миль в час (5. 8 м/с) для коммунальных турбин. Благоприятные места включают вершины гладких округлых холмов; открытые равнины и вода; и горные ущелья, которые направляют и усиливают ветер. Ветровые ресурсы, как правило, более благоприятны для производства электроэнергии на больших высотах над земной поверхностью. Большие ветряные турбины размещаются на башнях высотой от 500 до 900 футов.

Карта ветровых ресурсов США

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, США.С. Министерство энергетики (общественное достояние)

Нажмите, чтобы увеличить

Скорость ветра меняется ежечасно и сезонно

Энергетические ресурсы ветра меняются ежечасно и сезонно на всей территории Соединенных Штатов. Скорость ветра обычно меняется в течение дня и от сезона к сезону. Например, в Техачапи, штат Калифорния, где расположены многочисленные ветряные турбины, с апреля по октябрь ветер дует чаще, чем зимой, и обычно сильнее всего ветер во второй половине дня. Эти колебания являются результатом сильной жары в пустыне Мохаве в летние месяцы. По мере того, как горячий воздух над пустыней поднимается, более прохладный и плотный воздух над Тихим океаном устремляется через горный перевал Техачапи, чтобы занять его место. В Монтане сильные зимние ветры, дующие через долины Скалистых гор, зимой создают более сильные ветры.

К счастью, сезонные колебания скорости ветра в Калифорнии и Монтане соответствуют потребностям потребителей в электроэнергии в этих штатах.В Калифорнии люди потребляют больше электроэнергии днем ​​и летом. В Монтане зимой люди потребляют больше электроэнергии.

Расположение проектов ветроэнергетики в США

В 2020 году в 42 штатах были реализованы ветроэнергетические проекты коммунального масштаба, которые в совокупности произвели около 338 миллиардов киловатт-часов (кВтч). ¹ Пятью штатами с наибольшим объемом выработки электроэнергии за счет ветра в 2020 году были Техас, Айова, Оклахома, Канзас и Иллинойс. В 2020 году эти штаты вместе произвели около 58% всей выработки ветровой электроэнергии в США.

Ежемесячные и годовые данные о выработке электроэнергии в США на национальном уровне и на уровне штатов доступны в обозревателе данных по электроэнергии Управления энергетической информации США (EIA), а данные о почасовой выработке электроэнергии по источникам топлива/энергии для 48 штатов с более низким уровнем дохода по регионам доступны в Hourly Electric. монитор сетки.

Международная ветроэнергетика

Мировое производство ветровой электроэнергии также значительно увеличилось за последние годы.В 1990 г. 16 стран произвели в общей сложности около 3,6 млрд кВтч ветровой электроэнергии. В 2010 г. 105 стран произвели около 340 млрд кВтч, а в 2019 г. 127 стран произвели около 1 419 млрд кВтч ветровой электроэнергии.

В первую пятерку стран по выработке ветровой электроэнергии и их доли в общемировом производстве ветровой электроэнергии в 2019 году вошли

• Китай – 29%
• США – 21%
• Германия–9%
• Индия – 5%
• Великобритания–5%

Международный портал энергетической статистики EIA предоставляет данные о производстве ветровой электроэнергии по регионам и странам мира.

Ветряные турбины в океане

Источник: стоковая фотография (защищено авторским правом)

Оффшорная ветроэнергетика

Воды у побережья США обладают значительным потенциалом для производства электроэнергии за счет энергии ветра. В настоящее время в США действует один оффшорный ветроэнергетический проект: ветряная электростанция на Блок-Айленде у побережья Род-Айленда с мощностью производства электроэнергии 30 мегаватт (МВт).Несколько других ветроэнергетических проектов у восточного побережья США находятся на стадии планирования. По состоянию на конец 2020 года в двенадцати европейских странах действовали морские ветроэнергетические проекты.

Последнее обновление: 17 марта 2021 г.

Неравномерный рост ветроэнергетики в США объясняется 4 картами

Ветряные турбины выросли, как одуванчики, на обширных территориях США, и появятся тысячи других. Министерство энергетики США прогнозирует, что к 2050 году у нас будет 404 гигаватт ветровой энергии по всей стране, по сравнению с 90 ГВт сегодня. Поскольку ожидается, что общий спрос на электроэнергию останется довольно стабильным, это позволит удовлетворить более одной трети потребностей страны.

«Энергия ветра является важной частью энергетической стратегии Америки», — заявил в марте министр энергетики США Рик Перри, объявив о новом финансировании исследований и разработок в области ветроэнергетики в размере 28,1 млн долларов.

Один только штат

, штат Техас, с установленной мощностью 22,6 гигаватт, сегодня занимал бы шестое место в мире по общей мощности ветра, если бы он был отдельной страной.

Но энергия ветра не взрывается повсюду на нашей великой земле.Огромные территории страны остались за пределами революции ветроэнергетики, как вы можете видеть на этой карте установленной ветровой мощности по штатам:

А когда вы посмотрите, сколько ветра мы построили в каждом штате с 1999 года, вы увидите, как быстро в некоторых районах ветер усилился, в то время как другие застряли в упадке:

Хавьер Заррачина

Прямо рядом с королем ветров Техасом расположены 11 штатов, в которых практически нет установленной ветровой энергии, включая Луизиану, Флориду и Джорджию.

А когда вы наносите на карту, где физически расположены кластеры ветряных турбин, дыра на юго-востоке США становится еще более очевидной:

Хавьер Заррачина

Приведенная выше карта 57 636 ветряных турбин по всей территории США взята с потрясающего интерактивного веб-сайта, запущенного в апреле 2018 года Геологической службой США, Американской ассоциацией ветроэнергетики и Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли.И он извлекает данные из базы данных ветряных турбин США, многолетней попытки составить карту ветровой энергии, охватившей страну.

Это лучшее доказательство того, что многие районы США остались позади бума ветроэнергетики.

Государства не имеют равных ветровых ресурсов или стимулов

Я хотел понять, что здесь происходит, поэтому, естественно, пошел искать другие карты. И оказывается, есть несколько причин, по которым такие штаты, как Алабама и Джорджия, так далеки от штатов, как Небраска и Вайоминг, и почему маловероятно, что они смогут сократить разрыв в ближайшее время.

Эта карта средних скоростей ветра на высоте 80 метров или 262 фута — высоте, которая имеет значение для большинства коммерческих ветряных турбин — иллюстрирует одну большую причину несоответствия скорости ветра в Америке:

Хавьер Заррачина

Области, выделенные фиолетовым и красным цветом — штаты Великих равнин — имеют самую высокую скорость ветра и, следовательно, наибольшее количество энергии ветра, доступной для сбора урожая. На юго-востоке явно меньше ветра.

«Основное различие между юго-востоком США и остальной частью страны заключается в интенсивности использования ресурсов», — сказал Пол Вирс, главный инженер Национального центра ветровых технологий в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии. «Энергия ветра очень чувствительна к скорости ветра, больше, чем вы можете предположить».

Мощность, которую вы получаете от ветряной турбины, имеет кубическую зависимость от скорости ветра, говорит он. Если вы удвоите скорость ветра, вы получите в восемь раз больше энергии. Поэтому имеет смысл, что коммунальные службы устанавливают ветряные турбины в местах с наибольшим количеством ветра.

Тем не менее, есть много ветряных турбин в менее ветреных штатах на западе, таких как Айдахо, мощность которого составляет 973 МВт. Так почему же еще юго-восток так лишен энергии ветра?

Политики составляют большую часть этого.

Основным стимулом для инвестиций в ветроэнергетику во многих штатах являются стандарты портфеля возобновляемых источников энергии, которые обязывают получать минимальное количество электроэнергии из возобновляемых источников, таких как гидроэлектростанции, ветряные, солнечные и геотермальные электростанции. В то время как федеральные стимулы, такие как льгота по налогу на производство, которая дает преимущества ветряным энергетическим установкам, применяются по всей стране, программы на уровне штатов имеют большое значение на местах.

«Штаты с более сильными RPS — это места, где вы видите более активное развертывание возобновляемых источников энергии», — сказал Ян Бэринг-Гулд, менеджер по внедрению технологий в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии. «В местах, где нет RPS, у коммунальных предприятий нет такой мотивации для развития возобновляемых источников энергии».

В некоторых штатах существуют добровольные RPS, в то время как в других есть мандаты, подкрепленные законом. Но подумайте, в каких штатах вообще нет RPS:

. Хавьер Заррачина

В таких штатах, как Небраска и Вайоминг, где нет ДЭС, по-прежнему имеется огромное количество ветровой энергии, поэтому экономика ветровой энергии по-прежнему имеет смысл даже без государственного мандата.

Юг рано или поздно поднимется

Отсутствие ПСР не обязательно означает, что государство враждебно относится к возобновляемым источникам энергии. В настоящее время в каждом штате страны в той или иной степени установлены фотоэлектрические солнечные панели. Но первоначальные затраты на строительство турбины намного выше, чем на установку фотоэлектрической панели, поэтому каждый стимул учитывается при создании экономического обоснования для развертывания большего количества энергии ветра.

Ветряные штаты позволяют использовать более высокие коэффициенты мощности ветряных турбин, что позволяет им продавать больше электроэнергии и быстрее окупать свои первоначальные затраты.Получение прибыли становится намного труднее, когда ветра меньше.

В результате такие штаты, как Южная Каролина, которые имеют портфель возобновляемых источников энергии, но ограниченные ресурсы ветра, достигают своих целей с помощью солнечной энергии.

Тем не менее, есть юго-восточные штаты без ДЭС, которым нужна ветровая энергия, и у них есть способы извлечь выгоду из массового роста ветровой энергии.

