Учебники Онлайн


622 Ветроэнергетика

Ветроэнергетика является способом получения электрической энергии с помощью ветра. Средства получения энергии ветра - ветротурбины (ветрогенераторы, ветровые установки), которые объединяют в так называемые витроелектрос станции (ВЭС). Ветроэнергетика - отрасль возобновляемой энергетики, специализирующаяся на использовании кинетической энергии ветра это один из способов использования энергии окружающей среды, который был в идомий с давних временисів.

Источник ветроэнергетики -. Солнце, поскольку именно его активность вызывает образование ветра Атмосфера. Земли впитывает солнечную радиацию неравномерно из-за неоднородности ее поверхности и различный угол падения сви итла в разных широтах в разные времена года. Воздух расширяется и поднимается вверх, образуя потоки. Там, где воздух нагревается больше, эти потоки поднимаются выше и сосредоточиваются в зонах низкого давления, а холодный воздух остается ниже, создавая зоны высокого давления. Разница атмосферного давления заставляет воздух перемещаться от зоны высокого давления к зоне низкого давления с пропорциональной швидкис ю. Это движение воздуха мы и называем ветроітром.

Чтобы лучше использовать ветряную энергию, важно досконально понимать суточные и сезонные изменения ветра, изменение скорости ветра в зависимости от высоты над поверхностью земли, количество порывов ветра за короткие от вдребезги времени, а также иметь статистические данные хотя бы за последние 20 лет от общего количества энергии. Солнца лишь 1-2% превращается в энергию ветра. Это количество раз превышает годовую мировую эн ргетичну потребность. Современная технология позволяет использовать только горизонтальные ветры, которые размещены близко к поверхности. Земли и имеют скорость от 12 до 65 км / гогод.

Основное отличие такой электростанции от традиционных (тепловых, атомных) заключается в полном отсутствии сырья и отходов. Единственное основное требование - высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность совр частных промышленных ветрогенераторов достигает 6. МВВт.

Человечество использует энергию ветра уже более 5000 лет. Одним из первых изобретений, который применял использования энергии ветра, было парус. Еще в 3500 г до н.э мореплаватели использовали силу ветра ру, чтобы идти под парусами. Парусные лодки ходили. Нилом в. Древнем. Египте есть парус было первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра. Обычные ветровые мельницы были уже в. Китае 2200 роки в том. На. Среднем. Востоке, в. Персии около 200 г до н э начали применять ветряные мельницы с вертикальной осью для перемалывания зерна, их изготавливали из вязанок тростника, прикрепленных к деревянно й рамки, вращающейся когда дул ветер. Стена, окружавшая ветряк, направляла поток ветра против лопастей простые ветровые мельницы имели довольно низкий. КПД, несмотря на то, что лопасти изготовлялись из достаточно легкого дерева или материи. Причиной неэффективности было то, что сила ветра, которая толкала одну половину ветроколеса, одновременно тормозила другую частейла іншу частину.

В I века до н.э древнегреческий ученый. Герон. Александрийский изобрел ветряк, руководивший органом. Первые ветряные мельницы для переработки зерна были построены на грани современного. Ирана и. Афганистана, они имели в вертикальную ось, от шести до двенадцати крыльев из полотна или тростника и использовались как мельницы и насосы для воды. Феномен ветра в древности также применяли для естественной вентиляции и охлаждения воздуха в сухих и жарких странах. Средней. Ази. Азії.

В. Европе ветряки появились позже, в. УШ-IX вв. Наиболее широко ветровые установки использовались в. Голландии, где люди, начиная с X-XI вв, боролись с морем за каждый клочок земли, пригодной для сел льського хозяйства. Голландцы откачивали воду из отвоеванных у моря территорий именно благодаря работе сотен ветряков. Первоначально возводили земляные дамбы, которые отделяли мелководных участках моря, а поте м сооружали мельницы с водоотливными колесами. Так, в 1608-1612 гг было осушено место, которое находилось на три метра ниже уровня моря, с помощью 26 ветродвигателей мощностью 37 кВт каждый. В 1582 г в. Голландии была построена первая маслобойный, которая использовала энергию ветра, а через 4 года - первая бумажная фабрика, которая обеспечивала повышенные требования к бумаге, обусловленные изобретением друкарсь кой машинки конце XVI в появились лесопильные заводы для производства лесоматериалов, которые импортировались из прибалтийских государств. В середине XIX века в. Голландии для различных нужд использовалось около изько 9 тыс ветродвигателей. Голландцы значительно усовершенствовали конструкцию ветряных мельниц и, в частности, ветроколесаа, вітроколеса.

