Использование ветряной энергии

План

История использования ветряной энергии

Мельница со станиной

Генерация электроэнергии из энергии ветра

Ветровые установки

Ветровые электростанции и их типы

Типы ветродвигателей

Промышленное использование ветрогенератора

Частное использование ветровой электростанции

Преимущества и недостатки ветровых электростанций

Использование ветрогенераторов в Украине

Ветростанции Украины

Список литературы

История использования ветряной энергии

Уже в 200-м году до н.э. персы использовали ветряные мельницы для размола зерна в Персии. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в 13-м веке крестоносцами принесены в Европу.

"Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле" (К. Маркс. "Машины: применение природных сил и науки").

Мельница со станиной

Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную, поэтому её производительность была ограниченной. Усовершенствованные мельницы получили название шатровые.

В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо - 1526 г., Глочестер - 1542 г., Лондон - 1582 г., Париж - 1608 г., и др. В Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.

В 19-м веке в Дании были изобретены ветряные мельницы, производящие электричество. Там в 1890-м году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели четырёхлопастные роторы диаметром 23 м и высоту башни 24 м. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью была построена в 1931 году в Ялте и имела мощность 100 кВт. Высота башни ветроэлектростанции была 30 м.

К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт. В период с 1940-х по 1970-е годы, в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги, ветроэнергетика переживает период упадка. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в штате Калифорния (США) начали предоставляться налоговые льготы для экологически чистой энергии.

Генерация электроэнергии из энергии ветра

Движущая сила ветра относится к маломощным источникам энергии. Например, по сравнению с потоком воды поток воздуха того же сечения и той же скорости имеет почти в 800 раз меньшую энергию. Величина ветровой энергии очень непостоянна даже на протяжении суток, не говоря уже о продолжительных промежутках времени; и в течение малых промежутков времени ветер дует порывами, которые следуют один за другим через несколько десятков секунд.

Это непостоянство величины и малая мощность снижают энергетическую эффективность ветра. Задача техники - построить такие приемники энергии ветра, которые могли бы ее максимально использовать, имели достаточную прочность и были бы просты в эксплуатации. Распределение энергетических ресурсов ветра можно проанализировать по климатической карте Украины.

ветровой генератор электростанция энергия

Энергия ветрового потока зависит от скорости ветра и плотности воздуха; последняя определяется физическим состоянием и составом воздуха - температурой, давлением, содержанием в нем влаги. Как показывают теоретические исследования ветродвигатели не могут использовать более 50 % этой энергии, а практически используют 30-40 % в зависимости от качества конструкции, легкости крыльев и др. Остаток энергии расходуется на завихрение потока за крыльями, трение и другие затраты. И все же ветровую энергию или энергию движущейся воды следует признать природной. Там, где ее используют с определенными сроками работы, она представляет собой очень полезный источник энергии и находит широкое применение. Использование ветродвигателей для различных работ в колхозах и совхозах в последние годы увеличилось. В хозяйственных планах причиной недостаточного внедрения ветродвигателей до сих пор было отсутствие простых и дешевых конструкций. Теперь этому: вопросу уделяется достаточно внимания. Разрабатываются соответствующие конструкции ветродвигателей. Для каждого ветродвигателя существуют группы рабочих скоростей ветра:

·а) - слабый ветер;

·б) - рабочие скорости ветра, при достижении верхнего предела которых двигатель может выйти из строя;

·в) - слишком сильный ветер при котором двигатель отключают во избежание поломок.

Составив карты распределения эффективных скоростей ветра можно определить, в каких районах наиболее целесообразно устанавливать ветродвигатели того или иного типа. Например, на основании расчетов можно оценить какую долю суммарной мощности теряет ветродвигатель за границей интервала рабочих скоростей (а) и какую за счет наличия верхней границы (в). Если повторяемость скоростей больше (в), то следует рекомендовать устанавливать в данном пункте более легкий ветродвигатель. Наоборот если потеря мощности двигателя происходит из за большой повторяемости скоростей ветра предела (в) то рационально в таком пункте использовать более тяжелый ветродвигатель. Мощность ветродвигателя пропорциональна кубу скорости ветра.

Ветряные электростанции строят в местах с высокой средней скоростью ветра <#"center">Ветровые установки

Ветроэнергетика - отрасль энергетики <#"center">Ветровые электростанции и их типы

Ветряные электростанции (Wind farm) в переводе с английского означают ветряные фермы, так в Европе их даже чаще называют. Ветряные электростанции представляют собой совокупность нескольких ветрогенераторов, которые собраны в одном или нескольких местах.

Крупные ветровые электростанции могут состоять из сотен ветрогенераторов. Ветрогенератор - это ветроэлектрическая установка, сокращёно обозначается как ВЭУ, подразумевает под собой устройство, основная задача которого заключается в преобразовании кинетической энергии в электрическую.