Для некоторых коммунальных предприятий оптимальной стратегией является покупка электроэнергии ветра в штатах, где ее больше.Georgia Power, принадлежащая инвестору коммунальная служба, обслуживающая большую часть Джорджии, покупает энергию ветра в Оклахоме через сертификаты возобновляемой энергии и долгосрочные контракты на поставку электроэнергии.

Джон Крафт, представитель Georgia Power, сообщил мне по электронной почте, что у коммунального предприятия есть инициатива по развитию, чтобы к 2021 году добавить до 1600 мегаватт мощности возобновляемых источников энергии. Но пока солнечная энергия побеждает, и соглашение о покупке электроэнергии уже подписал в феврале о покупке 510 МВт в 2019 году.

«В соответствии с нашим [запросом предложений по возобновляемым источникам энергии] рынок не предложил нам варианты использования ветра или биомассы, которые могли бы конкурировать с солнечными проектами коммунального масштаба в Грузии», — сказал Крафт.

Таким образом, чтобы заставить настоящие ветряные турбины расцвести на юго-востоке, сами производители должны увидеть, как их цены будут снижаться и лучше использовать более маргинальные источники ветра. Есть и хорошие новости: установленная цена на энергию ветра упала более чем на 90 процентов с 1980-х годов и продолжает снижаться по мере увеличения масштабов использования энергии ветра. Такие государства, как Грузия, также изучают свой большой потенциал для оффшорной ветроэнергетики.

Сами ветряные турбины также становятся огромными.Ууууууууууууууууууууууу:

Они могут быть великанами. Хавьер Заррачина

Эти более крупные турбины лучше улавливают ветер в менее порывистых районах, увеличивая коэффициент мощности. Таким образом, по мере того, как размер увеличивается, затраты снижаются, а коммунальные предприятия узнают больше о том, как использовать энергию ветра, турбины будут занимать все больше мест на карте.

«Тенденция по всей стране заключается в том, что технология адаптируется так, чтобы она могла получить доступ к более низким и более низким ресурсным областям», — сказал Вирс.

Однако ветряные турбины, вероятно, никогда не будут равномерно распределены по стране.

«Это может немного измениться, но вы по-прежнему будете иметь дело с тем фактом, что в этих районах страны относительно мало ресурсов ветра», — сказал Бен Хоэн, научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, работавший над базу данных ветрогенераторов. «Дело не в том, что возобновляемые источники энергии там не используются; просто выбор во многом основан на экономике.

Энергия ветра: турбины становятся выше, больше и мощнее

Снижение цен на солнечную энергию привлекает больше внимания, но и в ветроэнергетике происходят большие перемены. И я имею в виду большой .

Математика ветряных турбин довольно проста: чем больше, тем лучше. В частности, есть два способа получить больше энергии от ветра в данной области.

Первый — с более крупными роторами и лопастями для покрытия большей площади. Это увеличивает мощность турбины, т.е.е., его общий потенциал производства.

Второй — поднять лопасти выше в атмосферу, где ветер дует более стабильно. Это увеличивает «коэффициент мощности» турбины, то есть количество энергии, которую она фактически производит, по отношению к ее общему потенциалу (или, в просторечии: как часто она работает).

История развития ветроэнергетики — это история создания все более высоких турбин с все большими и большими лопастями. Это непростое и тонкое дело.Высокие, худые вещи, размещенные при сильном ветре, имеют тенденцию изгибаться и сгибаться. Когда длинные лопасти турбины изгибаются, они могут врезаться в башню или ступицу, как это сделала датская система в 2008 году после отказа «тормоза» и выхода из-под контроля:

Таким образом, третья инженерная задача состоит в том, чтобы найти конструкции и материалы, способные противостоять нагрузкам, возникающим на высоте и при сильном ветре. Эти напряжения становятся довольно сильными — посмотрите это видео, в котором инженеры испытывают огромную турбинную лопатку, тяня ее туда и сюда с «весом примерно 16 африканских слонов».

В любом случае, делать турбины все больше и больше — вот в чем суть игры. Когда дело доходит до наземных (береговых) турбин, этот процесс начинает наталкиваться на различные нетехнические ограничения — транспортные и инфраструктурные узкие места, проблемы землепользования, заботы о видах, крупных птицах, тенях и т. д.

Но особенно в Европе энергия ветра все больше перемещается в море. А в океане, когда земля едва видна, единственное ограничение по размеру — инженерное.Следовательно, сегодняшние морские турбины поднимаются даже быстрее, чем наземные турбины за последнее десятилетие.

Яркий пример этого тренда всплыл в марте 2018 года (когда я впервые опубликовал эту историю). GE Renewable Energy объявила, что инвестирует 400 миллионов долларов в разработку новой турбины-монстра: Haliade-X, которая будет (по крайней мере, до следующего большого анонса) самой большой, самой высокой и самой мощной в мире.

Лопасти ветряной турбины GE Haliade-X мощностью 12 МВт длиной 351 фут являются самыми длинными в мире. GE Возобновляемая энергия

Это впечатляющее инженерное достижение, но значение увеличения размера турбины выходит далеко за рамки этого. Большие турбины собирают больше энергии и более стабильно; чем больше они становятся, тем менее изменчивы и надежнее они становятся, и тем легче их интегрировать в сеть. Ветер уже вытесняет другие источники на оптовых рынках энергии. После еще нескольких поколений роста это больше не будет соревнованием.

Какие ветрогенераторы получают до

Чтобы понять, насколько велика эта новая турбина GE, давайте начнем с некоторых сравнений.

Я позвонил Бену Хоэну, научному сотруднику Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, чтобы узнать последние данные о размерах ветряных турбин. (Он подчеркивает, что это предварительные данные — отчет LBNL об этом выйдет через несколько месяцев, но он не ожидает, что эти цифры сильно изменятся, если вообще изменятся.)

По словам Хоэна, средняя общая высота (от основания до кончика) береговой турбины в США в 2017 году составляла 142 метра (466 футов). Средняя турбина была ближе к 152 метрам (499 футов).На самом деле, сказал Хоэн, медиана приближается к максимуму. Другими словами, со временем береговые турбины США, похоже, сойдутся примерно на этой высоте. Почему? Потому что, если вы строите выше 499 футов, Федеральное авиационное управление требует дополнительных шагов в процессе утверждения, и, по-видимому, большинство разработчиков не считают это стоящим хлопот.

Самые высокие береговые турбины в США находятся на проекте Hancock Wind в округе Хэнкок, штат Мэн. Те — Vestas V117-3.3, если хотите знать — около 574 футов в высоту.

Так это на берегу. Что насчет офшоров? Ну, на данный момент в США есть одна и только одна действующая морская ветряная установка, ветряная электростанция Блок-Айленд у Род-Айленда. Его турбины поднимаются примерно на 590 футов.

Как Haliade-X соотносится со всем этим? По данным GE, он достигнет 853 футов в высоту футов.

Хавьер Заррачина

Насколько мне известно, это будет самая высокая ветряная турбина в мире.Насколько я могу судить по гуглю (как я уже сказал, эти вещи быстро меняются), предыдущим рекордсменом является 809-футовая наземная турбина в Германии.

Большие турбины чаще означают большую мощность

Однако значение имеет не только рост. Haliade-X также может похвастаться несколькими превосходными степенями.

Диаметр ротора — это измерение полного размаха лопастей турбины (диаметр окружности, которую они определяют). При прочих равных условиях больший диаметр ротора означает, что турбина может собирать больше ветра.

В 2017 году, как сказал мне Хоэн, ветряные турбины США имели средний диаметр ротора 367 футов. Haliade-X будет иметь диаметр ротора 722 футов, что примерно вдвое больше среднего. Лопасти будут гигантскими, 351 фут в длину каждая, длиннее футбольного поля и длиннее, по словам GE, чем любая другая морская лопасть на сегодняшний день.

Огромный диаметр ротора, плюс устойчивый морской ветер, плюс турбина мощностью 12 МВт (в среднем около 3 МВт на суше; около 6 МВт на море) означают, что Haliade-X будет иметь необычно высокий коэффициент мощности.

Эта цитата из Отчета Министерства энергетики о рынке ветровых технологий за 2016 год показывает, как коэффициенты ветровой мощности менялись с течением времени: «Средний коэффициент мощности в 2016 году среди проектов, построенных в 2014 и 2015 годах, составил 42,5% по сравнению со средним показателем 32,1% среди проектов, построенных в 2014 и 2015 годах. с 2004 по 2011 год и всего 25,4% среди проектов, построенных с 1998 по 2001 год».

Для сравнения: в 2016 году средний коэффициент мощности атомного флота США составлял около 92 процентов. (Учитывая нынешние рынки, ядерная энергия выгодна только при непрерывной работе в качестве базовой нагрузки.) Уголь и природный газ составили 55 и 56 процентов соответственно. (Природный газ так низок, потому что он часто то растет, то падает, следуя за колебаниями спроса. Раньше цена на уголь приближалась к 80, но эксплуатация угольных электростанций становится все менее и менее рентабельной.)

Таким образом, современный ветер в США составляет до 42,5 процентов, а природный газ – до 56 процентов. Согласно данным GE, Haliade-X будет иметь коэффициент мощности 63% . Это чушь, хотя и не самая высокая в мире — плавучие морские турбины в проекте Hywind Scotland недавно достигли 65 процентов.

Сложите все это, и на «типичном немецком объекте в Северном море», по словам GE, каждый Haliade-X будет производить около 67 ГВтч в год, «достаточно чистой энергии для 16 000 домашних хозяйств на одну турбину и до 1 миллиона европейских домашних хозяйств в год». конфигурация ветряной электростанции мощностью 750 МВт». (Достаточно сказать, что для расточительных американских домохозяйств это число будет меньше.) По данным компании, это «на 45% больше энергии, чем у любой другой оффшорной ветряной турбины, доступной сегодня».

