Энергия ветра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергия ветра

Энергия ветра, являясь производной энергии Солнца, образуется за счет неравномерного нагревания поверхности Земли. Каждый час Земля получает 100 000 000 000 000кВт·ч энергии Солнца. Около 1-2 % солнечной энергии преобразуется в энергию ветра. Этот показатель в 50-100 раз превышает количество энергии, преобразованной в биомассу всеми растениями Земли. На протяжении нескольких тысячелетий человечество использует энергию ветра. Ветер надувал паруса кораблей, заставлял работать ветряные мельницы. Кинетическая энергия ветра всегда была и остается доступной практически во всех уголках Земли. Энергия ветра привлекательна и с точки зрения экологии: при ее использовании нет выбросов в атмосферу, нет опасных радиоактивных отходов. Ветер, как первичный источник энергии, ничего не стоит. К тому же, этот источник энергии может использоваться децентрализовано. Нет необходимости в создании таких инфраструктур как, например, при производстве и передаче электроэнергии, выработанной за счет сжигания нефти или природного газа.

ИСТОРИЯ

Ветер как источник энергии известен человечеству на протяжении уже десятков тысяч лет. Еще заре цивилизации энергию ветра использовали в мореплавании. Считается, что древние египтяне ходили под парусами еще 5000 лет назад. Около 700 г. н.э. на территории нынешнего Афганистана ветряные машины с вертикальной осью вращения применялись для помола зерна. Известные всем ветряки (крылья ветряной мельницы, прикрепленные к башне) обеспечивали работу ирригационной системы острова Крит, расположенного в Средиземном море. Работающие за счет ветра мельницы для помола зерна являются одним из наиболее крупных технических достижений средних веков. В 14 веке голландцы, усовершенствовав модель ветряных мельниц, распространенных на Ближнем Востоке, начали широко применять ветряки для помола зерна. Водяной насос, работающий за счет энергии ветра, появился в 1854 году в США. Он представлял собой ту же модель ветряной мельницы с большим количеством лопастей и флюгером для определения направления ветра. К 1940 году более 6 миллионов таких ветряков использовались в США в основном для подъема воды и производства электроэнергии. Завоевание "Дикого Запада" было осуществлено, в том числе, и благодаря этим ветрякам, которые снабжали водой животноводческие фермы .Тем не менее, в середине 20 века наступил конец широкому применению энергии ветра, поскольку на замену ему пришел такой "современный" энергетический ресурс как нефть. И лишь после того, как мир пережил несколько нефтяных кризисов, интерес к ветроэнергетике возобновился. В результате резкого скачка цен на нефть в начале 70-х, энергетические аналитики вновь обратились к использованию энергии ветра. Исследования и эксперименты, проведенные при финансовой поддержке государств и различных фондов, дали новый толчок для развития технологий использования энергии ветра. Усилия были сконцентрированы на использовании ветра в первую очередь для производства электроэнергии, так как для индустриальных стран применение ветровых насосов не является столь важным.

ветер энергия генератор ротор

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Естественно, что наибольший ветровой потенциал наблюдается на морских побережьях, на возвышенностях и в горах. Тем не менее, существует еще много других территорий с потенциалом ветра, достаточным для его использования в ветроэнергетике. Как источник энергии, ветер является менее предсказуемым в отличие от, например, Солнца, однако в определенные периоды наличие ветра наблюдается на протяжении целого дня. На ветровые ресурсы влияет рельеф Земли и наличие препятствий, расположенных на высоте до 100 метров. Поэтому ветер в большей степени зависит от местных условий, чем энергия Солнца. В гористой местности, к примеру, два участка могут обладать одинаковым солнечным потенциалом, но вполне возможно, что их ветровой потенциал будет различен, в первую очередь из-за различий в рельефе и направлений ветровых потоков. В связи с этим планирование места под ветряки должно проводиться более тщательно, чем при монтаже солнечной системы. Энергия ветра также подчинена сезонным изменениям погоды: более эффективная работа ветряков зимой и менее - в летние жаркие месяцы (в случае с солнечными системами ситуация противоположная). В климатических условиях Дании фотоэлектрическая система эффективна на 18% в январе и на 100% в июле. Эффективность работы ветростанции в июле - 55%, а в январе - 100%. Оптимальным вариантом является комбинирование в одной системе малой ветрогенератора и солнечной системы. Подобные гибридные системы обеспечивают более высокую производительность электроэнергии по сравнению с отдельно установленными ветровой или фотоэлектрической установками. Важно также помнить, что количество энергии, произведенной за счет ветра, зависит от плотности воздуха, от площади, охваченной лопастями ветротурбины при вращении, а также от куба скорости ветра.

