Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розвиток вітроенергетики

Енергія вітру використовувалася людиною з прадавніх часів. Спочатку в мореплаванні аж до появи парової машини, що замінила вітрила на судах. Але і вітроенергетика має багатовікову історію. Перші прості вітродвигуни застосовували в глибокій старовині в Єгипті і Китаї. У Єгипті близько м. Александрія досі збереглися залишки кам'яних вітряних млинів, барабанного типу з вертикальною віссю обертання, побудовані ще в 2-1 ст. до н.е. У 7 столітті н.е. в Персії (Ірані), Греції були побудовані досконаліші конструкції - крильчасті з горизонтальною віссю обертання. Дещо пізніше, мабуть у 8-9 ст. вітряні млини з'явилися в Західній Європі і на Русі. Починаючи з 13 століття вітродвигуни отримали широке поширення в Голландії, Данії, Англії і Росії для підйому води, подрібнення зерна і в якості приводу різних верстатів і механізмів.

У 1582 р. в Голландії була побудована перша маслоробня, що використовує енергію вітру. В середині XIX ст. в Голландії використовувалося для різних цілей близько 9 тис. вітродвигунів. В період промислової революції з введенням парових двигунів використання енергії вітру в Голландії пішло на спад. На початку XX ст. тут працювало тільки близько 2,5 тис. вітродвигунів, а до 1960 р. менше 1 тис. з них все ще знаходилися в робочому стані. У кінці XIX століття з'явилася ідея використати енергію вітру для генерування постійного електричного струму. На рис. показана вітроустановка Браша потужністю 12 кВт, що генерувала постійний струм для зарядки акумуляторних батарей. Система в цілому працювала автоматично впродовж 20 років і вимагала мінімального догляду.

Грецький млин

Установка Браша (1888-1908, Клівленд, Огайо)

Установка Браша стала важливим етапом в історії розвитку вітроенергетики. По-перше, вона була досить великою. По друге, в ній була використана двоступінчата підвищуюча ремінна трансмісія, з передатним числом 50:1, при цьому генератор обертався із швидкістю 500 об/хв. 1, нарешті, це була перша спроба з'єднати добре розвинену систему вітряного млина з новою електричною технологією. В той же час установка показала, що багатолопатеві вітротурбіни занадто повільні і малоефективні для електрогенерування.

Наступний важливий крок переходу від вітряних млинів до вітроенергетичних установок зробив Пол Лакур у Данії на початку минулого століття. Він був першим, хто створив аеродинамічну трубу і застосував аеродинамічний профіль у своїх вітроустаковках. Тоді ж була запропонована швидкісна трилопатева вітротурбіна, що має лопаті з аеродинамічним профілем. Вона обертала генератор потужністю 3 кВт при напрузі 110 В. Цікаво відмітити, що саме на етапі розвитку маленьких вітроустановок виникла проблема оптимальної кількості лопатей для вітротурбіни. Дволопатеві вітротурбіни витримували значні вібрації при зміні напряму вітру, тоді як трилопатеві не мали цього недоліку.

У 1925 році був створений новий вид ротора - ротор Савоніуса, названий на честь його творця. Перевагами такого типу роторів є високий стартовий момент і здатність сприймати вітер з будь-якого боку, а недоліками - низька швидкохідність і коефіцієнт використання енергії вітру, а також значна маса конструкції. Іншим новим типом вітротурбіни, що з'явилася в 30-х роках минулого століття, була вертикальна вітротурбіна, запропонована Ф. Дар'є. Цей тип вітротурбіни практично не використовувався до початку 1970-х років, коли в Канаді, а потім і в інших країнах почалися дослідження великих вітроагрегатів з таким ротором.

Основою теорії вітродвигунів є розробки і результати досліджень, виконаних в Центральному аерогідродинамічному інституті (ЦАП) і в інших організаціях в період з 1920 по 1950 рік Н.Є. Жуковським, К.П. Ветчінкіним, А.Г. Уфімпевим, С.М. Белоцерківським, К.К. Федяевським, Г.С. Сабініним, Г.Ф. Проскурой, О.І. Борисенко, Д.Я. Алексалольським, Ю.В. Кондратюком, К.П. Вашкевичем і іншими ученими, які розробили і здійснили на практиці декілька ефективних схем вітроустановок, що дозволяють плавно змінювати швидкість обертання вітроколеса і потужність генератора. Ці розробки, розвиток цих ідей і втілення їх в проекти сучасних ВЕС з доповненням сучасними матеріалами і новітніми знаннями по аеродинаміці турбін, динаміці і міцності конструкцій - основа сучасної вітроенергетики.

