Ветроэнергетическая установка. Ветроэнергетические установкиВетроэнергетическая установка - «Энциклопедия»ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, комплекс технических устройств, предназначенных для преобразования кинетической энергии ветра в другие виды энергии (например, электрическую, механическую). Ветроэнергетическая установка состоит из ветроагрегата (ветродвигателя с редукторами, механизмами управления и стабилизации), устройств, запасающих энергию (например, аккумуляторов, водонапорных баков, газовых баллонов), резервных источников тока (дизель-генераторов, солнечных электрических батарей, солнечных нагревателей и др.), а также систем автоматического управления и регулирования режимов работы установки. Различают ветроэнергетические установки специального назначения (насосные или водоподъёмные, опреснительные, зарядные, электролизные, мельничные и др.) и комплексного применения (ветросиловые и ветроэлектрические). Ветроэнергетические установки, работающие в автоматическом режиме, применяются для снабжения электроэнергией радиопередающего метеооборудования и резервных систем энергообеспечения на военно-стратегических объектах. Автономные ветроэнергетические установки буйкового типа используются для работы в океане. Ветроэнергетические установки классифицируют также в зависимости от ориентации оси вращения ветродвигателя: с ветродвигателями, имеющими горизонтальную (крыльчатые) и вертикальную (карусельные и ортогональные) оси вращения.
РекламаПрообразом ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения является ветряная мельница. Такие ветроэнергетические установки большой мощности требуют предварительной раскрутки ветроколеса при запуске. Основной недостаток ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения - низкочастотные вибрации лопастей и опорной башни, передающиеся на грунт и влияющие на ареал расселения птиц, насекомых и биологическую среду грунта. Ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения менее эффективны, но конструктивно более просты, так как работа ветродвигателя не зависит от направления движения ветра и не требует дополнительных устройств для фиксации его против ветра. Мощность серийных ветроэнергетических установок составляет от 10 Вт до нескольких МВт. Об истории ветроэнергетических установок смотри в статье Ветроэнергетика. Ю. В. Макаров. knowledge.su ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ПОСЛЕДНИЕ РАЗРАБОТКИ В ЭТОЙ ОБЛАСТИ | Опубликовать статью РИНЦМухутдинов И.М.1, Орлов А.Г.2, Фролов М.С.3 1Студент; 2студент; 3студент, Оренбургский государственный университет; ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ПОСЛЕДНИЕ РАЗРАБОТКИ В ЭТОЙ ОБЛАСТИ Аннотация В данной статье рассмотрено – виды наиболее эффективных ветроэнергетических установок, а также новые конструкции ветроустановок и их применение в жизни людей. Ключевые слова: ветроэнергетика, воздушный поток, ветроагрегат, энергоэффективность.
Muhutdinov I.M.1, Orlov A.G.2, Frolov M.S.3 1Student; 2student; 3student, Orenburg State University WIND POWER PLANTS AND RECENT DEVELOPMENTS IN THIS AREA Abstract In given article is devoted to the species and the most efficient wind turbines, as well as new designs of wind turbines and their application in the lives of people. Keywords: wind energy, air flow, wind turbine, energy efficiency. Как известно, во всем мире основными источниками энергии являются невозобновляемые источники, такие как нефть, газ, уголь и т.д. С каждым годом с ростом численности населения и их потребностями происходит увеличение потребления энергии, что на сегодняшний день делает актуальной проблему постепенного сокращения запасов традиционных энергоресурсов, ростом цен на жидкое топливо и зависимость от импортируемого топлива. Всё это привело к возрождению исследований, направленных на расширение возможности преобразования ветра в пригодный для использования вид энергии. Энергия ветра на земле неисчерпаема, т.е. это возобновляемый источник энергии. Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников. Многие столетия человек пытается превратить энергию ветра себе на пользу, строя ветростанции, выполняющие различные функции: мельницы, водяные насосы, электростанции. Как показала практика и опыт многих стран, использование энергии ветра крайне выгодно, поскольку, во- первых, стоимость ветра равна нулю, во-вторых, электроэнергия получается из энергии ветра, а не за счет сжигания углеродного топлива, продукты горения которого известны своим опасным воздействием на человека, в-третьих, осуществляется обеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним и сезонным завозом топлива и снижение расходов на дальнепривозное топливо. Эффективными и все больше и больше входящими в наш обиход преобразователями ветра являются ветроэнергетические установки (ВЭУ). ВЭУ – комплекс технических устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в какой-либо др. вид энергии. Ветроэнергетические установки достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения. Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра и намного реже применяются устройства с вертикальным валом. ВЭУ с горизонтальной осью вращения, имеющие две или три лопасти, установленные на вершине башни – наиболее распространенный тип ветрогенераторов. Ведущей вал ротора , соединяющий лопасти с генератором считается осью машины. У ВЭУ с горизонтальной осью вращения ведущий вал ротора расположен горизонтально. Чаще всего, установки с горизонтальной осью вращения имеют две или три лопасти, хотя есть и модели с большим количеством лопастей. ВЭУ 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, это не так. Ветроэнергетические установки с большим количеством лопастей менее эффективны, чем установки с двумя или тремя лопастями, так как лопасти создают помехи друг другу и менее прочны. У ВЭУ с вертикальной осью вращения ведущий вал ротора расположен вертикально. Лопасти такой установки – длинные, обычно дугообразные. Они прикреплены к верхней и нижней частям башни. Благодаря вертикальному расположению ведущего вала ротора ВЭУ, в отличие от ВЭУ с горизонтальной осью вращения, захватывают ветер, дующий в любом направлении, и для этого им не нужно менять положение ротора при изменении ветровых потоков. К сожалению как и у любой другой установки ветроэнергетическая установка обладает рядом недостатков: неравномерность поступления энергии, дороговизна оборудования, шум от работы ветродвигателей, вредные для людей и животных низкочастотные вибрации, обледенение лопастей, образующее осколки, гибель птиц и летучих мышей. Необходимо четко представлять себе, что ветроустановка работает только тогда, когда есть ветер. Наибольший ветровой потенциал наблюдается на морских побережьях, на возвышенностях и в горах. Однако существует еще много других территорий с потенциалом ветра, достаточным для его использования в ветроэнергетике. Энергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50 – 70 м, реже – до 100 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое. Важнейшими характеристиками, определяющей энергетическую ценность ветра, являются его скорость и плотность. Непостоянство скорости ветра заставляет либо устанавливать параллельно с ВЭУ аккумуляторную батарею, либо резервировать ее установкой на органическом топливе. Естественно, это повышает стоимость установки и ее эксплуатации, поэтому распространение таких установок пока невелико. В развивающихся странах интерес к ВЭУ связан в основном с автономными установками малой мощности (0,5-4 кВт), которые могут использоваться в деревнях, удаленных от систем централизованного электроснабжения. Такие установки уже сегодня конкурентоспособны с дизелями, работающими на привозимом топливе. 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. Так, в США установлено более 1,5 млн. кВт мощностей ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3% потребляемой страной энергии. Велика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии. На сегодняшний день идёт изучение, разработка и внедрение новых видов преобразователей ветра. Китайским конструктором Цзян Цянь и его итальянский коллега Алессандро Леонетти Лупарини создали ветроагрет под название T-Box, который улавливает воздушный поток проезжающего поезда со скоростью до 240 км/ч. Такая скорость поезда образует воздушный поток скоростью до 15 м/с . T-Box помещается под землю между шпалами — на поверхности остаются только вентиляционные отверстия. Внутри расположена турбина, которая и преобразует ветер в электричество. Если 200-метровый поезд пройдёт этот участок со скоростью 300 км/ч, суммарная мощность полученной энергии составит 2,6 кВт. Ещё одной последней разработкой является ветроустановка от фирмы Magenn Power Air Rotor System. Установка представляет собой аэростат, наполненный гелием, по бокам которого размещены два генераторных блока и удерживаемый с помощью привязи. Сам аэростат и является ротором с горизонтальной осью вращения. Устройство работает за счет эффекта Магнуса – возникновения подъемной силы в результате циркуляции воздуха вокруг твердого тела. Традиционные ветряные генераторы эффективны при скоростях ветра от 3 до 28 м/с, а на высоте, куда можно поднять баллон MARS, скорость ветра может достигать гораздо больших значений (120-300 м), что увеличивает скорость вращения. Мощность установки составляет от 1кВт и ваше. Ещё одно преимущество – лёгкость монтажа. Также он абсолютно экологичен , и не приносит вреда птицам. Все эти устройства требуют дальнейшего изучения, разработки и рассмотрение возможного применения на территории Российской Федерации. Литература
research-journal.org Ветроэнергетические установкиВетроэнергетические установки (ветряные электростанции, ВЭУ) – сооружения, предназначенные для преобразования энергии ветра в другие виды энергии - механическую, тепловую или электрическую.
