Ветряные электростанции (ВС) (см. рис. 1) являются одним из альтернативных вариантов получения электроэнергии.

 

В основе работы ВС лежит преобразование части кинетической энергии поступательного движения ветра в энергию вращения лопастного винта и преобразование энергии вращения в электроэнергию посредством электрогенератора. Рассмотрим эти два преобразования.
Лопастной винт (ЛВ) – это аэродинамический механизм, преобразующий энергию ветра в кинетическую энергию вращения ротора, которая при помощи системы передач может быть использована для совершения полезной работы. Из-за того, что вблизи поверхности Земли ветровой поток испытывает вязкое трение с землей, лопастной винт следует располагать на достаточной высоте.

Существует большое количество различных конструкций лопастных винтов, которые принято делить на две группы (рисунок 2): винты с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и винты с вертикальной осью вращения (карусельные).

 

Ввиду того, что в ВС в основном используютя ЛВ с горизонтальной осью вращения, рассмотрим механизм действия ЛВ с горизонтальной осью вращения (рисунок 3). Набегающий поток воздуха движется параллельно оси вращения ротора. Лопасти винта расположены под углом к оси вращения, который в аэродинамике называется углом атаки. Лопасть стоит на пути движения воздуха, когда поток сталкивается с лопаткой, он тормозится и изменяет направление движения, обтекая лопатку. При этом неизбежно около передней поверхности лопасти возникает область с повышенным давлением воздуха, а около задней поверхности возникает область с пониженным давлением. Величина разницы давлений зависит от многих параметров, например скорости движения воздуха, угла атаки, формы поверхности. В результате на лопасть действует со стороны потока сила , направленная перпендикулярно ее плоскости (в сторону области пониженного давления). Поскольку лопасть жестко закреплена и не может совершать движений ни вдоль оси ротора, ни вдоль оси крепления лопатки, то составляющие силы , направленные вдоль этих направлений уравновешиваются силами реакции (в случае прямоугольной лопатки, изображенной на рисунке, присутствует только сила реакции, направленная вдоль оси вращения, которая обозначена как ). Некомпенсированная составляющая силы равная создает крутящий момент, который заставляет ротор вращаться. Так как , где А – площадь лопасти, а - среднее давление на нее, то очевидно сила может быть увеличена за счет формы лопасти и угла атаки (увеличивает ), либо за счет увеличения площади лопастей. Очевидно, общий крутящий момент увеличивается пропорционально количеству лопастей.

 

Обозначения на рисунке 3: 1 - ось вращения, 2 – область пониженного давления, 3 - область повышенного давления, Р - сила, действующая со стороны потока на лопасть, N - сила реакции, S - результирующая сила, создающая крутящий момент.

Для наиболее эффективной работы ветряной электростанции она оснащена специальной системой поворота корпуса для ориентации плоскости винта перпендикулярно потоку ветра.

Максимально возможный КПД лопастного винта составляет 46%, у реальных механизмов он достигает 20%.
 

Ветряные ЭС используют для генерации электроэнергии за счет энергии ветра (рисунок 1).

Однако, широкому распространению ветровых электростанций препятствует большое число их недостатков по сравнению с более распространенными типами электростанций (зависимость от непостоянных скорости и направления ветра, дороговизна эксплуатации, шумность, малая мощность, и др.) При этом ведутся интенсивные поиски новых конструкций, материалов ветряных установок для улучшения их эксплуатационных характеристик.

Самый распространённый в настоящее время тип ветряных электростанций. Ветрогенераторы устанавливаются на холмах или возвышенностях.

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7—10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветряной фермы может занимать год и более.

Для строительства необходима дорога до строительной площадки, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.

Электростанция соединяется кабелем с передающей электрической сетью.

К началу 2008 года крупнейшей ветряной электростанцией США была Horse Hollow Wind Energy Center в Техасе. Она состояла из 421 ветрогенератора суммарной мощностью 735,5 МВт. Электростанция расположилась на площади 190 км².

Прибрежные ветряные электростанции строят на небольшом удалении от берега моря или океана. На побережье с суточной периодичностью дует бриз, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и водоёма. Дневной, или морской бриз, движется с водной поверхности на сушу, а ночной, или береговой — с остывшего побережья к водоёму.

Оффшорные ветряные электростанции строят в море: 10—12 километров от берега. Оффшорные ветряные электростанции обладают рядом преимуществ:

их практически не видно с берега;
они не занимают землю;
они имеют большую эффективность из-за регулярных морских ветров.
Оффшорные электростанции строят на участках моря с небольшой глубиной. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Электроэнергия передаётся на землю по подводным кабелям.

Оффшорные электростанции более дороги в строительстве, чем их наземные аналоги. Для генераторов требуются более высокие башни и более массивные фундаменты. Солёная морская вода может приводить к коррозии металлических конструкций.

Также разрабатываются и испытываются плавающие ветрогенераторы для оффшорных электростанций. Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.