Vėjo energija už centus

Naujausia vėjo turbina, stovinti Rocky Flats mieste Kolorado valstijoje, JAV Energetikos departamento vėjo energijos technologijų bandymų poligone, atrodo panašiai kaip bet kuris kitas vėjo energijai gaudyti skirtas aparatas: ant plieninio bokšto, iš kurio išdygsta dvi sraigto mentės, yra sumontuota dėžutės formos turbina. kartu 40 metrų – beveik pusė futbolo aikštės ilgio. Pro šalį pučia vėjas, sukasi mentės ir teka elektra. Tačiau yra esminis skirtumas. Šis prototipas turi lanksčius, šarnyrinius peilius; pučiant stipriam vėjui, sukdamiesi jie šiek tiek atsilenkia. Atsitiktiniam stebėtojui šis lenkimas vos pastebimas, tačiau tai radikalus nukrypimas nuo esamų vėjo turbinų veikimo ir tiesiog gali pakeisti vėjo energijos likimą.

Iš tiesų, Rocky Flats prototipo sėkmė ateina lemiamu vėjo energijos raidos momentu. Vėjo varomi generatoriai vis dar yra nišinė technologija, gaminanti mažiau nei vieną procentą JAV elektros energijos. Tačiau praėjusiais metais Jungtinėse Valstijose buvo sumontuota 1 700 megavatų vertės naujos vėjo galios – tiek, kad ji aprūpintų 500 000 namų, ir tai beveik padvigubino šalies vėjo energijos pajėgumus. Ir dar daugiau. Nuo 1980 m. gamintojai keturis kartus sumažino didelių apkrovų vėjo turbinų kainą, o šios milžiniškos mašinos dabar yra pakankamai patikimos ir efektyvios, kad jas būtų galima statyti atviroje jūroje. Prie Danijos krantų statomas 80 turbinų ir 245 mln. USD vertės vėjo jėgainių parkas bus didžiausias pasaulyje, o kūrėjai taip pat pradeda kolonizuoti Vokietijos, Olandijos ir Didžiosios Britanijos vandenis. Šiaurės Amerikoje spekuliantai numato didžiulius vėjo jėgainių parkus jūroje netoli Britų Kolumbijos ir Nantucket, MA.

Ši istorija buvo mūsų 2002 m. liepos mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Tačiau virš šio, atrodytų, saulėto scenarijaus vis dar sklando juodas debesis. Vėjo turbinų statyba tebėra brangi – dažnai pernelyg brangu. Vidutiniškai vėjo turbinų parko statyba kainuoja apie 1 mln. USD už megavatą, palyginti su maždaug 600 000 USD už megavatą įprastinei dujomis kūrenamai jėgainei; Energetikos įmonių ekonominiuose skaičiavimuose faktas, kad vėjas yra nemokamas, šios spragos nepanaikina. Trumpai tariant, vėjo energijos statybos kaina turi sumažėti, jei ji kada nors bus daugiau nei nišinė technologija.

Štai čia ir atsiranda „Rocky Flats“ prototipas. Dėl jo menčių lankstumo turbina bus 40 procentų lengvesnė nei šiuolaikiniai pramonės standartai, bet taip pat gali išgyventi niokojančias audras. Ir tas lengvesnis svoris gali reikšti mašinas, kurios yra 20–25 procentais pigesnės nei šiandieninės didelės turbinos.

Ankstesnės pastangos kuriant lengvesnius dizainus buvo visuotinės nesėkmės – išjungtos arba sunaikintos per kelias savaites paties vėjo. Atsižvelgdami į šias nesėkmes, vėjo ekspertai suprantamai atsargiai žiūri į naujausią lengvo dizaino kadrą. Tačiau dauguma sutinka, kad lengvos vėjo turbinos, jei jos veiks, pakeis ekonominę lygtį. Kyla klausimas: kaip sukurti pakankamai greitai perdavimo pajėgumus, kad neatsiliktų nuo augimo“, – sako Ward Marshall, vėjo energijos kūrėjas iš Kolumbo, OH įsikūrusios „American Electric Power“, kuris yra „American Wind“ direktorių valdybos narys. Energetikos asociacija, prekybos grupė. Turėtumėte daug žmonių, norinčių užsiregistruoti.

Ir, pasak ekspertų, „Rocky Flats“ prototipas, sukurtas Wind Turbine of Bellevue, WA, yra geriausia per daugelį metų viltis dėl lengvo dizaino, kuris pagaliau pasiseks. Galiu gana vienareikšmiškai pasakyti, kad tai yra dramatiškas žingsnis lengvųjų [vėjo turbinų] technologijų srityje, sako Bobas Thresheris, Rocky Flats nacionalinio vėjo technologijų centro direktorius. Niekas kitas nesukūrė lanksčios mašinos ir privertė ją veikti.