ПЛОТНОСТЬ ВОЗДУХА

Лопасти ветряка вращаются за счет движения воздушной массы. Чем больше воздушная масса, тем быстрее вращаются лопасти и тем больше электроэнергии вырабатывает ветрогенератор. Мы знаем из курса физики, что кинетическая энергия движущегося тела (например, воздуха) пропорциональна его массе, поэтому энергия ветра зависит от плотности воздуха. Плотность зависит от количества молекул в единице объема. При нормальном атмосферном давлении и при температуре 15oС плотность воздуха составляет 1,225 кг/м3. Однако с увеличением влажности плотность воздуха слегка уменьшается. Из-за того, что зимой воздух более плотный, ветрогенератор будет вырабатывать зимой больше энергии, чем летом, при одинаковой скорости ветра. На территории, расположенной высоко над уровнем моря, например, в горах, атмосферное давление меньше и, соответственно, меньше плотность воздуха.

ПЛОЩАДЬ РОТОРА

Ротор ветротурбины "захватывает" энергию ветрового потока, находящегося возле него. Понятно, что чем больше площадь ротора, тем больше электроэнергии он может выработать. Так как площадь ротора увеличивается пропорционально квадрату диаметра ротора, аетрогенератор вдвое большая по размеру сможет выработать в четыре раза больше энергии. Однако, процесс увеличения площади ротора нельзя свести к простому удлинению лопастей ветряка. С первого взгляда кажется, что это наиболее простой путь увеличения количества "захватываемой" ветряком энергии. Но, увеличивая размер площади, охватываемой лопастями при вращении, мы тем самым увеличиваем нагрузку на систему при той же скорости ветра. Для того, чтобы система выдержала все нагрузки, необходимо усилить все ее механические компоненты. Становится понятно, что подобное решение проблемы требует дополнительных финансовых затрат.

ТЕХНОЛОГИИ

Ветроэлектроустановки (ВЭУ) преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую с помощью генератора в процессе вращения ротора. Лопасти ветряков используются подобно пропеллеру самолета для вращения центральной ступицы, подсоединенной через коробку передач к электрическому генератору. По своей конструкции генератор ВЭУ напоминает генераторы, используемые в электростанциях, работающих за счет сжигания ископаемого топлива.

Огромно разнообразие машин, изобретенных или предложенных для производства энергии за счет ветра, многие из них представляют собой довольно необычные конструкции. Тем не менее, существуют два основных типа современных ветрогенераторов. Ветроэлектрогенератор с горизонтальной осью вращения, имеющие две или три лопасти, установленные на вершине башни, - наиболее распространенный тип ветроэлетроустановок ВЭУ. Расположение ведущего вала ротора - части турбины, соединяющей лопасти с генератором, - считается осью машины. У турбин с горизонтальной осью вращения ведущий вал ротора расположен горизонтально. В рабочем состоянии относительно направления воздушного потока ротор турбины может находиться перед опорой - так называемый наветренный ротор или за опорой - подветренный ротор. Чаще всего турбины с горизонтальной осью вращения имеют две или три лопасти, хотя есть и модели с большим числом лопастей. Последние ветряки представляют собой диск с большим количеством лопастей. Они получили название "монолитных" установок. Такие установки используются в первую очередь в качестве водяных насосов. В отличие от них площадь ротора турбины с малым количеством лопастей (две-три) не является сплошной. Эти турбины относят к "немонолитным" установкам. Для наиболее эффективной работы ветряка его лопасти должны максимально взаимодействовать с ветровым потоком, проходящим через площадь вращения ротора. Ветряки с большим количеством лопастей обычно работают при низких скоростях вращения. В то время как установки с двумя или тремя лопастями должны вращаться с очень высокой скоростью, чтобы максимально "охватить" ветровые потоки, проходящие через площадь ротора. Теоретически, чем больше лопастей у ротора, тем эффективней должна быть его работа. Однако, ветряки с большим количеством лопастей менее эффективны, чем ветрогенераторы с двумя или тремя лопастями, так как лопасти создают помехи друг другу. Для водяных насосов, работающих при помощи ветряков, необходимо создание высокого стартового вращающего момента.