Первый Haliade-X в настоящее время строится в Роттердаме, Нидерланды.В апреле GE заявила, что начнет производить электроэнергию в конце этого года.

ГЭ

Более крупные турбины, которые работают чаще, сокрушат всех конкурентов

Давайте рассмотрим, что означают эти растущие коэффициенты мощности для ветра.

Я часто возвращаюсь к этому посту 2015 года энергетического аналитика Рамеза Наама о конечном потенциале энергии ветра. «Ветер с коэффициентом мощности 60%, — писал он, — даже при той же сегодняшней цене за киловатт-час был бы гораздо более ценным, чем сейчас, с меньшими ограничениями на то, сколько его мы могли бы использовать.

Почему? Некоторые причины.

• Чем более изменчив источник, тем больше резервных копий требуется для его укрепления и обеспечения надежности. (Сегодня резервное питание чаще всего обеспечивают электростанции, работающие на природном газе, хотя количество аккумуляторов растет.) Делая ветер менее изменчивым и более надежным, более высокие коэффициенты мощности снижают затраты на резервное питание.
• Переменная возобновляемая энергия (солнце и ветер) имеет тенденцию «съедать свой собственный обед». Поскольку все они производят энергию одновременно (когда светит солнце или дует ветер), следующее приращение добавленной мощности приводит к снижению клиринговой цены для всех остальных приращений.Чем больше энергии поступает в сеть одновременно, тем ниже цена. Распределяя свою энергию на более длительный период — примерно в два раза больше, чем 32 процента турбин 2011 года выпуска — турбина с коэффициентом мощности 60 процентов притупляет и замедляет этот эффект подавления цен.
• Увеличивая часы работы, турбина с высоким коэффициентом мощности, скорее всего, будет работать во время пиков спроса, когда мощность наиболее ценна.

Коэффициент мощности 60+ процентов — это не совсем «базовая нагрузка», но он выглядит намного менее изменчивым.Таким образом, такие турбины, как Haliade-X, были бы более ценными, даже если бы цена на ветровую электроэнергию оставалась прежней.

Но, конечно, это не останется прежним; с 2009 года он упал на 65 процентов. В недавнем отчете NREL прогнозируется, что инновации в технологии ветроэнергетики (одной из многих которых являются более крупные турбины) могут снизить его еще на 50 процентов к 2030 году. (Исследователи из Университета Вирджинии работают над Проект морской турбины, которая будет возвышаться, без лжи, на 1640 футов выше Эмпайр Стейт Билдинг.)

Скажем, новые ветряные турбины в США достигнут средней высоты ступицы 460 футов к 2025 году, что примерно соответствует текущим прогнозам. Согласно данным NREL, такие турбины могут достигать коэффициента мощности более 60 процентов на более чем 750 000 квадратных миль территории США и более 50 процентов на площади 1,16 миллиона квадратных миль.

НРЭЛ

Такое количество ветра, при таком коэффициенте мощности, при обозримом прогрессе в области ветровых технологий, будет производить достаточно дешевую энергию, чтобы полностью сокрушить всех конкурентов.Да и 2025 не за горами.

Энергия ветра

Энергия ветра является одной из самых быстрорастущих технологий использования возобновляемых источников энергии. Использование растет во всем мире, отчасти потому, что затраты падают. Согласно последним данным IRENA, мировая установленная мощность ветрогенерации на суше и на море увеличилась почти в 75 раз за последние два десятилетия, увеличившись с 7,5 гигаватт (ГВт) в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году. Производство ветровой электроэнергии удвоилось в период с 2009 по 2013 год, а в 2016 году на энергию ветра приходилось 16% электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии.Во многих частях мира наблюдается сильная скорость ветра, но иногда лучшими местами для производства энергии ветра являются отдаленные районы. Оффшорная ветроэнергетика имеет огромный потенциал.

Первые ветряные турбины появились более века назад. После изобретения электрического генератора в 1830-х годах инженеры начали пытаться использовать энергию ветра для производства электроэнергии. Производство ветровой энергии имело место в Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах в 1887 и 1888 годах, но считается, что современная ветроэнергетика была впервые разработана в Дании, где ветряные турбины с горизонтальной осью были построены в 1891 и 22 годах.8-метровый ветряк начал работу в 1897 году.

Ветер используется для производства электроэнергии с использованием кинетической энергии, создаваемой воздухом в движении. Она преобразуется в электрическую энергию с помощью ветряных турбин или систем преобразования энергии ветра. Ветер сначала ударяет по лопастям турбины, заставляя их вращаться и вращать соединенную с ними турбину. Это изменяет кинетическую энергию на энергию вращения, перемещая вал, соединенный с генератором, и тем самым производя электрическую энергию посредством электромагнетизма.

Количество энергии, которую можно получить от ветра, зависит от размера турбины и длины ее лопастей. Выход пропорционален размерам ротора и кубу скорости ветра. Теоретически при удвоении скорости ветра потенциал ветровой энергии увеличивается в восемь раз.

Мощность ветряной турбины со временем увеличилась. В 1985 году типичные турбины имели номинальную мощность 0,05 мегаватт (МВт) и диаметр ротора 15 метров. Сегодняшние новые ветроэнергетические проекты имеют мощность турбин около 2 МВт на суше и 3–5 МВт на море.

Имеющиеся в продаже ветряные турбины достигли мощности 8 МВт с диаметром ротора до 164 метров. Средняя мощность ветроустановок увеличилась с 1,6 МВт в 2009 г. до 2 МВт в 2014 г.

Согласно последним данным IRENA, производство ветровой электроэнергии в 2016 году составило 6 % электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии. Во многих частях мира наблюдается сильная скорость ветра, но иногда лучшими местами для производства энергии ветра являются отдаленные районы.Оффшорная ветроэнергетика имеет огромный потенциал.

---

---

Солнечные панели во время отключения электроэнергии

Питание от отключений электроэнергии с помощью солнечной батареи

Питание от отключений электроэнергии с помощью чистой и надежной солнечной батареи, такой как Brightbox, и возьмите под свой контроль накопление энергии. Направляя избыточную солнечную энергию, создаваемую вашими панелями, на батарею и резервную панель, вы можете питать основные приборы и самые важные комнаты в вашем доме.

Хотя генератор иногда предлагает временное решение перед лицом отключения электроэнергии, он работает на грязном ископаемом топливе, может быть разрушительным и в худшем случае опасным. ⁴ Brightbox делает энергонезависимость безопасной, простой и удобной. У вас также есть свобода выбора, что и сколько вы хотите резервировать в случае сбоя.

Brightbox — это больше, чем просто хранилище солнечных батарей — это целостная услуга, которая дает энергию в ваши руки. Наша гарантия Solar включает круглосуточный мониторинг и техническое обслуживание, поэтому вы не останетесь в неведении.

Отключения электроэнергии растут с угрожающей скоростью

Соединенные Штаты лидируют среди всех развитых стран по перебоям в подаче электроэнергии и отключению электричества, ⁵ затрагивая миллионы людей ⁶ по пути сильных штормов, лесных пожаров и периодов сильной жары. На восточном побережье сильный ветер со скоростью 60 миль в час отключил электроэнергию более чем 1 миллиону клиентов и обрушил 4000 линий электропередач. На Западном побережье бушующий пожар в Калифорнии вынудил коммунальные предприятия отключить электричество в сотнях тысяч домов. ⁷

Энергетические компании в настоящее время заблаговременно отключают коммунальные сети, поскольку они ожидают отключения электроэнергии. Например, новостные агентства по всей Калифорнии сообщают, что коммунальные предприятия планируют добровольное отключение электричества. Если лесные пожары, аномальная жара или потребительский спрос слишком велики для сети, коммунальные предприятия хотят, чтобы власти отключили электричество, питающее наши дома. ⁸

Аккумуляторная батарея может спасти сеть

Неисправность сети, ⁹ , и не только в Калифорнии.В некоторых местах нашей электросети более 100 лет. ¹⁰ Если мы сейчас же не начнем использовать возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия или энергия ветра, отключение электроэнергии и отключения электроэнергии могут привести к катастрофическим последствиям. ¹¹

Но есть решение. Если коммунальные предприятия построят новую инфраструктуру для поддержки устойчивых источников энергии и хранения аккумуляторов на солнечных батареях, ¹² , мы сможем приблизиться к тому, чтобы отключения электричества остались в прошлом. Услуга по хранению домашних солнечных батарей Sunrun Brightbox™ поможет вам в этом.

Аккумуляторы накапливают избыточную энергию от ваших солнечных панелей

С помощью Sunrun Brightbox™ вы можете производить, хранить и управлять возобновляемой солнечной энергией на своих условиях. Brightbox позволяет хранить электроэнергию, вырабатываемую солнечными панелями в течение дня, и использовать ее, когда она вам больше всего нужна.

Свяжитесь с одним из наших экспертов-консультантов по солнечной энергии и получите бесплатное предложение по солнечной энергии, соответствующее вашим потребностям в энергии. Мы здесь, чтобы помочь вам на каждом этапе пути.

Глобальный потенциал производства ветровой электроэнергии

Резюме

Потенциал энергии ветра как глобального источника электроэнергии оценивается с использованием ветров, полученных путем усвоения данных из различных метеорологических источников. Анализ показывает, что сеть наземных турбин мощностью 2,5 мегаватт (МВт), ограниченная нелесными, незамерзающими, негородскими районами, работающая всего на 20% от их номинальной мощности, может обеспечить более чем в 40 раз превышающее текущее мировое потребление электроэнергии, > 5-кратное общее глобальное использование энергии во всех формах. Ресурсы на прилегающих территориях Соединенных Штатов, особенно в центральных равнинных штатах, могут удовлетворить в 16 раз больший текущий спрос на электроэнергию в Соединенных Штатах. Оценки даны также для количества электричества, которое можно было бы получить, используя сеть 3.Турбины мощностью 6 МВт, развернутые в океанских водах на глубине <200 м в пределах 50 морских миль (92,6 км) от ближайших береговых линий.