Stabilus, kaip ji pučia

Vėjo turbinos yra tarsi milžiniški ventiliatoriai, veikiantys atbuline eiga. Vietoj varikliu varomų menčių, kurios stumia orą, jie naudoja aerodinamines plokštes, kurios sugauna vėją ir suka generatorių, kuris siurbia elektrą. Daugelis šiandieninių turbinų yra mamutinės mašinos su trijų ašmenų rotoriais, kurių ilgis yra 80–20 metrų ilgesnis nei Boeing 747 sparnų plotis. Ir čia slypi technologijų iššūkis. Norint, kad komercinės vėjo turbinos galėtų ekonomiškai konkuruoti, reikia milžiniško dydžio, nes energijos gamyba didėja eksponentiškai didėjant menčių ilgiui. Tačiau šios didžiulės konstrukcijos turi būti pakankamai tvirtos, kad atlaikytų audras ir ekstremalias neramumus.

Aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose JAV vėjo energijos pionieriai dėjo pirmąsias rimtas pastangas kovoti su šiomis jėgomis naudodami lengvas, lanksčias mašinas. Keli startuoliai įrengė tūkstančius tokių vėjo jėgainių; dauguma buvo tiesiogine prasme suplėšyti arba neįgalūs gūsių. Lengvus eksperimentus nukeldami iki kraštutinumo, „General Electric“ ir „Boeing“ sukūrė daug didesnius prototipus-behemotus su 80, 90 ir net 100 metrų ilgio peiliais. Jie taip pat buvo linkę suskaidyti; kai kuriais atvejais jų ašmenys pasilenkdavo atgal ir iš tikrųjų atsitrenkdavo į bokštus.

Apskritai, JAV bendrovės ir Energetikos departamentas šiems nesėkmingiems eksperimentams devintajame dešimtmetyje ir dešimtojo dešimtmečio pradžioje išleido šimtus milijonų dolerių. Amerikietiškas modelis visada buvo linkęs į šviesą, sudėtingumą ir dalykus, kurie neveikė, sako Jamesas Manwellas, mechanikos inžinierius, vadovaujantis Masačusetso universiteto atsinaujinančios energijos tyrimų laboratorijai Amherste, MA.

Į šias technologijas atsidūrė mokslininkai iš Danijos Riso nacionalinės laboratorijos ir Danijos kompanijų, tokių kaip „Vestas Wind Systems“. Per pastaruosius du dešimtmečius jie ištobulino sunkiasvorę vėjo turbinos versiją, kuri tapo vėjo energijos pramonės Microsoft Windows. Šiandien šis daniškas dizainas sudaro beveik visą pasaulyje vėjo pagamintą elektros energiją. Galbūt atspindintys nacionalinius polinkius, šios tvirtos daniškos konstrukcijos turėjo mažai ankstesnių JAV vėjo turbinų aerodinaminio blyksnio; jie buvo tiesiog sutvirtinti prieš vėją sunkesniu, storesniu plienu ir kompozitinėmis medžiagomis. Jie buvo kieti, tvirti – ir dirbo.

Be to, pastaraisiais metais galios elektronika – skaitmeniniai silicio jungikliai, masažuojantys elektros srautą iš mašinos – dar labiau patobulino pagrindinį dizainą. Anksčiau turbinos rotorius buvo laikomas pastoviu sukimosi greičiu, kad jo kintamoji srovė būtų sinchronizuota su elektros tinklu; nauji įrenginiai palaiko sinchronizaciją, leidžiant rotoriui laisvai įsibėgėti ir sulėtėti su vėju. Jei sulauksite gūsio, rotorius gali įsibėgėti, o ne tiesiog sėdėti ir priimti žiaurią vėjo jėgą, sako Manwellas.

Įvaldę tokias padermes, Danijos dizainas tapo vis didesnis ir didesnis. Kadangi devintojo dešimtmečio pradžioje įprastos komercinės mašinos ašmenų ilgis buvo 12,5 metro ir ji galėjo pagaminti 50 kilovatų – tiek užtektų maždaug tuzinui namų, – šiandien didžiausios peiliai tęsiasi 80 metrų ir išvysto du megavatus; viena mašina gali aprūpinti daugiau nei 500 namų.