Ветряки с большим количеством лопастей используются для подъема воды именно потому, что благодаря низкому коэффициенту окружной скорости на конце лопасти создаются высокие стартовые характеристики и установка может работать при малых скоростях ветра.У ветряков с вертикальной осью вращения (Н-образные) ведущий вал ротора расположен вертикально. Лопасти такой турбины - длинные, обычно дугообразные. Они прикреплены к верхней и нижней частям башни. В мире существует всего лишь несколько производителей таких ветряков, наиболее известный из них - компания "Flowind". Благодаря вертикальному расположению ведущего вала ротора Н-образные турбины, в отличие от турбин с горизонтальной осью вращения, "захватывают" ветер, дующий в любом направлении, и для этого им не нужно менять положение ротора при изменении направления ветровых потоков. Автором идей создания турбины с вертикальной осью вращения является французский инженер Дарриус (Darieus).Несмотря на свое внешнее различие, ветряки с вертикальной и горизонтальной осями вращения представляют собой похожие системы. Кинетическая энергия ветра, получаемая при взаимодействии воздушных потоков с лопастями ветряка, через систему трансмиссии передается на электрический генератор. Благодаря трансмиссии генератор может работать эффективно при различных скоростях ветра. Выработанная электроэнергия может использоваться напрямую, поступая в электросеть или накапливаться в аккумуляторах для более позднего использования. По способу взаимодействия с ветром ветряк делятся на установки с жестко закрепленными лопастями без регулирования и на агрегаты, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом. Обе конструкции имеют преимущества и недостатки. Ветряки, у которых лопасти сделаны с изменяющимся углом, имеют более высокую эффективность использования ветра и, соответственно, они вырабатывают больше электроэнергии. В то же время, эти ветряки должны быть оснащены специальными подшипниками, которые, исходя из имеющегося уже опыта, часто являются причиной поломок агрегатов. Турбины с жестко закрепленными лопастями более просты в обслуживании, однако их эффективность использования ветрового потока ниже.

ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ВЕТРОЄЛЕКТРОУСТАНОВОК

Современные ветрогенератор обычно состоят из следующих основных компонентов:

· Лопастей

· Ротора

· Трансмиссии

· Генератора

· Система контроля.

Лопасти. Именно этот компонент ветряка "захватывает" ветер. Современный дизайн ветряка позволяет увеличивать эффективность этого процесса. Как уже описано выше, обычно ветрогенераторы имеют две или три лопасти. Лопасти производят из стекловолокна, полистирола, эпоксидного полимера или углепластика. У некоторых из них есть деревянный каркас. Материал, из которого изготавливают лопасти, должен быть крепким и одновременно гибким, и не создавать волновые помехи, мешающие прохождению телевизионных сигналов. Длина лопастей современных ВЭУ варьируется от 25 до 50 метров, вес лопасти может превышать 1000 кг.

Тормозная система Трансмиссия Генератор

Под ротором понимают лопасти, соединенные с центральным валом. Центральный вал связан с ведущим валом привода через коробку передач - трансмиссию (в некоторых системах вал ротора напрямую соединен с приводом генератора).Трансмиссия и привод необходимы для передачи кинетической энергии через ведущий вал на генератор, который и вырабатывает электроэнергию. Все системы мощной ветроэлектроустановки контролируются и управляются с помощью компьютера, который может находиться на удалении от ветряка. Система контроля угла наклона лопастей "разворачивает" лопасти под углом, нужным для эффективной работы при любой скорости ветра. Система контроля направления оси ротора ветрогенератора разворачивает ветряк по направлению к ветру в горизонтальной плоскости. Электронная система контроля поддерживает постоянное напряжение на генераторе при изменении скорости ветра. Генератор, работающий при различных скоростях ветра, является важной составной частью эффективной работы ветрогенератора.

ВЭУ

Ветроэнергетические установки представляют собой достаточно сложное изделие. Многие из ранее разработанных образцов оказались ненадежными. Например, фотоэлектрический модуль, в отличие от ветряка, изначально является надежным изделием, так как его конструкция не содержит никаких движущихся элементов. Ветряк состоит из множества механизмов, и надежность каждого отдельного из них зависит от профессионализма его разработчиков и производителей. Размер современных ветрогенераторов имеет широкий диапазон: от малых 100 кВт-ных, предназначенных для обеспечения электроэнергией отдельных домов или коттеджей, до огромных установок мощностью более 1 МВт, диаметр лопастей которых превышает 50 м. Подавляющее большинство работающих ветрогенераторов представляет собой горизонтально-осевые конструкции с тремя лопастями диаметром 15-40 метров. Такие ветряки обладают установленной мощностью 50-600 кВт и более. Часто подобные ветрогенераторы сгруппированы на одной территории, образуя, таким образом, ветроэлектростанции (ВЭС). Электроэнергия, выработанная на ветроэлектростанциях, поступает в электросеть. Современные большие ветрогенератоы в основном вырабатывают электроэнергию с напряжением 690 В. Трансформатор, устанавливаемый рядом с ВЭУ или в ее башне, повышает напряжение до 10-30 кВ. Стоимость 1 кВт установленной мощности крупного современного ветрогенератора составляет около 800 долларов США, что гораздо ниже показателя 1981 года - 2500 долларов США за 1 кВт установленной мощности.