На энергию ветра приходилось 42% всех новых электрических мощностей, добавленных в электроэнергетическую систему США в 2008 г., хотя на долю ветра по-прежнему приходится относительно небольшая часть общей мощности по выработке электроэнергии [25,4 гигаватт (ГВт) из общего числа 1075 GW] (ссылка 1; www. awea.org/pubs/documents/Outlook_2009.pdf). Глобальный совет по ветроэнергетике прогнозирует возможность 17-кратного увеличения выработки электроэнергии ветровыми электростанциями во всем мире к 2030 году (см.2; www.gwec.net/fileadmin/documents/Publications/GWEO_2008_final.pdf). Шорт и др. (3), используя модель WinDs Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, пришел к выводу, что к 2050 году на ветер может приходиться до 25% электроэнергии в США (что соответствует установленной мощности ветра ≈300 ГВт).

Арчер и Джейкобсон (4) подсчитали, что 20% глобального общего потенциала ветровой энергии может составлять до 123 петаватт-часов (PWh) электроэнергии ежегодно [что соответствует среднегодовой выработке электроэнергии в 14 тераватт (ТВт)] равно в 7 раз превышает общее текущее глобальное потребление электроэнергии (сопоставимо с нынешним глобальным использованием энергии во всех формах).Их исследование было основано на анализе данных за 2000 год с 7753 наземных метеорологических станций, дополненных данными с 446 станций, для которых имелись данные вертикального зондирования. Они ограничили свое внимание электроэнергией, которая может быть получена за счет использования сети турбин мощностью 1,5 мегаватт (МВт), использующих ветровые ресурсы в регионах со среднегодовой скоростью ветра более 6,9 м/с (класс ветра 3 или выше) на высоте 80 м. Метеорологические станции, использованные в их анализе, были в значительной степени сосредоточены в Соединенных Штатах, Европе и Юго-Восточной Азии.Вследствие этого результаты, полученные для других регионов мира, подвержены значительной неопределенности.

Настоящее исследование основано на моделировании глобальных полей ветра из версии 5 системы усвоения данных системы наблюдения Земли Годдарда (GEOS-5 DAS). Ветра, включенные в этот сборник, были получены путем ретроспективного анализа глобальных метеорологических данных с использованием современной погодно-климатической модели, включающей входные данные из самых разных источников наблюдений (5), включая не только приземные и зондирующие измерения, используемые Арчера и Якобсона (4), но также является результатом разнообразного набора измерений и наблюдений с помощью комбинации самолетов, аэростатов, кораблей, буев, сбрасываемых зондов и спутников, короче говоря, всего спектра данных наблюдений, используемых для предоставления миру наилучших метеорологических данных. прогнозы улучшены за счет применения этих данных в ретроспективном анализе.Поле ветра GEOS-5 в настоящее время доступно за период с 2004 г. по настоящее время (20 марта 2009 г.) с планами расширить анализ на 30 лет назад. Ассимиляция GEOS-5 была принята в настоящем анализе, чтобы использовать относительно высокое пространственное разрешение, доступное с этим продуктом, по сравнению с более низким пространственным разрешением, доступным с альтернативными продуктами, такими как ERA-40, NECP II и JRA-25. Он используется здесь в подробном исследовании потенциала глобально распределенной ветровой электроэнергии в 2006 году.

Начнем с описания методологии, принятой для настоящего исследования. Предполагается, что предусмотренные здесь наземные турбины будут иметь номинальную мощность 2,5 МВт, а несколько более крупные турбины, 3,6 МВт, будут установлены в море, что отражает более высокую стоимость строительства и экономический стимул для развертывания более крупных турбин для захвата более высоких скоростей ветра, доступных в эти регионы. При размещении турбин над сушей мы специально исключили густонаселенные регионы и районы, занятые лесами, а также среды, отличающиеся постоянным снежным и ледяным покровом (особенно Гренландия и Антарктида).Турбины, расположенные в открытом море, были ограничены глубиной воды <200 м и расстоянием до 92,6 км (50 морских миль) от берега.

Затем обсуждаются эти ограничения и представляются результаты глобального анализа с последующим более подробным обсуждением результатов для США.

Методология

Анализ GEOS-5 использует систему координат, повторяющую рельеф местности, включающую 72 вертикальных слоя, простирающихся от поверхности до уровня давления 0,01 гПа (высота ≈78.2 км) (5). Отдельные элементы объема определяются их горизонтальными границами (широта и долгота) и давлениями вверху и внизу. Горизонтальное разрешение моделирования составляет 2/3° долготы на 1/2° широты (эквивалентно ≈66,7 км × 50,0 км на средних широтах). Модель обеспечивает трехмерные поля давления как в центре, так и на краях слоев в дополнение к скорости ветра (меридиональному и зональному) и температурам в средней точке отдельных слоев с временным разрешением 6 часов. 3 нижних слоя расположены примерно на высотах 71, 201 и 332 м.В настоящем анализе используются 6-часовые данные для 3 нижних слоев с использованием схемы интерполяции, указанной ниже, для оценки температуры, давления и скорости ветра на высоте 100 м, высота ступицы для рассматриваемых турбин мощностью 2,5 и 3,6 МВт. здесь.

Зная давление на нижнем и верхнем краях отдельных слоев вместе с температурами и давлениями в средних точках слоев, высоты, соответствующие средним точкам слоев, рассчитываются на основе итеративного применения барометрического закона при допущении линейного изменения температуры между серединами отдельных слоев.Барометрический закон также использовался для расчета давления на высоте 100 м. Скорость ветра и температура на высоте 100 м были рассчитаны с использованием кубического сплайна, аппроксимирующего данные в средних точках трех нижних слоев.

Кинетическая энергия ветра, перехватываемая лопастями турбины в единицу времени ( P ), зависит от плотности воздуха (ρ), площади, охватываемой лопастями ротора (π r ² ), и куб скорости ветра ( V ³ ), приведенный к коэффициенту полезного действия или мощности ( f _p ) по формуле (6): Эффективность, с которой кинетическая энергия, перехваченная при любой заданной скорости ветра, преобразуется турбиной в электричество, зависит от деталей конструкции турбины, определяемых так называемой кривой мощности турбины. Как правило, преобразование в электричество варьируется как куб скорости ветра при низких скоростях ветра, асимптотически приближаясь к постоянному значению для средних и высоких скоростей ветра, падая до 0 при самых высоких скоростях ветра, когда лопасти турбины обычно флюгированы для предотвращения повреждений. . Для настоящей цели мы решили использовать кривые мощности и технические параметры для турбин мощностью 2,5 и 3,6 МВт, продаваемых General Electric (GE) (http://gepower.com/businesses/ge_wind_energy/en/index.htm).

Эти кривые мощности предполагают плотность воздуха 1.225 кг/м ³ в условиях, соответствующих температуре воздуха 15 °C при давлении 1 атмосфера (7). Для учета различий плотности воздуха на высотах ротора по сравнению с этим стандартом скорости ветра в опубликованных кривых мощность/скорость ветра были скорректированы по формуле где P и T определяют давление и температуру воздуха на высоте ступицы, а R обозначает постоянную атмосферного газа, 287,05 Н·м/(кг·K) для сухого воздуха.

Оптимальное расстояние между турбинами на отдельной ветровой электростанции включает компромисс между рядом факторов, включая стоимость отдельных турбин, затраты на обустройство площадки и затраты на прокладку силовых кабелей, в дополнение к ожидаемым расходам на повседневную эксплуатацию и техническое обслуживание (ЭиТО). ). Турбины должны быть расположены на расстоянии друг от друга, чтобы свести к минимуму помехи воздушному потоку, вызванные взаимодействием между отдельными турбинами. Этот процесс требует компромисса между целью максимизировать мощность, вырабатываемую каждой турбиной, и конкурирующим стимулом максимизировать количество турбин, расположенных на единицу площади (8).Ограничение общих потерь мощности до уровня <20 % требует, чтобы расстояние ниже по потоку составляло >7 диаметров ротора, а расстояние между встречными потоками >4 диаметров (9, 10). Применение этого ограничения к турбинам GE мощностью 2,5 МВт (диаметр ротора 100 м, r = 50 м) требует межтурбинного расстояния 0,28 км ² . Аналогичные ограничения применяются к размещению морских турбин (диаметр ротора 111 м, r = 55,5 м). Для настоящих целей мы предполагаем, что площадь для отдельных морских турбин составляет 5 × 10 диаметров ротора, что соответствует занимаемой площади на одну турбину, равной 0.616 км ² . Большое расстояние для морских турбин было выбрано, чтобы гарантировать, что общая потеря мощности должна быть ограничена 10%, компенсируя предполагаемую более высокую стоимость установки и большие расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание турбин, работающих в более агрессивной морской среде (8, 9). С учетом этих ограничений мы предлагаем рассчитать электроэнергию, которая может быть выработана потенциально каждые 6 часов в масштабе отдельных элементов сети, определенных базой данных GEOS (≈66,7 км × 50.0 км) с учетом дополнительных пространственных ограничений, указанных ниже.