Naujausias iššūkis, su kuriuo susiduria Danijos dizainas, yra rasti būdų, kaip atlaikyti koroziją sukeliančią ir pavojingą jūros aplinką, kur gali praeiti mėnesiai, kol mechanikas gali saugiai įlipti ir sutaisyti turbiną. Pavyzdžiui, „Vestas“ savo turbinas aprūpina jutikliais ant kiekvieno jų komponento, kad aptiktų nusidėvėjimą, ir atsargines sistemas, kurios perimtų, pavyzdžiui, galios elektronikos gedimo atveju.

Šią vasarą Vestas metodas išbandomas, nes Danijos energijos tiekėjas pradeda montuoti 80 Vestas mašinų sekliame vandenyje 14–20 kilometrų nuo Danijos pakrantės. Tai bus didžiausias pasaulyje vėjo jėgainių parkas jūroje, aprūpinantis net 150 000 Danijos namų ūkių.

Vėjo šešėliai

Dėl šių patobulinimų didelės, sunkios turbinos taps patikimesnės, tačiau jos neprisideda prie esminių vėjo energijos ekonomikos pokyčių. Tokios šalys kaip Danija ir Vokietija yra pasirengusios mokėti už vėjo energiją iš dalies dėl to, kad iškastinis kuras yra daug brangesnis Europoje, kur didesni mokesčiai padengia aplinkos ir sveikatos išlaidas, susijusias su jo deginimu. (Apie 20 procentų Danijos energijos gaunama iš vėjo.) Tačiau norint, kad vėjo energija būtų tikrai konkurencinga su iškastiniu kuru JAV, technologija turi keistis.

„Wind Turbine“ „Rocky Flats“ dizainas skiriasi ne tik atlenkiamomis mentėmis, bet ir pavėjui. Daniškas dizainas nukreiptas į ašmenis prieš vėją, todėl peiliai yra sunkūs, kad jie nesilenktų ir neatsitrenktų į bokštą. Vėjo turbinos konstrukcija negali būti nukreipta į vėją – atverčiamos mentės atsitrenktų į bokštą, todėl rotorius yra pavėjui. Galiausiai, norint dar labiau sumažinti svorį, naudojami du, o ne trys tradicinės konstrukcijos peiliukai.

Tokių pavojingų jėgų kaip vibracija kompiuterinio modeliavimo pažanga padėjo sukurti dizainą. Lankstūs peiliai suteikia papildomos mašinos judėjimo dimensijos; taip pat ir tai, kad visa mašina gali laisvai suktis su vėju. (Tradicinės konstrukcijos nukreipiamos prieš vėją, tada užfiksuojamos vietoje.) Numatyti, aptikti ir užkirsti kelią katastrofoms panašiems greitai besikeičiantiems vėjams, kurie pasuka rotorių prieš vėją ir nukreipia jo lanksčias mentes į bokštą – tai valdymo iššūkiai net ir turint geriausią dizainą. Jei to nesuprantate, mašina tiesiogine prasme gali mirtinai susimušti, sako Kenas Deeringas, „Wind Turbine“ inžinerijos viceprezidentas.

Prieš dvejus metus, kai Rocky Flats buvo pastatytas vėjo turbinos prototipas, buvo nerimaujama, kad ir ši mašina pati save mirtinai sumuš. Thresheris sako, kad kai kurie jo darbuotojai baiminosi, kad mašina, kaip ir jos 1980-ųjų pirmtakai, ilgai nepabėgs iš laužo. Šiandien, nepaisant nedidelių nesėkmių, šios abejonės blėsta.

Padrąsinta ankstyvos sėkmės, „Wind Turbine“ netoli Lankasterio, Kalifornijoje, įdiegė antrąjį prototipą su didesniu, 48 metrų ilgio menčių tarpu. Iki šių metų pabaigos bendrovė tikisi padidinti šios mašinos ašmenų ilgį iki 60 metrų viso komercinio dydžio. Be to, šis naujasis prototipas turi plonesnį bokštą, kuriuo siekiama sumažinti triukšmingą dunksėjimą, vadinamą vėjo šešėliu, kuris gali atsirasti kiekvieną kartą, kai ašmenys sminga per audringą orą už bokšto. Ir dėl savo lengvesnio svorio turbina gali būti montuojama ant aukštesnių bokštų, pasiekiančių greitesnį vėją.

nurimo

Kad ir kokia būtų technologijų pažanga, vėjo energijos pramonė vis dar susiduria su didelėmis kliūtimis, pradedant nuo neaiškios politinės paramos Jungtinėse Valstijose. Europoje vėjo energiją jau gana lengva parduoti. Tačiau Jungtinėse Valstijose vėjo jėgainių kūrėjai pasikliauja federalinėmis mokesčių kreditais, kad gautų pelną. Šie gyvybiškai svarbūs kreditai susiduria su nuolatiniu galingų naftos ir anglių lobistų pasipriešinimu ir dažnai nustoja galioti. Vėjo energijos pramonė stengėsi prijungti savo turbinas prieš pasibaigiant šių kreditų galiojimui praėjusių metų pabaigoje, o tada tris mėnesius, kurių prireikė JAV Kongresui jas atnaujinti, neveikė. Kongresas pratęsė kreditus iki kitų metų pabaigos, pradėdamas tai, kas greičiausiai bus dar vienas plėtros pradžios ir sustabdymo ciklas.