активно в промышленным. Европе ветряные мельницы применяли в XVIII в. С их помощью мололи зерно, качали воду, пилили дерево. Впоследствии большинство ветряных мельниц, способных конкурировать с дешевым и надежным ископаемым топливом, заменили паровые двигатели. В дореволюционной. России, например, насчитывалось около 30 тыс. ветряков. Эта установка была также атрибутом почти каждого второго села в Украине, п роте паровая машина, а затем двигатель внутреннего сгорания вытеснили йли їх.

Реконструкция голландцами ветряков и ветроколеса была направлена ??прежде всего на то, чтобы увеличить их. КПД и срок действия, в результате большие ветровые мельницы заводского изготовления при больших скоростях в ветра могли развивать мощность до 66 кВт. В период промышленной революции в результате применения паровых двигателей использования энергии ветра в. Голландии существенно уменьшилось, поэтому в начале XX ст здесь п рацювало только около 2,5 тыс. ветродвигателей, а к 1960 г в рабочем состоянии осталось менее тысячи из ни них.

Первая ветровая электростанция промышленного типа была построена в. США в г. Кливленд (штат. Огайо) в 1888 г. Ч брашем. Это многолопастное конструкция с диаметром лопастей 17 м, которая должна лопатку для спрямовува. Ання ветроколеса перпендикулярно направлению ветра и способна была производить 12 кВт электроэнергии. Эта станция успешно проработала почти 20 лет, доказав, с одной стороны, перспективность этого направления энергетики, а с другой - стала для конструкторов рабочей моделью при производстве более совершенных. Установитьновок.

В середине XIX века в. США было построено более 6 млн малых ветродвигателей с единичной мощностью до 0,75 кВт, которые производили электроэнергию, поднимали воду и выполняли другие работы. Для подъема воды преимущественно использовались ветродвигатели с суцильнометаличнимы ветроколесо диаметром 3,7-4,9 м, которые вращались на горизонтальном валу и оснащены механизмом для ориентации на направление ветра. Т аки ветроколеса развивали мощность около 120. Вт при скорости ветра 67 м / с и могли поднять 160 л / мин воды на высоту до 7 7 м.

В. Советском. Союзе первая ветровая электростанция мощностью 8 кВт была сооружена в 1929-1930 гг под. Курском. Через год в. Крыму было построено большую. ВЭС мощностью 100 кВт, в то время была самых пре льшое в мире. Она успешно работала до 1942 г, но во время войны была разрушена. Однако быстрее ветроэнергетика развивалась в. США - еще в 1941 г там построили первую. ВЭС мощностью 1250 кВ50 кВт.

последние годы ветер все шире используется для получения электроэнергии. Создаются ветряки большой мощности и устанавливаются на местности с частыми и сильными ветрами. Количество и качество и аких двигателей растет ежегодно, налажено серийное производство. Например, в. Нидерландах наблюдается так называемый мельничный бум. Правительство предложило большие субсидии всем, кто откроет ветряк. Даже па рламент страны бережно охраняет"характерный национальный пейзаж"и выступает против чрезмерного шума, на этот раз не возражал против использования экологически чистой ветровой энергии. Сейчас на территории ее. Нидерландов, лишены запасов угля, нефти и газа, действуют около тысячи ветрогенераторов тока удовлетворяет потребности всей страны в электроэнергии примерно на 10риблизно на 10 %.

Ветер является стихией мощной и практически вездесущей. Однако она имеет и недостатки, что помешало ей распространиться как основной источник обеспечения. Энергетический потенциал ветра пропорционален кубу его скорости, а то еритории со значительной средней скоростью ветра, т.е. 5 м / с и выше, что обеспечивает экономичность работы ветроустановок, часто удалены от мест потребления энергии. Наибольшую энергию имеют ураганного ветра и, однако эта энергия не может быть утилизирована, к тому же ураганы являются главными разрушителями витроустанововок.

Конечно, возможности использования этого вида энергии в различных регионах. Земли неодинаковы. Для нормальной работы ветровых двигателей скорость ветра не должна падать в среднем за год ниже 4-5 м / с а лучше, когда она составляет 6-8 м / с. Однако для этих установок вредными являются и слишком большие скорости ветра (ураганы), которые могут их разрушить. Наиболее благоприятными регионами для использования ветровой энергии является побережье морей и океанов, степи, тундра, горные районы эффективное ветровая установка используется в местах, где отсутствует централизованное энергоснабжение, нет таких препятствий, как выс. Офни дома, холмы и достаточный ветровой потенцииіал.