Ветрогенератор <#"justify">·их практически не видно с берега;

·они не занимают землю;

·они имеют большую эффективность из-за регулярных морских ветров.

Шельфовые электростанции строят на участках моря с небольшой глубиной. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Электроэнергия <#"center">Типы ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей.

Они делятся на две группы:

ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые);

ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные и ортогональные.

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Крыльчатые

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных. В то же время, у карусельных - намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется.

Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор [лат. multiplicator. умножающий] повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних.

Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.

В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете.

Самолет, прежде чем "опереться" на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14.16 м/с.

Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров.

У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми - взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

Рис. 1

Ветрогенераторы подразделяются на две основные категории: домашние и промышленные. Домашние ветрогенераторы предназначены для частного использования, промышленные - для выработки энергии в промышленной отрасли, ветрогенераторы второго типа устанавливаются крупными энергетическими корпорациями или государством.

Основное отличие ветряных электростанций от традиционных, то есть от атомных и тепловых, заключается в полном отсутствии необходимости использовать какой-либо вид сырья для выработки электроэнергии ветровой станцией. К тому же ветровые электростанции в результате своей работы не оставляют никаких отходов. Единственное требование, без соблюдения которого ветровая электростанция не сможет функционировать - это наличие высокого среднегодового уровня ветра. Современные ветрогенераторы достигают до 6 МВт по показателю мощности.

Промышленное использование ветрогенератора

Ветрогенератор <#"center">Частное использование ветровой электростанции

Как следует из названия, сюда относят ветрогенераторы меньшей мощности, обеспечивающие энергетические потребности небольшого числа частных лиц. Хотя мощности большой частной ветровой электростанции может хватить даже на "питание" целого поселка, мы оставим большие мощности в качестве будущих целей и займемся нашими народными ветряками. Их размеры, мощность и цена должны удовлетворять среднего потребителя электроэнергии или 1 - 2 дома. И здесь вновь стоит сказать, что предпочитаемый тип ветрогенератора напрямую зависит от условий местности.

Преимущества и недостатки ветровых электростанций

Плюсы:

·Экологическая чистота работы (отсутствие выбросов каких-либо видов газов);

·Возобновляемая неисчерпаемая энергия (в отличие от ископаемых видов горючего);

·Эргономика (компактность и сочетание с любым родом ландшафта);

·Отсутствие потребности использовать какой-либо вид топлива для осуществления работы ветрогенератора.

Минусы:

·Непостоянность скорости ветра (при недостаточной скорости ветроэлектростанция не сможет работать);

·По сравнению с дизельными генераторами, ветрогенераторы обеспечивают более низкий выход электроэнергии (необходимость устанавливать на ветровой электростанции дополнительные турбины);

·Наличие различных звуковых спектров вредного шума в процессе работы ветряной электростанции (ветроустановки конструируется на таком расстоянии от жилых сооружений, чтобы уровень шума не превышал 35-45 децибел);

·Создание ветряными электростанциями помех в работе различных систем связи;

Использование ветрогенераторов в Украине

Над территорией Украины действию ветра почти нет препятствий, кроме района Карпат и Крымских гор. Временами территория поражается засухами, особенно степная полоса. Она и представляет собой территорию возможного максимального внедрения ветрогенераторов для выполнения в сельскохозяйственном секторе большого числа дополнительных работ, таких как общее водообеспечение, орошение полей, осушение болот, изготовление твердых и мягких кормов, местный помол зерна, наконец, зарядка аккумуляторов и других работ. Не следует забывать, что каждый ветрогенератор, вырабатывая электроэнергию, тем самым освобождает в колхозе или совхозе много рабочих рук, экономит топливо, сохраняет чистоту окружающей среды.

Заводские ветрогенераторы, правда, начинают работать при скорости ветра около 4 м/с, но когда по флюгеру отмечается 3 м/с, учитывая увеличение скорости ветра с высотой и большую открытость ветрогенератора, можно считать, что на уровне лопастей скорость ветра будет не менее 4 м/с. Продолжительность работы ветрогенераторов в разных частях Украины и в разные месяцы составляет от 65 до 80 % дней, т.е. от 500 до 600 ч в месяц, или от 5700 до 7000 ч в год.