В дополнение к оценке максимальной потенциальной выработки электроэнергии мы предлагаем также оценить выработку электроэнергии, выраженную в виде доли от номинальной мощности установленных турбин, т. е. учесть ожидаемую изменчивость ветра на протяжении года. Эта величина называется коэффициентом мощности (КМ), определяемым соотношением где P _{реальная} обозначает фактически реализованную мощность (без учета потенциальных помех между соседними турбинами), а P _{номинальное} относится к мощности, которая могла бы быть реализована, если бы условия позволяли турбине работать с максимальной эффективностью на 100%. времени.В этом контексте мы предполагаем, что время простоя для технического обслуживания составляет потерю лишь небольшой части общей потенциальной мощности, которая может быть выработана установленными турбинами, что отражает тот факт, что техническое обслуживание обычно запланировано на периоды относительно слабого ветра (11). Мы ограничиваем внимание в этом анализе регионами с коэффициентом мощности >20%.

Географические ограничения

Спектрорадиометр с визуализацией среднего разрешения (MODIS) обеспечивает полезную запись пространственного распределения различных типов земного покрова за 2001 г. с горизонтальным разрешением ≈1 км × 1 км.Эта запись будет использоваться для исключения из нашего анализа территорий, классифицированных как покрытые лесом, территории, занятые вечным снегом или льдом, территории, покрытые водой, а также территории, идентифицированные как застроенные или городские.

Скорость ветра, как правило, ниже над лесными массивами, что отражает дополнительную шероховатость поверхности. Следовательно, турбины должны быть подняты на более высокий уровень в этих условиях, чтобы обеспечить приемлемую экономическую отдачу. Хотя это может быть разумным для некоторых регионов и некоторых типов леса, по этим причинам мы решили исключить лесные массивы из настоящего анализа.

Исключение участков, покрытых водой, более проблематично. Скорость ветра обычно выше над водой по сравнению с сушей. Однако размещение турбин в водной среде обходится дороже, чем в наземной. Общественное давление против первого также обычно более интенсивное, по крайней мере, в США

Топографические данные о рельефе суши и океана были получены из Глобальной цифровой модели рельефа (GTOPO30) Центра наблюдения за ресурсами Земли и научных данных Университета США. С. Геологическая служба. Пространственное разрешение этого источника данных для морской среды (рельеф дна) составляет ≈1 км × 1 км (12). Ряд факторов ограничивает развитие оффшорных ветровых электростанций. Эстетические соображения, например, ограничили развитие ветровых ресурсов в прибрежной среде в США, хотя возражения против прибрежного развития в Европе, по-видимому, были менее влиятельными. Необходимо также учесть требования, предъявляемые к судоходству, рыболовству и заповедникам, а также свести к минимуму возможные помехи для радио- и радиолокационных установок.Принимая во внимание эти ограничения, Мусиал и Баттерфилд (13) и Мусиал (14) в исследовании потенциала оффшорной ветроэнергетики на прилегающих территориях США решили исключить строительство ветряных электростанций в пределах 5 морских миль (нм) (9,3 км) от берега. и ограничить разработку до 33% доступной площади в диапазоне от 5 до 20 морских миль (9,3–37 км) от берега, расширив потенциальную доступную площадь до 67% в диапазоне от 20 до 50 морских миль (37–92,6 км).

Для целей данного исследования, следуя Dvorak et al. (15) рассмотрим 3 возможных режима развития морской ветроэнергетики, определяемые глубинами воды 0–20, 20–50 и 50–200 м.Несколько условно мы ограничиваем потенциальное развертывание ветряных электростанций расстоянием в пределах 50 морских миль (92,6 км) от ближайшей береговой линии, предполагая, что 100% площади, занимаемой этими водами, доступно для развития.

Мировой потенциал ветроэнергетики

Приблизительно 1% всей солнечной энергии, поглощаемой Землей, преобразуется в кинетическую энергию в атмосфере, которая в конечном итоге рассеивается за счет трения о поверхность Земли (16, 17). Если предположить, что эта энергия равномерно рассеивается по всей площади поверхности Земли (это не так), то это будет означать среднюю мощность источника для площади суши Земли ≈3.4 × 10 ¹⁴ Вт эквивалентно годовому потреблению энергии, равному 10 200 квадрациклам [10 800 эксаджоулей (ЭДж)], что примерно в 22 раза превышает общее текущее глобальное годовое потребление коммерческой энергии. Выполнение того же расчета для 48 нижних штатов США показало бы, что потенциальный источник энергии составляет 1,76 × 10 ¹³ Вт, что соответствует годовой выработке 527 квадрациклов (555 ЭДж), что примерно в 5,3 раза больше, чем общее текущее годовое потребление коммерческая энергия во всех формах в США. Однако энергия ветра неравномерно распределена по Земле, и региональные модели рассеяния зависят не только от источника ветра, доступного в свободной тропосфере, но также и от фрикционных свойств подстилающей поверхности.

Здесь мы сосредоточимся на потенциальной энергии, которая может быть перехвачена и преобразована в электричество глобально распределенным массивом ветряных турбин, распределение и свойства которых были описаны выше. С учетом земельных площадей, которые мы считаем нецелесообразными для их размещения (лесные и городские районы и территории, покрытые либо водой, либо вечным льдом), потенциальный источник энергии оценивается в 2350 квад (2470 ЭДж). Распределение потенциальной мощности для этого более реалистичного случая показано на рис. 1. Мы ограничили внимание в этом анализе турбинами, которые могли бы работать с коэффициентом мощности на уровне или > 20%.

Рисунок 1.

Глобальное распределение среднегодового наземного ветроэнергетического потенциала (Вт/м ² ) на 2006 г. с учетом пространственных ограничений по размещению без ограничений на потенциально реализуемые коэффициенты мощности.

Результаты потенциального электричества, которое может быть произведено с использованием ветра по странам, обобщены на рис. 2 для наземных ( A ) и морских ( B ) сред.Как обсуждалось ранее, размещение турбин на суше и в море было ограничено. В Таблице 1 представлены сводные данные по 10 странам, признанным крупнейшими национальными источниками выбросов CO ₂ . Включенные здесь данные относятся к национальной отчетности о выбросах CO ₂ и потреблении электроэнергии для этих стран в 2005 г. Обновленная версия таблицы показывает, что Китай в настоящее время является крупнейшим в мире источником выбросов CO ₂ , превзойдя США по первые месяцы 2006 года. Потенциал ветроэнергетики для мира в целом и прилегающих к нему территорий США обобщен в таблице 2.

Рис. 2.

Годовой потенциал ветровой энергии по странам, ограничивается установками с коэффициентом мощности >20% и ограниченным размещением. ( A ) Береговой. ( B ) Оффшор.

Таблица 1.

Годовой потенциал ветровой энергии, выбросы CO ₂ и текущее потребление электроэнергии для 10 ведущих стран-выбросов CO ₂

Таблица 2.

Годовой потенциал ветровой энергии на суше и на море для всего мира и прилегающей территории США.С.

Результаты в Таблице 1 показывают, что крупномасштабное развитие ветровой энергетики в Китае может обеспечить почти 18-кратное увеличение поставок электроэнергии по сравнению с потреблением, зарегистрированным в 2005 г. Основная часть этой ветровой энергии, 89%, может быть получена от береговых установок. Потенциал ветроэнергетики в США еще больше, в 23 раза больше, чем текущее потребление электроэнергии, большая часть которой, 84%, может поставляться на берег. Результаты для континентальной части США будут более подробно обсуждаться в следующем разделе.Если расположить 10 стран с наибольшим уровнем выбросов CO ₂ с точки зрения ветроэнергетического потенциала, Россия заняла бы первое место, за ней следовала бы Канада, а США заняли бы третье место. Однако следует подчеркнуть важное различие между абстрактным потенциалом ветровой энергии и той долей ресурсов, которая может быть освоена при наличии реальных экономических ограничений. Большая часть потенциала ветроэнергетики в России и Канаде расположена на большом расстоянии от населенных пунктов.Учитывая неизбежно более высокие затраты на создание ветряных электростанций в отдаленных районах и потенциальную общественную оппозицию таким инициативам, маловероятно, что эти ресурсы будут освоены в ближайшем будущем. Несмотря на эти ограничения, ясно, что энергия ветра может внести значительный вклад в спрос на электроэнергию для большинства стран, перечисленных в таблице 1, в частности для 4 крупнейших источников выбросов CO ₂ , Китая, США, России, и Япония. Следует отметить, однако, что ресурсы Японии в основном ограничены оффшорной зоной, 82% общенациональных ресурсов.Чтобы полностью использовать эти глобальные ресурсы, неизбежно потребуются значительные инвестиции в системы передачи, способные доставлять эту мощность в регионы с высоким спросом на нагрузку.

Электроэнергия, которая потенциально может быть произведена в глобальном масштабе с использованием ветра, отображенная как функция предполагаемого коэффициента мощности установленных турбин, представлена ​​на рис. 3 для наземных ( A ) и морских ( B ) среды. Результаты на рис. 3 A предполагают, что общее текущее глобальное потребление электроэнергии может быть обеспечено за счет ветра, при этом установка наземных турбин будет ограничена регионами, характеризующимися наиболее благоприятными ветровыми условиями, регионами, где можно ожидать, что турбины будут работать с максимальной мощностью. факторы >53%.Если бы коэффициент отсечки мощности был снижен до 36%, энергосодержание электроэнергии, вырабатываемой за счет использования ветра с наземными турбинами в глобальном масштабе, было бы эквивалентно общему текущему глобальному потреблению энергии во всех формах. Коэффициенты предельной мощности, необходимые для достижения аналогичных целей с морскими ресурсами, должны быть уменьшены, как показано на рис. 3 B . Чтобы поместить эти соображения в контекст, мы хотели бы отметить, что коэффициенты мощности, реализованные турбинами, установленными в США в 2004 и 2005 годах, в среднем приближались к 36% (18).