По оценкам ученых. США, площадь, где средняя скорость ветра на высоте 8-10 м превышает 5,1 м / с, охватывает 25% поверхности. Земли. Но не везде ее можно использовать, и, если учесть экономические, технические, эко ологични и другие ограничения, то к 2020 г. можно было бы построить. ВЭС общей мощностью в 450 млн кВт, которые могли бы ежегодно производить 900 млрд кВт / ч электроэнергии. Это составило бы 3,5% всей электро энергии, по прогнозам, будет произведена. Одним из факторов, ограничивает масштабы использования энергии ветра, является невозможность строить единичные агрегаты большой мощности через недостаточную прочность ло. Атей. Приходится строить комплексы, состоящие из многих ветроустановок, объединенных в систему. Другой проблемой является прерывистый график работы таких. ВЭС, требует аккумулирования энергии для удобства и пользованиеування.

Технический прогресс (новые материалы, электрогенераторы, системы передачи крутящего момента, аэродинамика лопастей) позволили за последние два десятилетия на 80% снизить себестоимость электроэнергии, оде. Ержан с. ВЭС. Большие. ВЭС мощностью 50. МВт и более, ромищени на местах, где средняя скорость ветра достигает 9 м / с, способны производить электроэнергию по цене 3 или даже меньше 1 цента за 1 кВт / ч водородные очас себестоимость электроэнергии малых. ВЭС (мощностью до 3. МВт), расположенных в районах со скоростью ветра 7 м / с, может составлять до 8 центов за 1 кВт / ч. Заметим, что в. США себестоимость электроэнергии на. АЭС меньше, чем 2 цента за 1 кВт / ч есть экономичность. ВЭС гораздо больше зависит от местоположения и проекта, чем в случае. АЭС и. ТЭС. Также в условиях экономического проигрыша. ВЭС в конкуренции. АЭС и. ТЭС доля. ВЭС зависеть от политической и экономической помощи государствржави.

Суммарная оценка мощности устойчивых ветров в нижних слоях атмосферы составляет около 5000. ГВт. Например,. Китай, богатый ветроэнергии, мог бы удвоить производство электроэнергии только за счет ветра в. Министерство энергетики. США в реестре ветровых ресурсов указывает, что три штата -. Северная. Дакота,. Южная. Дакота и. Техас - имеют достаточно пригодной для использования ветроэнергии, чтобы обеспечить всю национальную потребность в электроэнергииії.

Ветроэнергетика сегодня перестала быть фантастикой и растет самыми быстрыми темпами среди всех других альтернативных источников энергии. Ветер является необычным энергоносителем, неисчерпаемым, но при этом имеет множество ч сложных и слабопередбачуваних физических параметров для каждого отдельно взятого географического региона есть кроме среднегодовой и максимальной скорости, следует учитывать такие показатели внутренней структуры воздушного потока, как"роза ветров", порывистость, плотность воздуха, турбулентность, температура и разновекторные течения по высотамії по висоті.

состоянию на конец 2007 г общая мощность установленных ветряных турбин в мире составляла 94,1. ГВт, а полученная энергия - всего 1% от общего объема потребления электроэнергии в мире. Однако в дея каких странах показатели несколько выше: в. Дании примерно 19% производимой электроэнергии получено от энергии ветра, в. Испании и. Португалии - 9%, в. Германии и. Ирландии - 6% в глобальном измерении водоворот обництво электроэнергии на основе энергии ветра выросло впятеро за период от 2000 до 2007 г. Сейчас ветроэнергетические установки работают примерно в 96 странах мира. Среди развивающихся стран, лидером является. Индия с ее 900. МВт установленной мощностиності.

Рассмотрим, какие позиции завоевала ветровая энергетика в разных странах. США еще в 1995 г, имея в. Калифорнии три крупнейших в мире. ВЭС, владели 40% всей мировой мощности ветроагрегатов. За последующие 5 лет мощности в. США выросли в 1,5 раза, однако доля в мировой электроэнергетике уменьшилась до 15%. Энергетическая политика. США была рассчитана на строительство мощных. ВЭС преимущественно на наиболее пр идатних территориях, например, в. Калифорнии (1600. МВт из общих 1770. МВт). Там эксплуатируются самые мощные в мире. ВЭС время. Министерством энергетики. США осуществляется программа, направленная не тел ькы на повышение технического уровня. ВЭС за лучшими аэродинамическими и стоимостными характеристиками, но и расширение географии размещения. ВЕня. ВЕС.