МЕГАВАТНЫЕ ВЕТРОГЕНЕРАТОРЫ

За короткую историю развития современных ветряков стало ясно, что коммунальные энергетические компании отдают предпочтение большим установкам. Именно поэтому конструкторами и разработчиками ветряков было предпринято много усилий для разработки таких машин, которые бы соответствовали техническим, эстетическим и экономическим требованиям клиентов. В частности, значительные усилия были предприняты в этой области в начале 1980-х. Так, Департаментом по энергетике США была принята программа MOD 1,5, в соответствии с которой установленная мощность ветрогенераторов должна была достигать 3,2 МВт. В Дании разрабатывались ветряки с установленной мощностью 630 кВт (Nibe AB) и 2 МВт (компания "Tjaereborg"); в Швеции - ветряк мощностью 3 МВт (компания "Nasudden"), в Германии -3 МВт (компания "Growian"). Большинство из них оказались неудачными, хотя уже тогда стало ясно, что потенциал разработки ветрогенераторов мощностью более 2 МВт является многообещающим. Многие из европейских исследовательских компаний в рамках существующих инициатив получили частичное или полное финансирование для разработки прототипов мегаваттных ветряков. Первая из таких опытных моделей была установлена в конце 1995 года. В большинстве случаев компании используют модели своих турбин малой мощности в качестве основы для конструирования мевагаттных агрегатов. Исключением является немецкая компания "Tacke WindTechnik". Компания представила новую крупную ВЭУ с лопастями с изменяющимся углом. Конструкция этой ВЭУ ранее не использовалась компанией в других моделях. На сегодняшнем рынке производителей больших ВЭУ лидируют 5 компаний - "Enercon", "Nordtank", "Tacke", "Vestas" и "Bonus". Выпускаемые ими агрегаты имеют установленную мощность от 1,5 МВт и более (с 2003 года уже до 5 МВт).В любом случае установка мегаваттных машин представляет собой новые возможности. На территориях, полностью "заполненых" ветряками меньших мощностей, естественно, трудно найти площадки для установки мегаваттных ветряков, учитывая и тот фактор, что они должны гармонировать с ранее установленными ветрогенераторами. В Дании проводились исследования по поиску площадок для мегаваттных агрегатов на так называемых "промышленных" территориях. Результаты исследования выявили подходящие площадки в промышленных районах и в гаванях для монтажа около 200 мегаваттных установок, что соответствует 200-300 МВт установленной мощности. Количество энергии, выработанной такими машинами, может быть существенным. Мегаваттный ветряк может ежегодно вырабатывать около 5 миллионов кВт·ч если средняя скорость ветра выше 9 м/сек. При таких же ветровых условиях ветряк с установленной мощностью 1,3 МВт может вырабатывать уже 7 миллионов кВт·ч в год.

ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ

Одним из наиболее важных характеристик ВЭУ является ее номинальная мощность. Эта величина указывает, сколько кВт·ч энергии турбин при максимальной нагрузке. Так, 500 кВт-ный ветряк произведет 500 кВт· ч энергии за час работы при скорости ветра 15 м/сек (максимально необходимая скорость ветра). Обычно 600 кВт-ная машина в год производит около 500 000 кВт· ч при средней скорости ветра 4,5 м /сек. При скорости ветра 9 м/сек она выработал бы до 2 000 000 кВт·ч в год. Количество произведенной за год энергии не может быть рассчитано путем простого умножения установленной мощности (в данном случае 600 кВт) на среднюю годовую скорость ветра. Необходимо также учитывать коэффициент использования установленной мощности (КИУМ или КПД) для определения эффективности работы турбины в течение года на определенной площадке. КИУМ или КПД - это фактическая годовая выработка электроэнергии, разделенная на теоретически максимальную выработку при условии, что машина работала в режиме максимальной нагрузки в течение всех 8760 часов года. Например, если 600 кВт-ный ветряк вырабатывает 2 млн. кВт в год, расчет ее КИУМ выглядит следующим образом: 2 000 000:(365,25·24·600) = 2 000 000: 5 259 600 = 0,38 = 38%. Теоретически значение КПД может варьироваться от 0 до 100%, но практически он располагается в пределах от 10 до 30%. В Украине, где небольшой ветер на выбранных площадках государственных ветроэлектростанций, и устанавливают устаревшие ветряки модели USW 56-100, КИУМ составляет около 7%%.Очень важным фактором, влияющим на производительность ветряка, является его месторасположение. Как описывалось в предыдущих главах, скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому большинство ветряков имеют высокие башни. Чем выше ветрогенератор относительно вершин соседних препятствий, тем меньше они заслоняют ветер. Однако, в некоторых случаях влияние препятствий может ощущаться на расстоянии от земли, в пять раз превышающем их высоту. Если препятствие выше всего лишь на половину высоты ветряка, то определить его влияние трудно из-за сложной геометрии взаимодействия с ветром. Ограничения по пределу прочности некоторых материалов, используемых в конструкции башни, ограничили высоту большинства башен (приблизительно до 30 м). На ветростанциях ветряки устанавливаются на расстоянии, равном от 5 до 15 диаметров ротора. Это необходимо для того, чтобы избежать взаимного влияния турбулентности, возникающей на лопастях соседних веряков.