Рис. 3.

Годовой потенциал ветровой энергии как функция предполагаемых пределов коэффициентов мощности. Результаты, соответствующие пределу коэффициента мощности 20%, принятому в этом исследовании, обозначены *. ( A ) Глобальный наземный. ( B ) Глобальный оффшор.

Потенциал ветроэнергетики в США

На рис.4. Представленные здесь результаты были рассчитаны с использованием данных о ветре за 2006 г. Неудивительно, что потенциал ветровой энергии для обеих сред максимален зимой, достигает пика в январе, минимален летом и минимален в августе. Береговой потенциал для января, по результатам, представленным на рис. 4, превышает августовский в 2,5 раза: соответствующий коэффициент, рассчитанный для морских участков, несколько больше — 2,9.

Рис. 4.

Ежемесячный потенциал ветровой энергии для континентальной части США в 2006 г. с ежемесячным потреблением электроэнергии для всей территории США.С.

На рис. 4 также представлены ежемесячные данные о потреблении электроэнергии в США в 2006 г. Спрос на электроэнергию в течение года изменяется бимодально с пиками летом и зимой и минимумами весной и осенью. Наибольший спрос наблюдается летом во время сезона кондиционирования воздуха. Летний спрос превышает минимальный весенне-осенний спрос, как правило, на 25-35% в зависимости от страны США, в зависимости от того, является ли лето необычно теплым или относительно мягким. Корреляция между среднемесячными показателями производства ветровой энергии и потребления электроэнергии отрицательная.Очень большое проникновение энергии ветра может производить избыточную электроэнергию в течение значительной части года. Эта ситуация может позволить варианты преобразования электроэнергии в другие формы энергии. Гибридные электромобили с подключаемым модулем, например, могли бы использовать краткосрочные излишки в системе электроснабжения, в то время как химические вещества, богатые энергией, такие как H ₂ , могли бы обеспечить средства для более длительного хранения.

На рис.5 А . Обратите внимание на высокую концентрацию ресурсов в районе центральных равнин, простирающемся на север от Техаса до Дакоты, на запад до Монтаны и Вайоминга и на восток до Миннесоты и Айовы. Ресурсы в этом регионе, как показано на рис. 5 B , значительно превышают текущий местный спрос. Однако важное использование этого ресурса потребует значительного расширения существующей сети электропередачи. Расширение и модернизация сети потребуются в любом случае для удовлетворения ожидаемого будущего роста спроса на электроэнергию.При планировании этого расширения важно с самого начала признать необходимость использования энергии из регионов, богатых потенциальными возобновляемыми ресурсами, не только ветровыми, но и солнечными. Однако дополнительные расходы не обязательно должны быть непомерно высокими (ссылка 18; www.nrel.gov/docs/fy08osti/41869.pdf). Совет по надежности электроснабжения Техаса, оператор, ответственный за передачу большей части электроэнергии в Техасе, оценивает дополнительные затраты на передачу до 4,6 ГВт ветровой электроэнергии в ≈180 долларов за кВт, ≈10% капитальных затрат на установку. ветроэнергетического оборудования (см.19; www.ercot.com/news/presentations/2006/ATTCH_A_CREZ_Analysis_Report.pdf.).

Рис. 5.

Годовой потенциал наземной ветровой энергии по штатам на прилегающей территории США, выраженный в ТВтч ( A ) и как отношение к розничным продажам в штатах (2006 г.) ( B ). Например, потенциальный источник для Северной Дакоты превышает текущий общий объем розничных продаж электроэнергии в этом штате в 360 раз. Источником данных по общим розничным продажам электроэнергии был сайт www.eia.doe.правительство

Важный вопрос, связанный с интеграцией электроэнергии, получаемой от ветра, в энергосистему, включающей в себя вклады из различных источников, связан с проблемой согласования предложения со спросом на нагрузку, включая вклад в предложение, которое внутренне изменчиво как во времени, так и в пространстве и зависит от к ошибкам предсказания. Эту проблему можно в некоторой степени смягчить, если вариации источников ветра, влияющих на интегрированную сеть передачи из разных регионов, в значительной степени не коррелированы.Аномально высокий вклад одной области может быть в этом случае компенсирован аномально малым вкладом другой. Чтобы исследовать значимость этой потенциальной компенсации, мы исследовали ковариацию ветровых ресурсов из 3 конкретных регионов: одного в Монтане, второго в Миннесоте и третьего в Техасе, как показано на рис. 6. Анализ усредненного за 6 часов потенциала Ветровая электроэнергия из 3-х регионов в течение 4-х сезонов, зимы, весны, лета и осени, дала результаты, представленные в Таблице 3.Вклады трех регионов практически не коррелированы в зимние месяцы (с октября по март) со значениями r <0,07. Однако коэффициенты корреляции (значения r ) относительно высоки летом (с июля по сентябрь) со значениями от 0,28 (Монтана по сравнению с Техасом) до 0,37 (Монтана по сравнению с Миннесотой) с промежуточными значениями весной. Анализ показывает, что энергия ветра может внести относительно надежный вклад в ожидаемую базовую нагрузку зимой.Включение ресурсов ветровой энергии в прогнозы спроса на базовую нагрузку для других сезонов, особенно для лета, может быть более сложным.

Рис. 6.

Расположение регионов в Монтане, Миннесоте и Техасе, выбранных для изучения пространственной корреляции ветровых ресурсов.

Таблица 3.

Корреляции ветроэнергетического потенциала между отдельными регионами Монтаны (MT), Миннесоты (MN) и Техаса (TX) в разные сезоны 2006 г.

Заключительные замечания

Ветры, используемые здесь, были получены путем усвоения метеорологических данных из различных источников в сочетании с результатами модели общей атмосферной циркуляции.Транспорт в пограничном слое рассматривался с использованием двух различных формализмов, один из которых применялся в условиях, когда пограничный слой был устойчивым, а другой — в условиях, когда пограничный слой либо нестабилен, либо закрыт облаками. Изменение скорости ветра с высотой было рассчитано в настоящем исследовании с использованием кубического сплайна, аппроксимирующего 3 нижних слоя (центральные высоты 71, 201 и 332 м) выходных данных GEOS-5 для оценки скорости ветра на высотах ротора. рассматриваемых здесь турбин (100 м).Рассчитанные таким образом скорости ветра использовались при получении всех результатов, представленных выше.

Роторы турбин, смоделированных в этом исследовании, имеют достаточный размер, чтобы при вращении лопастей они пересекали значительные участки двух нижних слоев атмосферы, моделируемой GEOS-5. Следовательно, использование скорости ветра для одного уровня (100 м) должно быть связано с некоторой неопределенностью. Чтобы оценить эту неопределенность, мы изучили результаты, полученные с помощью альтернативного подхода. Мощность, перехватываемая лопастями роторов при прохождении через отдельные слои, первоначально рассчитывалась на основе зарегистрированных средних скоростей ветра для задействованных слоев. Приняв типичное значение ≈135 м для высоты границы между первыми двумя слоями, учитывая диаметр ротора 100 м, соответствующий предполагаемым наземным турбинам, следует, что 99% площади, омываемой роторами, будут перехватывать воздух из первого слоя, и только 1% встречается во втором слое. В этом случае мощность, перехваченная роторами, может быть рассчитана путем соответствующего усреднения мощности, перехваченной в двух слоях. Внедрение этого подхода дало результаты, которые, как правило, отличались несколько меньше: <15% для наземных результатов, представленных выше, и <7% для морских результатов.

Данные GEOS-5 имели пространственное разрешение ≈66,7 км × 50,0 км. Ясно, что скорость ветра может значительно меняться на расстояниях, намного меньших, чем разрешающая способность настоящей модели, в ответ на изменения топографии и земного покрова (на которые в обоих случаях влияют изменения шероховатости поверхности). В целом, мы ожидаем, что выход электроэнергии, рассчитанный с помощью модели с низким разрешением, скорее занижает, чем переоценивает то, что можно было бы рассчитать с использованием модели с более высоким разрешением. Ожидается, что данные GEOS-5 обеспечат полезное представление ветра в синоптическом масштабе, что требуется, например, для описания переноса между соседними элементами сетки.Не ожидается, что они будут учитывать изменения скорости ветра в подсеточном масштабе, даже если можно ожидать, что последняя, ​​по крайней мере при некоторых обстоятельствах, будет вносить значительный вклад в потенциально доступную энергию ветра. Чтобы проверить эту гипотезу, мы изучили значение атласа ветров высокого разрешения, доступного для высоты 100 м для Миннесоты (20). Скорость ветра, указанная в базе данных высокого разрешения, выше, чем скорость ветра, указанная GEOS-5, что подтверждает нашу гипотезу.Тесная связь скорости ветра с классификацией поверхности земли, подразумеваемая атласом ветров Миннесоты с высоким разрешением, предполагает, что данные классификации земли могут обеспечить полезную основу, по крайней мере, для предварительного масштабирования относительно грубого пространственного разрешения потенциальных ветровых ресурсов в настоящем исследовании. .

В этом исследовании мы решили исключить лесные, городские, постоянно покрытые льдом и внутренние водные районы. Учитывая относительно низкое пространственное разрешение базы данных GEOS-5, вполне возможно, что этот подход не смог определить локализованные среды, в которых ветровые ресурсы могут быть необычно благоприятными и где инвестиции в ветроэнергетику могут обеспечить приемлемую экономическую отдачу.Чтобы изучить эту возможность, мы разработали глобальную наземную карту эффективности, с которой турбины с роторами, расположенными на высоте 100 м, могут преобразовывать энергию ветра в электричество. Мы включили все участки суши, за исключением регионов, идентифицированных как постоянно покрытые льдом (в частности, Гренландия и Антарктида). Результаты, выраженные в терминах соответствующих коэффициентов мощности, представлены на рис. 7. Регионы с особенно благоприятными коэффициентами мощности, даже если они покрыты лесами, городскими территориями или заняты обширными внутренними водоемами, могут рассматриваться как потенциальные дополнительные цели для развития.