Вітровикористання у СРСР розглядалося як важлива державна проблема. Вже в 1924 р. під керівництвом М.В. Красовського у відділі вітродвигунів ЦАП був розроблений швидкохідний двигун потужністю до 50 к.с. з новою системою регулювання частоти обертання колеса, запропонованою Г.Х. Сабініним. Вона одержала назву стабілізаторної. З метою розширення робіт зі створення вітродвигунів і використання енергії вітру в 1930 р. на базі відділу вітродвигунів ЦАГІ був організований Центральний вітроенергетичний інститут (ЦВЕІ), єдина у світі в той час науководослідна організація такого профілю.

При конструюванні ВЕУ найбільш складним і відповідальним моментом є забезпечення керування оборотами вітроколеса, тому що умови паралельної роботи на мережу вимагають сталості частоти обертання генератора незалежно від швидкості вітру. Для цього використовується поворот лопаті навколо нерухомої осі. Зі зміною положення лопаті у відношенні до напрямку вітру змінюються й аеродинамічні сиди, які діють на неї, що і покладено в основу регулювання. Поворот лопатей здійснюється або аеродинамічно за допомогою кер - ма-стабілізатора, з'єднаного з відцентровим регулятором, розміщеним у крилі, що запропоновано, як сказано вище, професором Г.Х. Сабініним, або механічним шляхом - сервомоторами.

Промисловий випуск електродвигунів для механічного приводу машин був налагоджений на початку XX в, а електричних вітроагрегатів з генераторами невеликої потужності - приблизно в 20-роках. У 1937 році поблизу Ялти була побудована вдосконалена ВЕС потужністю 100 кВт, що знаходилась від неї на відстані 32 км. Річне вироблення енергії складало близько 280 тис. кВт*год. при коефіцієнті використання енергії вітру 0,32. Генератор і регулюючі пристрої були встановлені на вершині вежі заввишки 30 м. Частота обертання вітроколеса регулювалась шляхом повороту лопатей. Вежа мала похилу опору, встановлену на візку, який переміщався по кільцевій, що направляє для орієнтації вітроколеса на вітер.

У 40-50 роках XX століття в СРСР отримало інтенсивний розвиток будівництво ВЕС. У цей період було налагоджено серійне виробництво спеціалізованих і універсальних вітродвигунів потужністю від 0,7 до 11 кВт, головним чином з механічними і електричними трансмісіями. У післявоєнний період було випущено більше 40 тис. вітродвигунів, які з великою ефективністю застосовувалися в колгоспах і радгоспах.

Друге дихання вітроенергетика отримала після нафтової кризи 1972-1973 років, коли багато розвинених країн стурбувалися своєю залежністю від імпорту нафти з арабських країн.

Розглядаючи історію розвитку світової вітроенергетики, слід зазначити значний внесок українських учених у її розвиток. Саме в Україні народжувалися принципово нові технічні рішення, що стали стандартом для сучасних ВЕУ і за якими до теперішнього часу зберігається український пріоритет. Одним з видатних українських учених в області аерогідродинаміки і теорії авіації був Г.Ф. Проскура, якому належить пріоритет в розвитку теорії пропелерних вітротурбін.

У 1933 році під керівництвом Г.Ф. Проскури спроектована вітросилова станція потужністю 4500 кВт (діаметр колеса 80 м, висота вежі 150 м). Конфігурація цієї ВЕУ відповідала європейській концепції того періоду. Експериментальний вітроагрегат потужністю 100 кВт був розроблений і встановлений у Балаклаві в 1931 р. Він виробляв електроенергію для трамвайної лінії Балаклава - Севастополь і був зруйнований під час війни. Це перша мережева установка потужністю 100 кВт, діаметром 30 м (рис. 1.3). Вона працювала на електричну мережу напругою 6,3 кВ разом з тепловою електростанцією потужністю 20 МВт, що знаходиться від неї на відстані 32 км (у Севастополі). За своїми розмірами (діаметр вітроколеса 30 м, потужність 100 кВт при швидкості вітру 10 м/с, висота вежі 25 м, частота обертання вітроколеса 30 об/хв) ця станція не мала собі рівних ні в СРСР, ні за кордоном (у 1942 р. під час війни станцію зруйнували). Кабіна гондоли (довжина 13,7, ширина 2,5, висота 3,8 м), де розмішувалися генератор, електроапаратура, редуктор з еластичними муфтами, була виконана подібною фюзеляжу літака. Вітроколесо мало три лопаті, що вільно поверталися на свои махах під дією стабілізаторів системи регулювання Г.Х. Сабініна і М.В. Красовського. Лопаті мали обтічний профіль, аналогічний профілю крила літака, і довжину 11 м при ширині 2 м у основи і 1 м на кінці. Махи були зроблені зі сталевих труб діаметром 350 мм.

