Физика морского ветра и формула мощности

Главная причина переноса ветряков в море кроется в законах физики атмосферы. На суше воздушные массы постоянно сталкиваются с холмами, лесами, оврагами и городскими кварталами. Из-за этого приземный слой воздуха испытывает сильное трение, скорость потока падает, а сам ветер становится порывистым и турбулентным. Поверхность моря почти идеально гладкая с точки зрения аэродинамики. Трение здесь минимально, поэтому воздушный поток движется быстро, плотно и без резких завихрений.

Для ветроэнергетики скорость воздушного потока имеет решающее значение. Мощность генератора зависит от скорости ветра в третьей степени. Если скорость потока вырастает всего на двадцать процентов, количество вырабатываемой энергии увеличивается примерно на семьдесят три процента. Небольшой выигрыш в стабильности и силе морского ветра оборачивается колоссальной прибавкой к выработке киловатт-часов.

Показатель эффективности электростанций измеряют коэффициентом использования установленной мощности. Для обычных наземных ветропарков хорошим результатом считается двадцать пять или тридцать пять процентов времени работы на полную мощность. Морские станции в акватории Северного моря показывают значения от сорока пяти до пятидесяти пяти процентов. Турбины там вырабатывают ток почти непрерывно, что сближает их по предсказуемости с традиционными тепловыми станциями.

Гигантские размеры без сухопутных ограничений

На суше габариты ветряка упираются в возможности дорожной сети. Лопасть длиной восемьдесят метров невозможно провезти по обычной трассе через перекрёстки, кольцевые развязки, мосты и туннели. Доставка сверхтяжёлых колонн и генераторов требует перекрытия шоссе и демонтажа линий электропередачи вдоль маршрута.

На море логистических препятствий такого рода нет. Огромные элементы погружают на специальные баржи прямо на верфях и доставляют по воде в любую точку шельфа. На морских ветропарках устанавливают установки мощностью по четырнадцать или пятнадцать мегаватт. Диаметр ротора современных турбин превышает двести двадцать метров, что больше размаха крыльев нескольких пассажирских лайнеров. За один единственный оборот такое гигантское колесо вырабатывает объём электричества, достаточный для суточного снабжения средней квартиры.

Как удерживают башни на морском дне

Способ крепления станции зависит от глубины моря и структуры грунта. Инженеры используют несколько проверенных конструкций.

  • Монопали представляют собой толстостенные стальные трубы диаметром до десяти метров, которые мощные гидравлические молоты забивают в песчаное или глинистое дно на глубину до сорока метров при глубине моря до тридцати метров.
  • Решётчатые металлические фермы или джекеты применяют на глубинах от тридцати до шестидесяти метров, распределяя колоссальный опрокидывающий момент турбины на четыре опорные сваи.
  • Гравитационные бетонные фундаменты удерживают ветряк на дне исключительно за счёт собственной колоссальной массы, заполняемой балластом из щебня и песка.
  • Плавучие платформы удерживаются на месте системой натянутых якорных тросов и открывают возможность осваивать океанические глубины свыше шестидесяти метров, где забить сваю в дно технически невозможно.

Собранное с турбин напряжение поступает на морскую трансформаторную подстанцию, установленную на отдельной платформе. Там переменный ток преобразуют в постоянный ток высокого напряжения и отправляют по мощному подводному кабелю на материк на расстояние в десятки или сотни километров без ощутимых потерь мощности.

Влияние на экосистему и морские пути

Размещение тысяч стальных опор в море меняет окружающую среду в двух противоположных направлениях. Во время строительства сильный акустический удар от забивания свай травмирует органы слуха китообразных, тюленей и рыб. Чтобы защитить морскую фауну от контузий, вокруг места забивки создают плотную завесу из воздушных пузырьков, которая поглощает звуковые волны в толще воды. Существует и риск столкновения перелётных птиц с вращающимися на высоте ста пятидесяти метров лопастями.

После завершения стройки подводные основания ветряков быстро покрываются колониями мидий, ракообразных и водорослей. Они превращаются в искусственные рифы, привлекающие рыбу в поисках укрытия и корма. Внутри ветропарка запрещён коммерческий рыбный промысел и особенно донное траление, вспахивающее ил и разрушающее бентос тяжелыми сетями. В результате периметр морской станции становится охраняемым природным резерватом, где популяции трески, камбалы и крабов быстро восстанавливают свою численность.

В густонаселённых регионах вроде южной части Северного моря или пролива Ла-Манш приходится искать компромисс с судоходством. Морские торговые пути крайне загружены контейнеровозами и танкерами. Ветропарки выносят за границы официальных транспортных коридоров, обозначают огнями кругового обзора, радарными маяками и радиометками системы АИС, а вокруг каждой турбины устанавливают полукилометровую зону безопасности для гражданских судов.

Частые вопросы

Что происходит с морским ветряком во время сильного шторма?

При достижении скорости ветра около двадцати пяти метров в секунду автоматика поворачивает лопасти ребром к потоку во флюгерное положение и активирует механические тормоза. Турбина полностью прекращает вращение, снижая аэродинамическую нагрузку на башню, и пережидает бурю без риска разрушения генератора.

Почему ветряки нельзя строить в любом море планеты?

Большинство современных технологий рассчитано на мелководный шельф глубиной до пятидесяти метров и стабильный ветровой режим. В глубоководных морях с резким обрывом дна или в акваториях с длительным периодом ледостава ледовые поля срезают сваи, а установка плавучих платформ многократно увеличивает стоимость проекта.

Как защищают металл станции от разрушительной морской соли?

Стальные конструкции покрывают многослойными эпоксидными полимерами и полиуретановыми красками. Дополнительно на подводной части закрепляют так называемые жертвенные аноды из цинка или алюминия, которые корродируют первыми под действием электрохимических реакций, сохраняя несущий металл опоры нетронутым.

Какой срок службы у морской ветроэлектростанции?

Стандартный расчётный ресурс морской станции составляет от двадцати до двадцати пяти лет. По истечении этого срока турбину либо демонтируют с утилизацией лопастей и опор, либо модернизируют, заменяя отработавший генератор и лопасти на более современные модели с сохранением подводного фундамента.