Рис. 7.

Глобальное распределение берегового коэффициента мощности (%) для ветров на высоте 100 м, за исключением районов с постоянным снежным/ледяным покровом, таких как Антарктика и Гренландия.

Очевидно, например, что запись GEOS-5 с низким разрешением недооценивает ветровые ресурсы, доступные в Испании и Португалии (что, скорее всего, является следствием сложного рельефа местности в этих регионах). Еще одним примером является Швеция, где ветровые ресурсы, указанные в имеющемся атласе ветров высокого разрешения (21), значительно превышают ресурсы, подразумеваемые ГЕОС-5.Несоответствие в этом случае может быть связано с обширным лесным покровом региона и априорным решением игнорировать такие регионы в настоящем глобальном исследовании. Оценка потенциала горных или холмистых регионов также проблематична. В среднем скорость ветра в этих регионах может быть относительно низкой. Однако особенно благоприятные условия могут существовать на горных хребтах или на перевалах через горные районы. Горный массив Аппалачи в США является тому примером. В целом результаты с низким разрешением, как правило, несколько переоценивают ветровые ресурсы в районах с равнинной местностью и недооценивают потенциал для регионов с более сложной топографией.

Анализ в этой статье показывает, что сети наземных турбин мощностью 2,5 МВт, работающих всего на 20 % от номинальной мощности, приуроченных к незалесенным и незамерзающим регионам, было бы более чем достаточно для покрытия текущих и ожидаемых будущих мировой спрос на электроэнергию. Потенциал для прилегающих США может превышать текущее потребление более чем в 16 раз. Важные дополнительные источники электроэнергии могут быть получены путем развертывания ветряных электростанций на прибрежных мелководьях.

Широкое развертывание ветряных электростанций может рассматриваться как дополнительный источник атмосферного трения. Например, если бы весь текущий спрос на электроэнергию в США должен был обеспечиваться за счет ветра, сток кинетической энергии, связанный с соответствующими турбинами, составил бы ≈6% стока, вызванного поверхностным трением на всей прилегающей территории США. , 11% для региона, выделенного как наиболее благоприятный для развития ветропарка (район, отмеченный красным на рис.5 A определяется ветровыми ресурсами >280 тераватт-часов (ТВтч)]. Потенциальное воздействие крупных ветровых электростанций на циркуляцию атмосферы изучалось в ряде недавних исследований (22, 23). Эти исследования предполагают, что высокие уровни развития ветра, как предполагается здесь, могут привести к значительным изменениям в атмосферной циркуляции даже в регионах, удаленных от мест, где развернуты турбины. Они указывают на то, что глобальное рассеяние кинетической энергии регулируется в основном физическими процессами, контролирующими источник, а не сток.Увеличение трения, вызванное наличием турбин, вероятно, будет компенсировано уменьшением рассеяния трения в другом месте. Ожидается, что средние глобальные приземные температуры существенно не изменятся, хотя можно ожидать, что температуры в более высоких широтах снизятся до умеренной степени из-за снижения эффективности меридионального переноса тепла (компенсируя ожидаемое дополнительное потепление для этой среды, вызванное накоплением тепла). парниковых газов). При наращивании использования ветровых ресурсов в будущем будет важно учитывать изменения в ветровых ресурсах, которые могут возникнуть в результате развертывания большого количества турбин, в дополнение к изменениям, которые могут возникнуть в результате антропогенного изменения климата. , чтобы более надежно предсказать экономическую отдачу, ожидаемую от конкретного развертывания турбин.

Благодарности

Мы благодарим Мэри С. Грин (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства Центр данных и информационных услуг Годдарда по наукам о Земле, Гринбелт, Мэриленд) за предоставление данных GEOS-5; James G. Anderson, Ralph Cicerone, Philippe Le Sager, Jintai Lin, Chris Nielsen, Yuxuan Wang и анонимных рецензентов за комментарии, которые заметно улучшили качество конечного продукта; а также Джеффу Блоссому, Гопину Хуану и Сумите Шринивасан за советы по применению географических информационных систем.Эта работа была поддержана грантом Национального научного фонда ATM-0635548.

Сноски

• ¹ Кому следует направлять корреспонденцию. Электронная почта: mbm{at}seas.harvard.edu

• Вклад авторов: X.L. и М.Б.М. проектное исследование; XL и М.Б.М. проведенное исследование; С.Л., М.Б.М. и Дж.К. проанализированные данные; и X.L., M.B.M. и J.K. написал бумагу.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Бесплатно доступен в Интернете через опцию открытого доступа PNAS.

Энергия ветра для домовладельцев, фермеров и малых предприятий штата Колорадо — 10.623

Распечатать этот информационный бюллетень

И. Шонле и Р. Кантвелл ^* (5/15)

Краткие факты…

• Ветры на вашем участке должны быть не ниже 2-го класса (среднегодовая скорость ветра от 9,8 до 11,5 миль в час на высоте 50 метров над уровнем земли), чтобы можно было использовать энергию ветра.
• Закон штата, принятый в 2008 году, требует, чтобы все коммунальные предприятия разрешали подключение к сети турбин мощностью до 10 киловатт и коммерческих турбин мощностью до 25 кВт.
• Стоимость бытовых ветряных турбин варьируется в зависимости от того, сколько энергии они могут производить, и других факторов.
• Независимо от того, какую электроэнергию вы используете, лучший способ сократить расходы — использовать меньше.

1. Пригодна ли мне энергия ветра?

Небольшая ветряная энергетическая система может обеспечить вас экономичным источником электроэнергии, если вы живете в районе с довольно устойчивыми сильными ветрами и площадью не менее половины акра открытой земли.

Личные впечатления от ветрености участка часто недостоверны – лучше использовать объективную меру.Наиболее точную информацию можно получить, разместив на своем участке анемометр (прибор, измеряющий скорость ветра) хотя бы на один год. Вы можете воспользоваться бесплатной программой кредитования анемометров в Колорадо http://projects-web.engr.colostate.edu/ALP/index.htm.

Стоимость бытовых ветряных турбин варьируется в зависимости от того, сколько энергии они могут производить, и других факторов. Примерный диапазон составляет от 4000 до 8000 долларов за номинальный киловатт. Система, которая компенсирует большую часть потребления электроэнергии в среднем доме (10 000 кВтч в год), будет стоить примерно 50 000 долларов без учета льгот.

Более быстрый способ — найти данные о ветре на карте ветровых ресурсов Колорадо и в программе кредитования анемометра. Ветры на вашем участке должны быть как минимум класса 2 (годовая скорость ветра в среднем от 9,8 до 11,5 миль в час на высоте 50 метров над уровнем земли), чтобы можно было использовать энергию ветра. У Министерства энергетики США есть дополнительная информация о размещении турбин, а Американская ассоциация ветроэнергетики
предлагает подробное руководство по размещению.

Вы также должны убедиться, что ваши местные нормы зонирования или соглашения разрешают использование ветряных турбин и довольно высоких башен, которые позволяют им улавливать достаточно ветра для производства электроэнергии. Вам также необходимо провести достаточно исследований, чтобы узнать, окупится ли турбина достаточно быстро, чтобы удовлетворить ваши финансовые потребности.

Несмотря на то, что стоимость ветряной турбины высока, ветряная энергетическая система не потребует дополнительных закупок электроэнергии примерно в течение 20 лет. Это позволяет вам избежать непредсказуемых будущих расходов на другие виды топлива, оплачивая энергию ветра авансом.

2. Как работает ветряк?

Энергия ветра генерирует энергию в соответствии с этим уравнением:

Мощность = 0.5 x Охватываемая площадь x Плотность воздуха x Скорость ветра ³

Практические выводы из этого уравнения:

1. Размещение вашей турбины в районе с хорошим ветром является наиболее важным соображением, поскольку мощность увеличивается со скоростью в кубе. Это означает, что небольшое увеличение скорости ветра резко увеличит выходную мощность.
2. Чем больше лопасти турбины (охватываемая площадь), тем больше энергии она сможет захватить. Очень маленькие турбины не смогут производить много энергии, независимо от того, насколько они эффективны.

Ветряная турбина улавливает энергию ветра, использует ее для вращения лопастей и преобразует энергию в электричество с помощью генератора в части турбины, называемой гондолой. Однако турбина является лишь частью системы. Башня поднимает лопасти высоко в воздух, где ветер сильнее. Поскольку выше над землей ветер более мощный и менее турбулентный, более высокие башни значительно увеличивают выработку энергии турбиной. Кроме того, ветровому ресурсу мешает наличие деревьев и построек.Одно эмпирическое правило заключается в том, что нижняя часть области, охватываемой лопастями турбины, должна быть как минимум на 30 футов выше любых деревьев или зданий в пределах 300 футов. Однако, поскольку увеличение высоты градирни резко увеличивает выходную мощность, рассмотрите возможность инвестирования в максимально высокую градирню; окупаемость вложений того стоит.

Инвертор преобразует электроэнергию постоянного тока (DC) в переменный ток (AC). Для ветряных машин, которые используют батареи для хранения энергии, контроллер управляет подачей электроэнергии на батареи, турбины, подключенные к сети, не требуют батарей.

3. В чем разница между сетевым и автономным?