Загальний вигляд БалаклавськоГ ВЕС потужністю 100 кВт

Площина обертання вітроколеса мапа нахил 12° до вертикалі, що було викликано необхідністю зменшити виліт вітроколеса щодо вежі. Голівка установки спиралася через кульову п'яту на сферу, закріплену нагорі вежі. На цій опорі верхня частина ВЕУ поверталася навколо вертикальної осі при установленні вітроколеса на вітер. Ферма гондоли з'єднувалася шарнірно з похилою хвостовою фермою, на нижньому кінці якої також шарнірно був приєднаний візок з мотором і лебідкою. Хвостова ферма служила для установки вітроколеса на вітер при змінах його напрямку. Візок спирався на рейку, покладену навколо вежі по колу радіусом 20,5 м. Візок рухався по рейці електродвигуном потужністю 1,5 кВт через черв'ячну передачу. Включення його в роботу відбувалося автоматично при зміні напрямку вітру. Для цього нагорі кабіни був установлений флюгер розміром 400Ч700 мм. При зміні напрямку вітру флюгер включав одну з котушок електромагнітного перемикача, що знаходився в колі електродвигуна хвостового візка. Двигун переміщав візок по рейці доти, поки вітроколесо не ставало знову проти вітру і флюгер не розмикав контакіу. Підйом на вежу здійснювався по хвостовій фермі, на якій для цього були покладені сходи.

Генератор - асинхронний, трифазного струму потужністю 92 кВт при частоті обертання 600 об/хв, що допускав тривале перевантаження на 10%, який вмикався автоматично відцентровим механізмом.

Експлуатаційні випробування ВЕС провадилися на двох режимах: при 19 і 30 обертах вітроколеса за хвилину. При цьому виявилося, що режим роботи ВЕС на 30 об/хв значно вигідніший.

Постійне зростання світового енергоспоживання є однією з найбільш характерних особливостей діяльності сучасного людства. Зростання населення і ВВП є ключовими чинниками зростання попиту на енергію. На рис. 1.4 приведена динаміка зростання населення землі і процентного середньорічного приросту за столітній період. До 2050 року чисельність населення земної кулі складе 9,1 млрд., чоловік (поріг в 7 млрд. чол. був досягнутий 23.01.2011 р.). Проте, починаючи з 1990 р. спостерігається стійка негативна динаміка середньорічного приросту населення, що за підсумками 2010 р. склала близько 1,18%. Як же впливає приріст населення землі на загальне споживання первинної енергії?

вітроенергетика споживання установка

Динаміка зростання і приросту населення Землі з 1950 до 2050 pp.

Згідно з прогнозом [34] світове споживання первинної енергії буде зростати приблизно на 1,6% в рік в період з 2011 по 2030 р., що дасть загальний приріст споживання на 36%. Темпи зростання знизяться з 2,5% в рік в 2000-2010 pp. до 2,1% в рік в 2010-2020 pp. і 1,3% в рік в 2020 - 30 pp. Порівнюючи динаміку зростання народонаселення і споживання енергії видно, що енергоспоживання буде збільшуватися, тобто жителям землі буде необхідно все більше і більше енергії для задоволення своїх життєвих потреб.

Основними джерелами первинної енергії нині є природні (копалини) джерела, такі як вугілля, нафта і природний газ. їх доля в загальному об'ємі споживаної первинної енергії є визначальної і у різних країнах коливається в межах 75-85%. Частина енергії, якої бракує, виробляється атомними електростанціями і відновлюваними джерелами енергії, включаючи гідроелектростанції.