На сегодня с помощью ветра в. США производится лишь 1% от всей электроэнергии. По прогнозам, к 2020 г этот показатель вырастет до 15%. Лидером является наиболее"нефтяной"и самый либеральный в энергетики ичному вопросе штат. Техас. Именно здесь нефтяной магнат. ТВ. Пикенс собирается построить крупнейшую в мире. ВЭС мощностью 1. ГВт и стоимостью 2 млрд долл."используя современные турбини найсучасніші турбіни.

В 2001 г на первое место в мире по суммарной мощностью. ВЭС с 6113. МВт вышла. Германия. Лидером ее ветроэнергетики последние годы является фирма Enercon, которая в 2000 г произвела 27,4% всего объема продукции ее ветроэнергетики страны. Всего в. Германии к производству коммерческих ветроустановок привлечено 20 фирм, а ветроэнергетикой занимаются 10 институтов и организаций. Современные ветроустановки ведущих ни германских производителей имеют значительную мощность - от 3000 кВт до 4,5. МВ5. МВт.

течение последнего десятилетия в мировой энергетике неоспоримое первенство по темпам развития неизменно удерживает именно ветроэнергетика. Темпы прироста суммарной мощности. ВЭС в течение последних лет когда иваються в пределах 20-30% ежегодно. Лидерами в этом деле. США и. Германия. Дания планирует покрыть собственные потребности в электроэнергии за счет ветроэнергетики на 50%. На современных. ВЭС. Дании стоимость 1. КВт эн ргии сопоставимы со стоимостью произведенного на. ТЭС, работающих на углеіллі.

Из всех устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве используются лопастные машины с горизонтальным валом, установленным по направлению ветра, гораздо реже - п устройства с вертикальным валом турбины с горизонтальной осью и высоким коэффициентом быстроходности имеют наибольшее значение коэффициента использования энергии ветра (0,46-0,48). Ветротурбины с вертикаль им расположением оси менее эффективны (0,45), но не требуют настройки на направление ветра. Сегодня предложено множество вариантов механизмов для получения электрической энергии из ветратру.

Основным элементом в таких установках является ветроколесо. По принципу работы и строением ветроколеса ветровые двигатели разделяют на три класса:

- крыльчатые (пропеллерные) - имеют ветроколесо с лопастями, расположенными перпендикулярно к валу;

- карусельные, или роторные;

- барабанные

В карусельных и барабанных ветродвигателей вал ветроколеса устанавливается вертикально. Оно вращается под действием ветра на лопасти, расположенной с одной стороны оси колеса, тогда как другие лопасти прикрываются ширмой или возвращаются с помощью специального устройства ребром к ветру. Оба класса громоздкие и менее эффективны по сравнению с крыльчатый, поэтому вся современная ветроэнергетика базируется в основном н а крыльчатых типах ветродвигателей. Пропеллерные ветродвигатели совершенные, требуют мало материалов, обеспечивают достаточно высокий коэффициент использования энергии ветра. Расположиться один рядом с одним во ни имеют не ближе, чем за три"высоты"друг от друга, чтобы не перехватывать одни и те же потоки ветраі потоки вітру.

Ветрогенератор (ветровая турбина) - это устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Также ветрогенераторы можно условно разделить на две категории: промышленные и домашние (для приватног го использования). Промышленные устанавливаются государственными органами или крупными энергетическими компаниями. Как правило, их объединяют в сеть образуя в результате подлинные электростанцийції.

Строение ветрогенератора (ветровой турбины) приведена на рис 66, кроме того он может содержать систему пожаротушения, телекоммуникационную систему для передачи данных о своей работе, а также систему защиты е ид молниики.

Будова вітрогенератора: 1 - фундамент; 2 - силова шафа, що включає силові контактори і ланцюги керування; 3 - вежа; 4 - сходи; 5 - поворотний механізм; 6 - гондола; 7 - електричний генератор; 8 - система спостереження за напрямком і швидкістю вітру (анемометр); 9 - гальмова система; 10 - трансмісія; 11 - лопаті; 12 - система зміни куту атаки; 13 - ковпак ротора

Рис 66. Строение ветрогенератора 1 - фундамент, 2 - силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления, 3 - башня 4 - лестница, 5 - поворотный механизм, 6 - гондола, 7 - электрический генератор, 8 - сист тема наблюдение за направлением и скоростью ветра (анемометр), 9 - тормозная система, 10 - трансмиссия, 11 - лопасти, 12 - система изменения угла атаки, 13 - колпак ротор

Система с ветроэнергетических установок и е ветровой электростанцией. Мали ветряки могут полностью обеспечивать электроэнергией один или несколько домов, небольшие промышленные объекты. Такие установки кажется атни работать при средней скорости ветра 4 м / с, и цены на них постоянно снижаются. Индустрия домашних ветряков активно развивается. Как правило, для небольшого коттеджа достаточно ветряка. Ном й мощностью 1 кВт, при скорости ветра 9 м / с. Если местность не ветреная, то его можно дополнить солнечными батареями - эти источники энергии могут дополнять друг другадного.