СОВРЕМЕННОЕ РАЗВИТИЕ

Ветроэнергетический бум охватывает все больше и больше стран. На 31 декабря 2005 года установленная мощность мировой ветроэнергетики достигла 58 982 МВт, из которых 11 310 МВт новых мощностей были введены в эксплуатацию только в 2005 году. Для сравнения в 2004 году отрасль выросла на 8 344 МВт, а в 2003 году - на 8 100 МВт. Таким образом, рост ветроэнергетической отрасли в 2005 году составил 24%. Учитывая продолжающуюся динамику роста, Всемирная ветроэнергетическая ассоциация ожидает, что установленная мощность ветроэнергетики в мире в 2010 году достигнет 120 000 МВт. На сегодняшний день доля ветроэнергетики в мировом энергопроизводстве составляет 1%, причем в некоторых странах на долю энергии, выработанной за счет ветра, приходится 20% и более от общего объема энергопоставок. Финансы, ранее затрачиваемые на импорт ископаемых энергоносителей, сегодня "инвестируются" в новые рабочие места - уже более 235 000 человек непосредственно занято в ветроенергетической отрасли. Азия, сегодня демонстрирующая темп роста новых ветромощностей на уровне 48%, стала новым мировым "локомотивом" отрасли, стремительно увеличивающим свою скорость. Европа, теряющая свою долю в мировой ветроэнергетики с 72,8 % до 69,6%, все еще удерживает лидерство. Практически каждый второй ветряк, введенный в эксплуатацию в 2005 году, была установлена за пределами Европы, тогда как в 2004 году почти три из четырех новых агрегатов устанавливалось в Европе. Учитывая дальнейшее развитие ветроэнергетических технологий, их разнообразие, а также дополнительный импульс, полученный отраслью в 2005 году, можно с уверенностью сказать, что рост и распространение ветроэнергетики в мире будет наблюдаться и в ближайшие годы. Основываясь на данных Всемирной ветроэнергетический ассоциации, можно предположить, что установленная мощность отрасли к концу 2006 года достигнет 70 000 МВт, а в 2010 году - 120 000 МВт.

Благодаря значительным усовершенствованиям конструкции ветряков, а также накопленному опыту, размеры капитальных затрат, связанных с производством, установкой и введением в строй ветряка, снизились. В свою очередь, понижение капитальных затрат отразилось на снижении стоимости электроэнергии, полученной за счет ветра, с 14 центов США за 1 кВ·ч в 1986 г. до 5 центов США за 1 кВ·ч в 1999 году.

За последние два года мощность ветроэнергетики возрастала в среднем на 30% в год. Для сравнения, рост атомной энергетики был менее 1%, в то время как увеличения количества электроэнергии, полученной за счет сжигания угля, не было вовсе. Европа стала центром этой молодой и высокотехнологичной промышленности. 90% мирового производства средних и больших ветряков сосредоточено в Европе.

Средняя установленная мощность одного ветряка возросла на 150 кВт и достигла показателя в 900 кВт.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гидроаккумулирующие электростанции в современной электроэнергетике В.Ю. Синюгин, В.И. Магрук, В.Г. Родионов. - М.: ЭНАС, 2008. - 352 с.

2. Электрооборудование электрических станций и подстанций Л.Д. Рожкова, Л.К. Карнеева, Т.В. Чиркова. - М.:ACADEMIA, 2005.

Размещено на Allbest.ur