Активне споживання природного палива украй негативно відбивається на екологічному балансі Землі. Саме з цим багато учених зв'язують причину зміни клімату і підвищення концентрації парникових газів в атмосфері. Після японської трагедії на атомній електростанції «Фокусіма» для багатьох країн світу постало питання про доцільність їх подальшого використання, а Німеччина взагалі прийняла рішення про поступове закриття атомних електростанцій, що діяли в країні, і припинення будівництва і введення в експлуатацію нових. В зв'язку з цим різко зросла роль екологічно чистих і безпечних альтернативних джерел енергії, у тому числі і вітроенергетики.

Людство давно намагалося використати енергію вітру для своїх потреб. Так, вже в 200-му році до н. е. у Персії з'явилися перші вітряні млини, які використовувалися для помелу зерна. Млини такого типу були поширені у ісламському світі і в XIII столітті принесені в Європу хрестоносцями. У XVI столітті у багатьох містах Європи починають будувати водонасосні станції з використанням гідродвигуна і вітряного млина. Наприклад, в середньовічній Голландії численні вітряні млини використовувалися не лише для помелу зерна, але і відкачували воду із земель, захищених греблями. Відвойовані біля моря землі використовувалися в сільському господарстві. У посушливих областях Європи вітряні млини застосовувалися для зрошування полів.

Перші проекти вітроагрегатів, здатних виробляти електроенергію, з'явилися в 20-і роки XX століття. Перший екземпляр вітродвигуна з роторами (циліндрами) на чотирьох крилах, діаметром 20 м, був встановлений в 1926 р. у Берліні на вежі заввишки 15 м [16].

Попри те, що людство вже давно навчилося застосовувати енергію вітру для своїх потреб, початок його використання для промислової генерації енергії можна віднести до 1990 р. Таке відродження стало можливим завдяки розвитку технологій в області нових матеріалів і силової електроніки. Різкий поштовх в розвитку вітроенергетики, наприклад в Німеччині, дав прийнятий там в 1991 р. закон, за яким власники електричних мереж зобов'язані були приймати в мережу вироблювану вітроенергетичними установками (ВЕУ) енергію і оплачувати її за тарифом, встановленим цим законом. Завдяки державній підтримці різко збільшились інвестиції у вітроенергетику, що привело до планомірного і стабільного зростання результатів протягом двох десятиліть і провідній ролі Німеччини в технологічному і апаратному розвитку вітроенергетики у світі [45].

На сьогодні вітроенергетика міцно зайняла своє місце як альтернативний, екологічно чистий спосіб отримання електроенергії і продовжує нестримно розвиватися. Цьому сприяють останні досягнення в області розробки нових видів генераторів електричної енергії, (наприклад синхронні генератори зі збудженням від постійних магнітів, генератори з поперечним магнітним потоком), досягнення в області силової електроніки, нових матеріалів і використання сучасних методів комп'ютерного моделювання завдань електродинаміки і аеродинаміки.

Постійно збільшується одинична потужність ВЕУ. Восени 2007 року фірмою Enercon (Німеччина) була введена в експлуатацію ВЕУ типу Е126 з діаметром вітротурбіни 127 метрів, що розвиває електричну потужність 6,0 МВт. Після невеликого доопрацювання в 2009 році потужність цієї ВЕУ збільшена до 7,58 МВт. На сьогодні Е126 є найпотужнішою діючою вітроустановкою у світі. Вона побудована за безредукторним принципом на базі кільцевого синхронного генератора. Монтажна висота установки складає 198,5 метрів [33]. Датська компанія Vestas планує випустити в 2013 р. дослідний зразок вітрогенератора V164 - 8.0 MW одиничної потужності 8 МВт. У 2014 р. ця мегатурбіна буде встановлена в датському випробувальному центрі Oesterild [43].

Окрім збільшення одиничної потужності ВЕУ йде інтенсивне будівництво вітрових парків і вітрових офшорних зон (у прибережних зонах морів), а також об'єднуються їх енергетичні системи. Наприклад, в жовтні 2010 р. змонтований і в червні 2011 р. запущений в експлуатацію вітровий парк у бельгійському місті Естінн, що складається з 11 ВЕУ типу Е126 з проектною продуктивністю з вироблення електроенергії в 187 ГВт*год. у рік.

Размещено на Allbest.ru