время система ветроэнергетических установок имеет и недостатки, поскольку ветрогенераторы:

- создают высокий уровень шума;

- требуют отвода значительных земельных площадей: ветроагрегаты близко друг к другу размещать нельзя, потому что они будут препятствовать друг другу в работе - минимальный промежуток между ветряками долж должен быть не меньше их тройную высоту

- требуют значительных затрат материалов;

- могут мешать приему сигналов телепередач на расстоянии до 1,6 км, поскольку частота вращения лопастей синхронная с частотой передачи телесигналов (использование лопастей из стекловолокна позволит уменьшить это расстояние примерно вдвое)

- распугивают птиц и зверей нарушая их естественный образ жизни;

- могут быть причиной смерти птиц, которые часто попадают в. Лопота ветрогенератора;

- бытует мнение, что ветроустановки являются источниками достаточно интенсивного инфразвукового шума: ветродвигатели генерируют неслышимые для уха колебания с частотами ниже 16. Гц не удивительно, что во многих странах, у в том числе в. Ирландии,. Великобритании, местные жители выступают против размещения. ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий

- наносит ущерб окружающей среде изготовления аккумуляторных батарей ветрогенератора;

- установление большего количества линий передач электроэнергии от многочисленных ветрогенераторов тоже вредит окружающей среде;

- подача электроэнергии вследствие не прогнозируемо неравномерной работы ветрогенератора неравномерная, примером может служить ситуация в. Нидерландах, где доля. ВЭС в начале 1990-х годов составляла 0,11% всех установленных мощностей, тогда как доля производимой электроэнергии - всего 0,02.

Для выравнивания подачи тока применяют аккумуляторы, но это дорого и малоэффективно. Было выдвинута идея размещении систем ветряков в открытом море. Так, в. Швеции разработан проект, согласно как кого предполагается в. Балтийском море установить систему из 300 ветряков высотой 90 метров, на которых разместят дволопатеви пропеллеры с размахом лопастей 80 м. Стоимость строительства только первых 100 так их гигантов составляет более 1 млрд долл., а вся система, строительство которой продлится более 20 лет, обеспечит только 2% потребляемой. Швецией электроэнергии. Уже начато строительство в. Швеции еще одной. В. ЕС мощностью 200 кВт в море на расстоянии 250 м от берега, которая будет передавать энергию на землю через подводный кабель. Аналогичные проекты были и в. СССР: предлагали устанавливать ветряки в акватории. Ф. Инск залива, на. Арабатской. Стрелке в. Крыму. Помимо сложности и затратности таких проектов, они могут повредить судоходству и рыболовству. Шведские рыбаки требуют пересмотра предложенного прое го пункта, поскольку подводный кабель, как и сама станция, плохо влиять на рыбу, в частности, на угрей, мигрирующих в те местах місцях.

Сегодня же для производства ветровых турбин используют разработки космических ведомств, что повышает их эффективность и надежность. Если в 2002 г среднее время простоя ветровых турбин по техническим причи ини составлял 15%, то сейчас - около 3%. Турбины последнего поколения имеют не только большие (что позволяет максимально использовать силу даже слабого ветра), но и гибкие (что дает возможность позб авлятися излишков энергии) лопасти. Кроме того, современные турбины расставляются уже не бессистемно, а с учетом рекомендаций квалифицированных метеорологов (причем разница в один-два километра может вия виться очень существенным). А еще рекомендации тех же метеорологов дают возможность связывать соседние ветровые турбины в наиболее эффективные цепи, позволяющие турбинам не останавливаться даже при полном отсутствии ветравітру.

Итак,. ВЭС сами по себе не могут быть надежной основой энергетики. Они либо дополняют основные мощности, делая определенный вклад в производство необходимой электроэнергии, или же является источником электричества в е иддалених или изолированных местах, где сложно или невозможно обеспечить поставки электроэнергии иным образом, например, на льдинах в зимовщиков или в других местах, где есть проблемы с поставкой энергии а потребности в ней небольшие. Но с точки зрения экологии и здравого смысла использовать их для развития большой энергетики совершенно нереально ни сейчас, ни в ближайшем будущем. Конечно, с такими выводами ом можно не соглашатьсяися.