Содержание: 1. Назначение 2. Виды по типу электроснабжения 2.1. Автономные 2.2. Совмещенные с электросетью 2.3. Резервные 3. Виды по типу расположения оси вращения 3.1. Горизонтально - осевые 3.1.1. Устройство 3.1.2. Принцип действия 3.2. Вертикально - осевые 3.2.1. Устройство 3.2.2. Принцип действия 4. Установка 5. Дополнительное оборудование 6. Условия эффективного использования 7. Преимущества и недостатки
1. Назначение С целью экономии денежных средств и ресурсов энергия ветра может быть преобразована в электрическую, механическую или тепловую энергию при условии существования промежуточного звена – ВЭУ. Помимо генерации электричества, подаваемого в сеть электроснабжения, ветроэнергетические установки используются для теплоснабжения городов и поселков, где существуют определенные трудности с обеспечением котельных топливом. Современные ВЭУ могут использоваться для закачки воды и поднятия ее из скважины при помощи насоса, для наполнения ресиверов сжатым воздухом и других целей. 2. Виды по типу электроснабжения 2.1. Автономные ВЭУ, работающие автономно (не связанные с внешней электросетью), обладают мощностью от 50 до 500 кВт. Полученное от ветроэнергетической установки электричество накапливается в аккумуляторных батареях и используется только для нужд ее владельца. Такие ВЭУ состоят из ветрогенератора, башни, а также контроллера заряда, инвертора и нескольких аккумуляторных батарей. 2.2. Совмещенные с электросетью ВЭУ, работающие параллельно с электросетью, обладают мощностью от 200 кВт до 5 МВт. Они способны выдать в электрическую сеть максимально возможное количество энергии. Владелец ветроэнергетической установки, совмещенной с сетью, не получает от нее электричество напрямую. Произведенная и переданная в сеть энергия измеряется счетчиком, а владелец ВЭУ получает прибыль от компании, поставляющей электричество централизованно. Такая практика распространена в Северной Америке и Европе. 2.3. Резервные ВЭУ используются в качестве источника электропитания для бесперебойного обеспечения потребителей энергией номинальной мощности. Такие ветроэнергетические установки работают параллельно с независимыми электростанциями соизмеримой мощности – дизель-генераторами, малыми ГЭС и другим оборудованием. 3. Виды по типу расположения оси вращения Сегодня соотношение ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осями вращения во всем мире составляет - 90 и 10% соответственно. Каждый тип ветроэнергетических установок имеет одинаковое назначение, но принципиально разную конструкцию. 3.1. Горизонтально - осевые 3.1.1. Устройство Конструкция горизонтально-осевого ветрогенератора следующая: Фундамент. Силовой шкаф (силовые контакторы и цепи управления). Башня (обеспечивает необходимую высоту для эффективного вращения лопастей при улавливании воздушного потока). Гондола (поворотный агрегат ВЭУ, внутри которого размещаются электрогенератор, трансмиссия, тормозная система). Электрогенератор (преобразует энергию ветра в электрический ток). Анемометр (система слежения за скоростью и направлением ветра), осуществляет поиск направления ветра с максимальным потенциалом, поворот ветроколеса в данном направлении и его удержание в этом положении. Тормозная система (срабатывает при высоких скоростях ветра (35-45 м/с), обеспечивая ограничение частоты вращения лопастей и защиту установки от перегрузок). Трансмиссия (устройство, передающее крутящий момент от вращающегося колеса ВЭУ на генератор электрического тока). Лопасти. Ветроэнергетические установки с количеством лопастей больше трех имеют небольшую эффективность, так как лопасти создают друг другу помехи. Многолопастные ВЭУ запускаются при скорости ветра от 2 до 4 м/с. В настоящее время выпускаются ветрогенераторы с диаметром ротора 0,75-80м и более. Система изменения угла атаки лопасти. 