Antroji kliūtis plačiam pritaikymui yra pats vėjas. Jis gali būti nemokamas ir plačiai prieinamas, bet taip pat varginantis nenuoseklus. Tiesiog paklauskite bet kurio jūreivio. Ir šis nepastovumas virsta pertrūkiais energijos gamyba. Kuo daugiau turbinų bus pastatyta, tuo jų pertrūkiai apsunkins didelių energijos srautų per regioninius ir nacionalinius elektros tinklus planavimą ir valdymą. Iš tiesų, Vakarų Teksase pastaruoju metu kilęs vėjo turbinų statybos bumas įtempia regiono perdavimo linijas, o taip pat gamina energiją, nesusijusią su vietos poreikiais: vėjas pučia vėsiomis naktimis, o karštomis dienomis, kai žmonėms labiausiai reikia elektros energijos, sustoja.

Teksaso komunalinės paslaugos sprendžia problemą plečiant perdavimo linijas. Tačiau norint iš tikrųjų užfiksuoti vėjo energijos vertę dideliu mastu, reikia naujų metodų, kaip saugoti vėjo energiją, kai ji pagaminama, ir išleisti ją, kai reikia. Elektros energijos tyrimų institutas, komunalinių paslaugų finansuojamas mokslinių tyrimų ir plėtros konsorciumas Palo Alto mieste, Kalifornijoje, atlieka tyrimus, kaip geriau prognozuoti vienos dienos vėją. Dar svarbiau, kad jis ieško būdų, kaip kaupti energiją pučiant vėjui. Turime galvoti apie elektros sistemos eksploatavimą, o ne tik sutelkti dėmesį į vėjo turbinas, sako Chuckas McGowinas, instituto vėjo energijos technologijų vadovas. Sandėliavimo patalpos leistų efektyviau panaudoti tai, ką turime, pagerinti jo vertę.

JAV šiaurės vakaruose viena saugyklos parinktis, kurią kuria Portlandas, OR įsikūrusi Bonneville Power Administration, subalansuoja vėjo energiją ir hidroelektrinę. Idėja paprasta: kai pučia vėjas, neleiskite vandeniui praeiti pro hidroelektrines; ramiomis dienomis atverkite vartus. Tenesio slėnio valdžia netgi eksperimentuoja su energijos kaupimu milžiniškuose kuro elementuose; Misisipėje statoma bandomoji gamykla.

Vėjo energija susiduria su daugybe kliūčių, tačiau yra daugiau priežasčių nei bet kada manyti, kad šios kliūtys bus įveiktos. Nerimas dėl iškastinio kuro deginimo poveikio aplinkai ir politinis susirūpinimas dėl per didelės priklausomybės nuo naftos skatina vėjo turbinų statybos bumą. Tačiau būtent pačios technologijos pažanga, sukurta nuolatinių didelių mokslinių tyrimų pastangų, galėtų suteikti svarbiausią postūmį plačiau naudoti vėjo energiją.

„Rocky Flats“ keturios eilės mokslinių tyrimų turbinų – iš viso keliolika mašinų nuo 400 vatų baterijų įkroviklių iki 600 kilovatų į tinklą paruoštų mašinų – dalijasi rieduliais apaugusioje 115 hektarų lygumoje. Kai fone yra Uoliniai kalnai, jų ašmenys plaka prieš vėją, pučiantį iš El Dorado kanjono į vakarus. Bent jau jie tai daro didžiąją laiko dalį. Turime daug ramių dienų, ypač vasarą, o bandymų aikštelėje gerai turėti mišinį, sako Thresher.

Ramios dienos gali būti naudingos vėjo turbinų tyrimams, tačiau jos vis dar yra viena iš didžiausių vėjo turbinų komercializavimo problemų. Nors jokios technologijos negali priversti vėjo pūsti, atrodo, kad pigesnės, patikimos technologijos yra pasirengusios perimti jo nepastovumą. Ir tai gali reikšti, kad vėjo turbina greitai išdygs ant vėjuotos kalvos šalia jūsų.

paslėpti