Таким образом, простои ветрогенератора из-за слабых ветров должны составлять в отдельные месяцы и в отдельных районах Украины от 120 до 200 ч за месяц (5 - 10 дней). Но никогда не бывает, чтобы ветродвигатель не работал подряд указанное число дней; перерывы ограничиваются или частью суток (летом ночью) или продолжаются не больше 1-2 и очень редко 3-4 дней подряд (например, зимой при антициклональной погоде и устойчивых температурных инверсиях, когда вертикальный обмен воздуха ослабевает). Для таких периодов в наличии должен быть, как мы уже отмечали, определенный запас энергии - "запасной блок", расчет которого нетрудно сделать на основании данных о продолжительности и частоте слабых ветров.

Можно заметить определенную закономерность в возможности использования ветра на территории Украины. В январе, например, максимум времени возможного использования энергии ветра наблюдается в приморской зоне, южной Степи и в Донбассе, где продолжительность работы ветрогенератора может достигать, а возможно и превосходить 24 дня, т.е. почти 600 ч в месяц. Эти районы, а также горные районы Карпат и Крыма характеризуются и более высокими средними скоростями ветра по сравнению с другими районами Украины.

Наименьшая ветровая эффективность приходится на среднее течение Днепра и северо-западную часть Украины. В этих районах продолжительность ветров, которые в ветроэлектростанция с таким ветродвигателем может дать потребителю 50000 кВт-ч электроэнергии за год. Таким образом, с 1 км2 можно ежегодно получить 800000 кВт ч электроэнергии. Известно, что для производства 1 кВт ч энергии необходимо около 0,5 кг топлива. Следовательно, 16 ветродвигателей этого типа могут сэкономить около 400 т топлива за год.

Проблемой ветроэнергетики занимается научно-производственное объединение "Ветроэн" (г. Истра, Московская обл.), сотрудники которого разрабатывают проекты и производят небольшие партии. ветродвигателей мощностью от 2 до 5 кВт. Эта продукция используется в районах, отдаленных от мест централизованного электроснабжения, со сложными природно-климатическими условиями.

На Украине определенный вклад в решение этой проблемы вносит научно - исследовательная база Киевского политехнического института. Она образована для испытания установок, которые используют возобновляемые источники энергии.

Пришло время заняться всеми этими проблемами, подключить все известные источники энергии в энергетический баланс страны.

Ветростанции Украины

В настоящий момент в Украине построено 10 ветростанций: семь в Автономной республике Крым, по одной ВЭС в Донецкой и Николаевской областях, и одна станция возле г. Трускавец в Карпатах.

Одним из важных условий для успешной реализации ветроэнергетических проектов является принятие и вступление в силу зеленых тарифов, которые позволили бы не только ускорить развитие ветроэнергетики в стране и перейти на турбины мегаватного класса, но и привлечь в Украину западных инвесторов.

В тоже время, несмотря на отсутствие четкой государственной политики, за последние 3 года в национальной ветроэнергетике произошли серьезные изменения.

В 2005 году была основана компания "НОВА-ЭКО", занимающаяся разработкой двух ВЭС суммарной мощностью 300 МВт в АР Крым. В начале 2007 года португальский Холдинг Martifer Group, имеющий в своем активе акции ветроэнергетической компании Suzlon/RePower, принял решение стать стратегическим инвестором проекта "НОВА-ЭКО". Планируемые ВЭС будут размещены на двух площадках: в Черноморском районе - 100 турбин общей мощностью 200 МВт, и в Ленинском районе - 50 турбин общей мощностью 100 МВт. Общие инвестиции по проекту составят не менее 500 млн евро. В июне 2007 года была завершена "Оценка воздействия на окружающую среду", выполненная согласно международным стандартам, и разработано технико-экономическое обоснование (ТЭО) проекта. После проведения Государственной экспертизы ТЭО, проект "ВЭС-300" вступит в фазу практической реализации.

С сентября 2007 года украинская компания "Конкорд Групп" начала реализацию ветроэнергетического проекта установленной мощностью 100 МВт на территории Западной и Восточной части Автономной Республики Крым. Для строительства планируемых ВЭС запроектированы современные ветроагрегаты единичной мощностью 2+ МВт. Строительство станции запланировано на период с 2009 по 2010 годы. По предварительным расчетам выработка электроэнергии новой ВЭС будет составлять около 300 млн кВт·час в год, что соответствует сокращению выбросов СО2 на около 1 млн тонн за период с 2010 до 2012 года.

Список литературы

1. <http://addcos.com.ua/vetroenergetika/6#more-6>

2. http://www.krugosvet.ru/articles/12/1001222/1001222a1. htm <http://www.krugosvet.ru/articles/12/1001222/1001222a1.htm>

. <http://generator-tut.ru/2010-08-20-09-16-09.html>

. http://www.nparks.ru/wind. php <http://www.nparks.ru/wind.php>

. http://www.invertors.ru/veter. htm <http://www.invertors.ru/veter.htm>

. <http://vetrogenerator.org.ua/2009/04/vetrostancii-ukrainy/>