3.1.2. Принцип действия Сила ветра осуществляет вращение колеса ВЭУ с лопастями. Колесо ветроэнергетической установки, имеющее несколько лопастей (оптимально - 2-3 шт.), осуществляет преобразование кинетической энергии движущегося воздушного потока в механическую энергию вращения вала ветродвигателя, который в свою очередь передает ее посредством трансмиссии на генератор. Последний вырабатывает электрический ток, поступающий в электросеть по специальным кабелям – двухжильным медным проводам площадью сечения 6-8 мм2, которые прокладываются в герметизированном подземном канале. Мощность ВЭУ определяется размерами ветроколеса, скоростью ветра и высотой башни. Работа ВЭУ зависит от направления ветра. Для автономного снабжения электричеством коттеджа потребуется горизонтально-осевая ВЭУ мощностью до 10-15 кВт. 3.2. Вертикально - осевые 3.2.1. Устройство Конструкция вертикально-осевой ВЭУ намного проще, чем у агрегата с горизонтально-расположенной осью вращения. У первых ведущий вал ротора расположен вертикально. Лопасти у такой ВЭУ – длинные, дугообразной формы, которые крепятся к нижней и верхней частям башни. Такая конструкция позволяет ВЭУ захватывать ветер, который дует в любом направлении. Это не требует смены положения ротора при изменении направления ветрового потока. Так как работа ВЭУ не зависит от направления ветра, в ее конструкции нет системы слежения и ориентации на ветровые потоки, что значительно упрощает устройство ветроагрегата и его работу. В вертикально-осевых ВЭУ отсутствуют потери эффективности при неточной ориентации колеса на ветровой поток. 3.2.2. Принцип действия Вертикально-осевые ВЭУ работают по принципу паруса. Под действием ветра их лопасти начинают двигаться по кругу, как карусель. Энергия ветра передается через вал ротора электрогенератору, вырабатывающему электричество. Полученная энергия подается потребителю. Вертикально-осевые ВЭУ способны запускаться даже при малой скорости ветра, но они довольно материалоемки и требуют применения узкоспециализированного оборудования - многополюсных электрогенераторов. 4. Установка ВЭУ, предназначенную для личного пользования, располагают на расстоянии 30 -40м от жилых строений. Высота башни определяется наличием препятствий - зданий, деревьев (ось вращения установки должна быть выше любой преграды на 3-4м) и необходимой энергии ветра, которую необходимо получить в итоге. Башня ВЭУ фиксируется на фундаменте и дополнительно закрепляется несколькими растяжками (оцинкованными металлическими тросами). С этой целью на участке, где размещается ветровой агрегат, предусматривают 5-6 армированных бетонных столбов диаметром 0,5 м, заливаемых на глубину до двух метров. Когда бетон наберет прочность, осуществляется установка секций башни, к вершите которой крепят ветроголовку. Эта процедура занимает несколько часов. Подъем башни проходит при помощи лебедки, присоединенной к дополнительной опоре. Правильно проектированная и построенная башня, имеющая конструкцию фермы, способна выдержать ветер ураганной силы. 5. Дополнительное оборудование Для гарантированного снабжения электричеством коттеджа или загородного дома в период слабых ветров или безветрия требуется обустроенная система бесперебойного питания, которая позволяет запасать энергию и использовать ее при необходимости. Оборудование системы бесперебойного питания располагают в шумоизолируемом помещении коттеджа, которое отапливается, вентилируется и имеет относительную влажность воздуха до 70%. В качестве оборудования системы бесперебойного питания выступают: Аккумуляторные батареи. Они накапливают энергию в период сильных ветров, «выравнивают» нестабильное напряжение и обеспечивают электроснабжение в безветренную погоду. При постоянных ветрах, если батареи полностью заряжены, тормозной механизм ВЭУ блокирует ветровое колесо с целью сохранности ресурса подшипников и генератора электричества. Инвертор (преобразователь электрического тока). Прибор превращает ток, поступающий от аккумуляторных батарей, в ток, пригодный для использования большинством электроприборов. Солнечные батареи. Они устанавливаются на башне дополнительно в районах с низким ветроклиматом. Гелиоустановки способствуют подзарядке аккумуляторов при отсутствии ветра в солнечную погоду. Бензиновые или дизельные генераторы. Подключаются в сеть для преодоления пиковых нагрузок (генераторы включаются автоматически при критическом повышении нагрузки на электросеть) или в период отсутствия любых автономных мощностей. 