Перспективы использования летающих ветрогенераторов в регионах испытывающих нехватку электрической энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛЕТАЮЩИХ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ В РЕГИОНАХ ИСПЫТЫВАЮЩИХ НЕХВАТКУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Онищенко Роман Андреевич,

Омский государственный технический университет

студент Энергетического института

г. Омск, Россия

Кузнецов Евгений Александрович,

Омский государственный технический университет

Ассистент Энергетического института г. Омск, Россия

Аннотация

В данной статье рассматривается перспектива использования и развития относительно новой отрасли возобновляемой энергии, которая использует воздушную ветроэнергетику для выработки электрической энергии. Представлены базовые идеи и понятия, лежащие в основе использования летающих ветряных электростанций. Авторами выявлены преимущества и недостатки использования такого вида технологии. Приводится сравнение между традиционными и летающими ветрогенераторами. Авторы показывают, насколько значима роль кинетической энергии ветра в современной электроэнергетике.

Ключевые слова: воздушная ветроэнергетика, воздушные турбины, воздушные энергетические змеи.

На сегодняшний день проблема электроснабжения малых удаленных населенных пунктов стоит довольно остро. Передача электроэнергии по линиям электропередач на удаленные расстояния имеет свои недостатки, которые обусловлены потерями мощности, уязвимостью к воздействию атмосферных влияний, чувствительностью к изменениям работы сети. Для обеспечения малых удаленных населенных пунктов электроэнергией целесообразным является использование автономных источников питания.

Главной задачей данного исследования является показать, насколько перспективным является использование и развитие воздушной ветроэнергетики. Будет выявлены ситуации, при которых данный вид энергии может быть использован, как аварийный или основной источник электроснабжения. Представлены современные технологии в области использования воздушной ветроэнергетики.

Наибольший интерес в области применения автономных источников питания для выработки электроэнергии представляют собой методы, основанные на использовании энергии ветрового потока. Как известно, ветер - движение воздушных масс в атмосфере, возникающее под действием различных факторов. Прежде всего, эти факторы связанны с изменением давления по высоте от поверхности земли, вращением планеты и неравномерным нагревом атмосферы. Главными характеристиками ветра являются скорость и его направление. Эти характеристики крайне изменчивы и зависят от рельефа местности, удаленности от берегов и океанов, климатических особенностей региона. Сейчас человечество научилось использовать движение воздушных масс для выработки электроэнергии, что принуждает многие страны оценить имеющийся ветроэнергетический потенциал своих территорий.

Основными технологиями преобразования энергии ветра в электроэнергию являются ветроэлектрические установки. Безусловно, эффективность использования таких источников энергии во многом зависит от направления и скорости ветра, поэтому производители современных ветряных генераторов пытаются сделать их как можно выше, где дуют более сильные и постоянные ветры. Но чем выше ветроэлектрическая установка, тем дороже обходится ее возведение и соответственно стоимость электроэнергии. Именно поэтому компании всего мира, работающие в направлении экологически чистой энергетики, занимаются созданием и развитием технологий по использованию летающих ветряных электростанций. В настоящее время основными разработками в области применения воздушной ветроэнергетики для выработки электроэнергии являются плавающие воздушные турбины (Buoyant Airborne Turbine) и воздушные энергетические змеи (Crosswind Energy Kite).

Плавающие воздушные турбины представляют собой кольцевую оболочку наполненную гелием, в центре которой располагается ветрогенератор закрепленный мощными тросами, соединяющими его с наземным модулем для управления положением воздушной станции и передачи полученной электроэнергии. Данная конструкция способна подниматься на высоту до 600 метров и вырабатывать около 30 КВт мощности обеспечивая электроэнергией около двенадцати среднестатистических домов. Также конструкция ветрогенератора способна нести в себе метеорологические и коммуникационные оборудования, которые необходимы для поддержания устойчивой мобильной связи. Из-за своей мобильности такую станцию можно развернуть на местности менее чем за двадцать четыре часа, а также транспортировать в любые регионы, туда, где она необходима.