До недавнего времени большинство небольших ветряных турбин в Колорадо устанавливались людьми, которые жили «вне сети», то есть вдали от энергетической компании, поставлявшей им электроэнергию. Они полагались на свою собственную способность производить энергию с помощью ветряной турбины и, возможно, солнечных батарей с резервными батареями для хранения энергии. Но это меняется.

Закон штата, принятый в 2008 году, требует, чтобы все коммунальные службы разрешали бытовым и коммерческим пользователям до определенного размера подключаться к сети.Сеть выполняет ту же функцию, что и аккумуляторная система хранения. Энергия, произведенная сверх суточного потребления, возвращается потребителю по розничному тарифу. Этот кредит идет на мощность, потребляемую в спокойные периоды, когда электроэнергия не вырабатывается. Закон штата Колорадо разработан для того, чтобы люди компенсировали собственное потребление энергии, а не продавали ее обратно для получения общей прибыли. Это позволяет бытовым турбинам до 10 кВт номинальной производительности и коммерческим турбинам до 25 кВт. Чистый учет разрешен только для систем, размер которых не превышает 120 процентов среднегодового потребления потребителя.В конце года любая электроэнергия, вырабатываемая сверх потребления, покупается коммунальным предприятием, как правило, по очень низким ценам. Следовательно, не имеет финансового смысла увеличивать размер вашей системы.

Этот закон о «сетевых измерениях» вызвал гораздо больший интерес к небольшим ветряным турбинам, которые подключаются к энергосистеме. Поскольку эти турбины подключены непосредственно к системе электроснабжения, они не будут работать при отключении электричества, если только не будет резервной системы с батареями.

4. Насколько большая система мне нужна?

Большинство небольших ветряных турбин имеют рейтинг или размер, основанный на максимальной электроэнергии, которую они могут генерировать, например 1. 8кВт или 5кВт. Но это не очень полезное число для большинства потребителей, поскольку номинальная мощность не является сравнением яблок с яблоками. Лучше использовать сертифицированные рейтинги Совета по сертификации малых ветров (http://smallwindcertification.org) (SWCC). Рейтинг SWCC показывает мощность турбины в кВтч (киловатт-час) при номинальной скорости ветра, что дает турбине ее «номинальную мощность».

Однако важным фактором при принятии решения является выходная мощность при средней скорости ветра. Если номинальная скорость ветра (11.2 мили в час) не соответствует средней скорости ветра в вашем регионе, используйте кривую мощности, предоставленную производителем, показывающую, сколько электроэнергии производит машина при заданной скорости ветра. Используйте это, чтобы оценить, сколько электроэнергии (кВтч) турбина будет производить каждый месяц или год при средней скорости ветра, которую вы ожидаете или измеряете на своем участке. Сопоставьте этот результат с вашим годовым потреблением энергии. Чтобы определить это число, проверьте свои ежемесячные счета, чтобы узнать общее годовое количество киловатт-часов электроэнергии, которое вы используете.

После того, как вы определили свое годовое потребление электроэнергии, вы можете решить, сколько электроэнергии вы хотите компенсировать с помощью турбины, исходя из бюджета и других соображений. Например, если вы хотите компенсировать почти все потребление электроэнергии и определили, что годовое потребление составляет 10 000 кВтч, выберите турбину, которая будет производить столько энергии в течение года при вашей средней скорости ветра.

5. Сколько это будет стоить?

Стоимость бытовых ветряных турбин варьируется в зависимости от того, сколько энергии они могут производить, и других факторов.Примерный диапазон составляет от 4000 до 8000 долларов за номинальный киловатт. Система, которая компенсирует большую часть потребления электроэнергии в среднем доме (10 000 кВтч в год), будет стоить примерно 50 000 долларов без учета льгот.

6. Как рассчитать окупаемость?

Определите сумму, которую вы платите по счетам за электроэнергию, прежде чем устанавливать свою систему, или, если вы планируете автономную систему, определите, сколько электроэнергии, по вашему мнению, вы будете использовать ежегодно. Если ваша система компенсирует всю вашу электроэнергию, вы можете разделить ее стоимость на годовой счет, чтобы определить, за сколько лет она окупится.Если вы компенсируете только часть своего использования, вам необходимо соответствующим образом скорректировать расчет

В Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии есть калькулятор и документ по экономическим аспектам малого ветра, подключенного к сети.

7. Шок от наклейки?

Независимо от того, какое электричество вы используете, лучший способ сократить расходы — меньше потреблять. Это означает сделать ваш дом более эффективным и найти способы сократить потребление, например, открывать окна в прохладные ночи и закрывать их, когда днем ​​становится жарко. Выключение света и отключение приборов от электросети, когда они не используются, действительно может добавить денег. Для получения дополнительной информации см. информационный бюллетень 10.610, Энергосбережение в доме .

Для дальнейшего снижения затрат ищите скидки и налоговые льготы. База данных государственных стимулов для возобновляемых источников энергии и эффективности содержит список федеральных и государственных скидок и стимулов.

8. С какими проблемами зонирования я могу столкнуться?

Правила зонирования сильно различаются в разных штатах, округах и муниципалитетах.Прежде чем продолжить, проконсультируйтесь с окружным отделом планирования и зонирования. Во многих городских округах ограничения по высоте могут исключить установку ветряной башни. Всегда полезно обсудить идею с соседями, так как они могут внести свой вклад в размещение.

9. Какое техническое обслуживание?

Техническое обслуживание зависит от системы, поэтому спрашивайте о требованиях, когда вы решаете, какой тип турбины купить, и когда вы просматриваете литературу от разных производителей. Ветряные турбины требуют регулярного обслуживания, которое обычно состоит из периодических проверок и регулировок; если выполнение такого рода обслуживания, иногда на вершине высокой башни, не является чем-то, что вы либо хотите делать, либо платить за это, энергия ветра вам не подходит.Представители производителей могут дать вам представление об ожидаемом графике технического обслуживания и помочь организовать техническое обслуживание. Эмпирическое правило состоит в том, чтобы выделять около 1 процента стоимости установки ветровой системы на расходы по эксплуатации и техническому обслуживанию в течение срока службы системы.

10. Как долго прослужит система?

При рассмотрении вопроса о покупке системы спросите о ее предполагаемом сроке службы. Большинство авторитетных небольших турбин должны хорошо работать в течение многих лет, при этом требуется только периодическое техническое обслуживание.Купите турбину с хорошей репутацией и хорошей гарантией — желательно не менее пяти лет. Гарантия является одним из показателей уверенности производителя в продукте. В общем, от правильно обслуживаемой турбины от известного производителя можно ожидать 20 лет.

11. Должен ли я думать о страховке?

Вы захотите застраховать свою турбину от возможного ущерба и претензий по ответственности, а в некоторых округах требуется страховка. Спросите в своей страховой компании, застрахуют ли они турбину.Как правило, наиболее экономичный способ застраховать ветровую систему — это существующий страховой полис домовладельца на ваш дом; его часто страхуют как «сопутствующее строение» (нежилое строение).

12. Как это повлияет на стоимость моего дома/ранчо/фермы?

Небольшой ветряк, как и другие капитальные вложения, должен увеличить стоимость вашего имущества. Если вы можете сказать потенциальному покупателю, что ваши счета за электроэнергию почти ничтожны, стоимость установленной турбины может стать привлекательным стимулом.

13. Каково воздействие на окружающую среду?

Небольшие ветряные турбины не загрязняют окружающую среду и не нуждаются в воде. Они также уменьшают количество загрязняющих веществ, которые выбрасывает ваша коммунальная служба, если вы полагаетесь, например, на электроэнергию от сжигания угля. По данным Американской ассоциации ветроэнергетики, за свой срок службы небольшой жилой ветряк может компенсировать примерно 1,2 тонны загрязнителей воздуха и 200 тонн парниковых газов (углекислого газа и других газов, вызывающих глобальное потепление).Хотя воздействие ветряных турбин на диких животных, особенно птиц, вызывает озабоченность у многих людей, исследования показали, что столкновения с небольшими неосвещенными турбинами птиц случаются довольно редко. Гораздо большее негативное влияние оказывают окна домов и уличные кошки. У Национального координационного совета по ветру (https://nationalwind.org/) есть список публикаций о взаимодействии дикой природы и ветра для получения дополнительной информации.

Большинство современных турбин в жилых домах довольно тихие — уровень шума такой же, как и при обычном ветре.

Небольшой ветряк, как и другие капиталовложения, должен увеличить стоимость вашей недвижимости. Если вы можете сказать потенциальному покупателю, что ваши счета за электроэнергию почти ничтожны, стоимость установленной турбины может стать привлекательным стимулом.

14. О каких других возобновляемых источниках энергии следует подумать?

Прежде чем рассматривать вопрос об использовании возобновляемых источников энергии в вашем доме, ранчо или ферме, эксперты советуют вам сделать все возможное, чтобы сократить потребление энергии за счет ее экономии и повышения эффективности.После этого добавление возобновляемых источников энергии зависит от вашего местоположения и бюджета.

Солнечные фотоэлектрические панели могут иметь больше смысла, чем небольшие ветряные турбины в большинстве городских районов. Их сочетание, возможно, с резервным дизельным генератором, часто имеет смысл для людей, которые хотят жить полностью независимо от энергетической компании.

Геотермальный тепловой насос, использующий преимущества относительно однородной температуры земли, имеет смысл для отопления и охлаждения, особенно в новом строительстве.И если у вас есть вода, стекающая вниз по вашей собственности, микро-гидрогенератор может быть хорошим вариантом для рассмотрения.

^* Ирэн Шонле, директор и агент Университета штата Колорадо, округ Гилпин; и Ребекка Кантуэлл, Colorado Solar Energy Industries. 09.10. Отредактировано 15 мая.

Перейти к началу этой страницы.

.