6. Условия эффективного использования Целесообразно устанавливать ВЭУ в местах с высокими значениями среднегодовой скорости ветра – возвышенности, морское побережье (башни строят на расстоянии 10-12 км от берега), горы. Эффективность работы ветряка наибольшая в зимнее время года, когда воздух более плотный, наименьшая – в летнее. При любой силе ветра и при наличии приземистых рыскающих потоков вертикально-осевые ВЭУ способны поддерживать оптимальную быстроходность. Это позволяет использовать энергию ветра максимально эффективно. Постоянная ориентация колеса горизонтально-осевой ВЭУ на ветровой поток (совмещение ее оси вращения с направлением скорости ветра). 7. Преимущества и недостатки Преимущества: ВЭУ не загрязняют окружающую среду выбросами, вредными для всего живого. При наличии определенных условий при помощи ВЭУ можно получить энергию, не уступающую по мощности невозобнавляемым источникам энергии. Источник ветровой энергии неисчерпаем. Недостатки: Нестабильность ветра затрудняет его использование максимально эффективно. ВЭУ создают шумы, превышающие допустимые значения для здоровья человека. Ветровые установки создают помехи при работе теле- и радиотехники. Причиняют вред птицам при размещении на пути их миграции и гнездования... studfiles.net Ветроэнергетические установкиСостояние и перспективы развития мировой Ветроэнергетики В последние годы чрезвычайно бурно развивается ветроэнергетика. Во многих странах она является приоритетным направлением энергосбережения и использования экологически чистой возобновляемой энергии. Практически ежемесячно по ветроэнергетике проводятся различные семинары, международные выставки и конференции. Наиболее представительны и популярны мероприятия, проводимые Всемирной ветроэнергетической ассоциацией (ВВЭА) и Европейской ветроэнергетической ассоциацией. Так, в ноябре 2004 г. в Китае состоялись Третья Всемирная конференция и выставка по ветроэнергетике и возобновляемым энергоисточникам, проведенные ВВЭА совместно с Ветроэнергетическими ассоциациями Азии и КНР в Пекине. Все мероприятия проводились в Центре международных форумов, построенном в новом современном районе Пекина, где в 2008 г. проходили очередные Олимпийские игры. Китайская сторона проявила большой интерес к конференции и выставке, и все мероприятия проводились при поддержке центральных министерств и органов страны, Академии наук, ассоциаций промышленников, ученых и других общественных организаций. В последние время Китайская Народная Республика успешно развивает свое народное хозяйство. Население КНР составляет более 20 % населения планеты, и по основным экономическим показателям развития страна уверенно выходит на второе место в мире. Эти успехи имеют для нее историческое значение. Китай занимает ведущие позиции и в развитии возобновляемой энергетики, особенно солнечной тепловой энергетики и биоэнергетики. Страна очень активно работает и над дальнейшим развитием ветроэнергетики. В Китае установлена 41 ветроэнергетическая станция общей мощностью около 700 МВт, смонтирована ветроэнергетическая установка мощностью 1300 кВт. К 2010 г. КНР довела мощность ВЭУ до 20 000 МВт. Страна очень активно действует на рынке ветроэнергетики и производит комплектные ВЭУ мощностью до 750 кВт, а также лопасти и многие элементы для этих установок. Проведенные выставка и конференция были крупнейшими с 1970 г. форумами по данной проблеме за пределами Европы и Америки, в которых участвовало около 1000 человек. На выставке демонстрировалась продукция 70 экспонентов. Россия была представлена шестью участниками, четверо из которых были от фирмы «Сеймет труп» и ГосМКБ «Радуга». На конференции выступило более 200 докладчиков с сообщениями по восьми направлениям: политика и рынок; экономика, общество, окружающая среда; сетевые системы и ветровые электростанции; гибридные системы, накопители энергии; финансирование; образование и обучение; независимые (автономные) ветровые системы; развитие и технологии. Как неоднократно отмечалось, общий доступный ветровой ресурс в мире, который может быть технически использован, оценивается в 53000 ТВтч в год. Это более чем вдвое превышает прогнозируемое на 2020 г. потребление электроэнергии. Установленная мощность ВЭС в мире за 10 последних лет увеличилась в 10 раз и на конец 2010 г. составила около 50000 МВт. В