Использование воздушных энергетических змеев в настоящее время является еще более перспективным в области воздушной ветроэнергетики. Конструктивно они схожи с аэропланами и оснащены роторами с ветротурбинами для выработки электроэнергии. Вся электростанция состоит из змея, троса по которому передается электричество и наземной станции. Сам аппарат собран из облегченного материала - углеродного волокна, поэтому поднять его на большую высоту не требует большой затраты энергии. После того как роторы помогают поднять змея вверх, они переходят в режим ветряных турбин, вырабатывая электрическую энергию.

кинетический ветряной электростанция технология

Рисунок 1. Плавающая воздушная турбина

Наземная станция предназначена не только для принятия выработанной электроэнергии, но и для управления полетом воздушного змея по траектории, которая привела бы к генерации наибольшего количества электричества. Современные змеи представляют собой крыло с ветровыми турбинами длинной до 30 метров. Они способны летать на высоте от 250 до 600 метров и выдавать мощность до 600 КВт. Соответственно от длины крыльев змея зависит количество воздушных турбин, которые могут быть установлены и следовательно объемы и мощность выработанной энергии.

Рисунок 2. Воздушный энергетический змей в полете

Для наглядности изменения скорости ветра с высотой обратимся к глобальной карте движения ветров во всем мире изображенной на рис. 3. По карте становится ясно, чем выше мы расположим наш летающий ветрогенератор, тем больше ветра он будет захватывать своими лопастями.

Рисунок 3. Глобальная карта движения ветров во всем мире на разных высотах

Как мы видим, преимуществами воздушной ветроэнергетики по сравнению с традиционной является рабочая высота, которая позволяет использовать более сильные и постоянные по направлению ветры, что позволяет устанавливать электростанции даже в тех местах, которые ранее считались бесперспективными. Вследствие постоянства ветра остается постоянной и вырабатываемая мощность таких электростанций, что приводит к падению нагрузок на резервные генерирующие мощности и повышению коэффициента использования установленной мощности (КИУМ). Из-за низкой материалоемкости и повышения КИУМ стоимость киловатта выработанной энергии существенно сократится. Так как генераторы работают на большой высоте и имеют малый размах лопастей, при эксплуатации таких ветряных станций будет производиться меньше шума. Отсутствует загрязнение окружающей среды и потребление для выработки электричества сырьевых ресурсов. Недостатком же является малая вырабатываемая мощность электроэнергии.

Летающие ветрогенераторы из-за своей мобильности отлично пригодятся для электроснабжения небольших населенных пунктов, военных баз, мест добычи ископаемых ресурсов, районов, в которых подача электроэнергии невозможна вследствие произошедших техногенных катастроф или стихийных бедствий, а также в высокогорье.

Воздушная ветроэнергетика - относительно молодая отрасль возобновляемой энергии, поэтому она имеет сейчас много нерешенных проблем. При дальнейшем развитии продолжительности полета, улучшение аэродинамических свойств, устойчивой работы при неблагоприятных погодных условиях, увеличении вырабатываемой мощности электроэнергии и решении конструктивных проблем появится возможность использовать данные станции не только для снабжения чистой электроэнергией малые удаленные населенные пункты, но также обеспечивать энергией крупные города и промышленные предприятия.

Список литературы

1. Diehl M. Airborne wind energy: Basic concepts and physical foundations //Airborne wind energy. - 2013. - С. 3-22.

2. Archer C. L., Delle Monache L., Rife D. L. Airborne wind energy: Optimal locations and variability //Renewable Energy. - 2014. - Т. 64. - С. 180-186.

3. Ahrens U., Diehl M., Schmehl R. (ed.). Airborne wind energy. - 2013.

4. Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передаче и распределении //Журнал №. - 2005. - Т. 1. - С. 31.

5. Лосюк Ю. А., Кузьмич В. В. Нетрадиционные источники энергии. - 2005.

6. Vermillion C., Glass B., Rein A. Lighter-than-air wind energy systems //Airborne Wind Energy. - 2013. - С. 501-514.

7. Vermillion C., Glass B., Szalai B. Development and full-scale experimental validation of a rapid prototyping environment for plant and control design of airborne wind energy systems //ASME 2014 dynamic systems and control conference. - American Society of Mechanical Engineers, 2014.

8. Fagiano L., Milanese M., Piga D. Optimization of airborne wind energy generators //International Journal of robust and nonlinear control. - 2012. - Т. 22. - №. 18. - С. 2055-2083.

Размещено на Allbest.ru