Ветряные турбины: чем больше, тем лучше

С начала 2000-х ветряные турбины выросли в размерах — как по высоте, так и по длине лопастей — и производят больше энергии. Что движет этим ростом? Давайте посмотрим поближе.

Средняя высота ступицы турбины, диаметр ротора и паспортная мощность для наземных ветровых проектов от Отчет о рынке наземной ветроэнергетики: издание 2022 г..

Высота концентратора

Высота ступицы ветряной турбины — это расстояние от земли до середины ротора турбины. Высота ступицы для наземных ветряных турбин коммунального масштаба увеличилась на 66% с 1998–1999 годов до примерно 94 метров (308 футов) в 2021 году. Это примерно такая же высота, как Статуя Свободы! Прогнозируется, что средняя высота ступицы морских турбин в Соединенных Штатах вырастет еще выше — со 100 метров (330 футов) в 2016 году до примерно 150 метров (500 футов), что примерно равно высоте монумента Вашингтона в 2035 году.

Иллюстрация увеличения высоты турбины и длины лопастей с течением времени.

Турбинные башни становятся выше, чтобы улавливать больше энергии, поскольку ветер обычно усиливается с увеличением высоты. Изменение скорости ветра с высотой называется сдвигом ветра. На больших высотах над землей ветер может течь более свободно, с меньшим трением о препятствия на поверхности земли, такие как деревья и другая растительность, здания и горы. Большинство башен ветряных турбин высотой более 100 метров, как правило, сосредоточены на Среднем Западе и Северо-востоке, двух регионах со сдвигом ветра выше среднего.

Расположение высокобашенных турбинных установок со стороны Отчет о рынке наземной ветроэнергетики: издание 2022 г.

Диаметр ротора

Диаметр ротора турбины, или ширина круга, охватываемого вращающимися лопастями (пунктирные круги на втором рисунке), также вырос с годами. Еще в 2010 году ни одна турбина в Соединенных Штатах не использовала роторы диаметром 115 метров (380 футов) или больше. Средний диаметр ротора в 2021 году составлял 127,5 метра (418 футов) — больше, чем футбольное поле.

Больший диаметр ротора позволяет ветряным турбинам охватывать большую площадь, улавливать больше ветра и производить больше электроэнергии. Турбина с более длинными лопастями сможет захватывать больше доступного ветра, чем более короткие лопасти, даже в районах с относительно слабым ветром. Возможность собирать больше ветра при более низких скоростях ветра может увеличить количество областей, доступных для развития ветра по всей стране. Из-за этой тенденции площадь, охватываемая ротором, выросла примерно на 600% с 1998–1999 гг.

Паспортная емкость

В дополнение к тому, что ветряные турбины стали выше и больше, с начала 2000-х годов также увеличилась максимальная номинальная мощность или мощность. Средняя мощность вновь установленных ветряных турбин в США в 2021 году составила 3,0 мегаватт (МВт), что на 9% больше, чем в 2020 году, и на 319%, чем в 1998–1999 годах.В 2021 году увеличилось количество установленных турбин мощностью 2,75–3,5 МВт, при этом также увеличилась доля турбин мощностью 3,5 МВт и выше. Турбины большей мощности означают, что для выработки такого же количества энергии на ветровой электростанции требуется меньше турбин, что в конечном итоге приводит к снижению затрат.

Проблемы с транспортировкой и установкой

Если чем больше, тем лучше, почему в настоящее время не используются еще более крупные турбины? Хотя высота турбины и диаметр ротора увеличиваются, есть несколько ограничений. Транспортировка и установка больших лопастей турбины для наземного ветра непроста, поскольку их нельзя сложить или согнуть после изготовления. Это ограничивает маршруты, по которым могут двигаться грузовики, и радиус их поворотов. Габаритные размеры турбинных башен также трудно транспортировать, так как они могут не поместиться под мостами или автомобильными эстакадами. Министерство энергетики решает эти проблемы с помощью своих исследовательских проектов. Например, Министерство энергетики разрабатывает турбины с более тонкими и гибкими лопастями, которые могут перемещаться по изгибам дорог и железнодорожных путей, чего не могут обычные лопасти. Министерство энергетики также поддерживает усилия по разработке высоких башен турбин, которые можно производить на месте, что устраняет проблемы с транспортировкой башен. Двумя компаниями, инициаторами этих усилий, являются Keystone Power Systems, которая использует спиральную сварку, чтобы свести к минимуму потребность в дорогостоящей стали, и GE Renewables, которая экспериментирует с 3D-печатью для создания настраиваемых оснований башен.

Учить больше

• Узнайте больше фактов о ветроэнергетике в наших 10 главных вещах, которые вы не знали об оффшорной ветроэнергетике и 10 главных вещах, которые вы не знали о ветроэнергетике.
• Посетите сайт energy.gov/windreport, чтобы узнать об изменениях в ветроэнергетике в 2021 году.