докладах представителей ВВЭА, Германии, Испании, США были озвучены следующие основные цифры по развитию ветроэнергетики в мире: 1998 г. – 10 000 МВт; 2003 г. – 40 000 МВт; 2004 г. – 50 000 МВт; 2008 г. – 100 000 МВт. С 1996 г. установленная мощность ВЭУ во всем мире росла со среднегодовым темпом роста близким к 20 – 40 %. За последнее десятилетие примерно каждые два с половиной года объем установленной мощности удваивался. Только в 2004 г. было введено в эксплуатацию более 10 000 МВт новых генерирующих мощностей. На конец 2010 г. суммарная установленная мощность ВЭУ в 55 странах мира составляла примерно 17 700 МВт, из них в Германии – 6 100, в США и Испании – по 2 500, в Дании – 2 300, в Индии – 1 100 МВт. На долю этих пяти ведущих стран приходилось свыше 82 %, а если добавить Нидерланды, Италию, Великобританию, Китай и Швецию, то 92 % общей установленной мощности ВЭУ в мире. В 2005 г. Германия имела установленную мощность ВЭУ около 18000, Испания – 8 000, США – примерно 7 000 МВт. Темпы роста ветроэнергетики в мире очень высоки. Решающая роль в этом принадлежит европейским странам, на их долю приходится более 70 % мировой установленной мощности ВЭУ. По данным американского электроэнергетического института (EPRJ), стоимость 1 кВт/ч электроэнергии на современных ВЭС за последние 10 лет снизилась с 15 – 20 до 4 – 7 центов и сегодня сравнима со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой традиционными электростанциями: 5 – 9 цент/(кВт • ч) на АЭС, 4 – 5 на угольных и газовых ТЭС и 5 – 20 на ГЭС. Значительное снижение стоимости электроэнергии объясняется: – высокими годовыми темпами производства ветроэнергетического оборудования; – высоким темпом роста средней мощности ВЭУ и ВЭС; – ростом коэффициента использования установленной мощности; – внедрением новых научно-технических и конструктивно-компоновочных решений. Следует отметить тот факт, что прямое сравнение затрат на выработку электроэнергии различными источниками энергии не учитывает дополнительных издержек, связанных с экологическими последствиями. Согласно исследованиям, проведенным в соответствии с «Проектом Эсктер Е», эти издержки оцениваются, цент/(кВт • ч), для электростанций: атомных 0,2 – 0,6; газовых ТЭС 1 – 4; угольных ТЭС 2 – 15; ВЭС 0,05 – 0,25. Для тяжелого машиностроения, производящего ветроэнергетическое оборудование, темпы роста в 20 – 25 % являются высокими, но ветроэнергетика развивалась в первые годы своего коммерческого использования гораздо более быстрыми темпами. В Европе важным фактором развития ветроэнергетики станет открытие рынка прибрежных (офшорных) ветроэнергетических установок. Однако интенсивное развитие отрасли в развивающихся странах будет зависеть от стабильности политической ситуации. В XX в. существенный прогресс в строительстве АЭС и крупных ГЭС был достигнут достаточно быстро. В настоящее время АЭС вырабатывают 16, а большие ГЭС – 19 % общемирового производства электроэнергии. В начале XXI в. ветроэнергетика стала коммерческой отраслью, которая вполне может быть крупным производителем электроэнергии. Как ожидается, в течение следующего десятилетия средняя мощность устанавливаемых ВЭУ вырастет с 1 300 кВт (1,3 МВт) в 2005 г. до 1,5 МВт в 2007 г. и до 2,5 МВт в 2012 г. Модульная компоновка ВЭС и возрастающая с 2,5 – 3,0 до 5,0 МВт и более единичная мощность ВЭУ позволят обеспечить условия для создания крупных энергосистем в масштабе страны и даже суперэнергосистемы, объединяющей энергосистемы различных стран (транснациональная энергосистема). Благодаря этому будут существенно улучшены надежность и эффективность функционирования ВЭС. Следовательно, развитие ветроэнергетики за рубежом идет, с одной стороны, по пути увеличения единичной мощности ВЭУ и их числа в составе ВЭС, а с другой – по пути их объединения в крупные энергосистемы. Все это создает условия для получения дешевой конкурентоспособной электрической и тепловой энергии. Постоянное совершенствование ВЭС обусловило увеличение их коэффициента использования мощности с 20 до 25 %. Международное энергетическое агентство прогнозирует повышение среднего значения коэффициента использования мощности ВЭС до 28 % к 2011 г. и до 30 % к 2035 г. Наиболее часто в лопастных системах ВЭУ применяется трехлопастное ветроколесо с горизонтальным расположением оси ротора. Усовершенствование ВЭУ идет по пути увеличения размеров лопастей, высоты башен, улучшения технико-экономических показателей энергетического оборудования и электронного управления, использования лучших композитных материалов. Крупные ВЭУ функционируют в основном с переменной скоростью вращения. Получают распространение схемы, не использующие редуктор и работающие по методу прямого привода. Наиболее радикальные улучшения были достигнуты в области увеличения мощности и технических показателей ВЭУ. В 1970-х гг. мощность ВЭУ не превышала 25 кВт, а современные типичные коммерчески используемые ВЭУ имеют мощность 750 – 1500, 2000, 2500, 3000 кВт. В 2000 г. средняя мощность устанавливаемых в Германии ВЭУ впервые превысила 1000 кВт. Самые мощные коммерчески используемые ВЭУ в настоящее время имеют мощность 4500 кВт, диаметр лопастей 112 м и высоту башни более 100 м. В будущем следует ожидать появления еще более мощных ВЭУ, в особенности на рынке прибрежных ветровых электростанций. В настоящее время разрабатываются ВЭУ мощностью от 5000 до 7000 кВт, а в 2004 г. немецкие и датские компании приступили к изготовлению прототипов таких ВЭУ для офшорных ВЭС. Американская национальная ассоциация ветроэнергетики сообщает, что электроэнергия от новых ветроэнергетических комплексов большой мощности будет дешевле электроэнергии от тепловых электростанций, к тому же загрязняющих атмосферу. Так, стоимость электроэнергии ветроэнергетического комплекса Stateline мощностью 300 МВт (на границе штатов Вашингтон и Орегон) будет меньше 2,5 цент/(кВт/ ч), а ветрокомплексы штатов Техас, Айова и Миннесота будут генерировать энергию стоимостью 3 цент/(кВт /ч). Себестоимость производства электроэнергии на лучшей ветроэнергетической установке США при стоимости 765 дол. США за 1 кВт установленной мощности ВЭУ уже сейчас составила 3,61 цента за 1 кВт /ч. Если учесть, что средняя мощность ВЭУ и их коэффициент использования мощности возрастают, то к 2015 г. можно прогнозировать снижение себестоимости производства 1 кВт * ч электроэнергии до 2,62 цента при стоимости установленной мощности в 555 дол. за 1 кВт. Ожидается, что к 2020 г. себестоимость производства электроэнергии снизится до 2,11 цента за 1 кВт * ч при стоимости установленной мощности до 447 дол. за 1 кВт. Современные коммерческие ВЭУ и ВЭС по своим основным показателям сравнимы с современными электростанциями традиционных типов. К сожалению, Россия в настоящее время серьезно отстает от промышленно развитых и многих развивающихся стран в практическом использовании энергии ветра, хотя первой в мире начала еще в 1930-е гг. активно заниматься развитием ветроэнергетики. Россия имеет как потребности, так и возможности для развития ветроэнергетики, особенно в районах Крайнего Севера, на отдаленных и труднодоступных территориях. Значительная часть нашей страны испытывает серьезные трудности с энергоснабжением, причем в местах, где дуют ветры с хорошим энергетическим потенциалом, минимально оцениваемым в 40 млрд кВт/ ч (около 20000 МВт). Использование этого ветропотенциала позволит решить многие вопросы энергоснабжения, улучшить социально-экономическую и экологическую обстановку в этих регионах.
Вместе с тем Россия располагает необходимыми кадрами и финансовыми возможностями для успешного решения всех упомянутых научно-производственных и организационных задач развития ветроэнергетики, которое в последние годы тормозится из-за отсутствия законодательной базы и государственной поддержки, а также необходимой организации и координации работ, сил и средств, из-за формальной передачи этой ответственности регионам. Было бы целесообразно осуществить следующие задачи: – обратить внимание руководства страны на необходимость развития ветроэнергетики, поскольку надежный, экологически чистый возобновляемый энергоисточник может помочь в решении проблем энергоснабжения районов Крайнего Севера и других отдаленных и труднодоступных территорий; – ветроэнергетика может стать важным направлением энергосбережения и существенно снять остроту, например «Северного завода»; – ветроэнергетика может стать дополнительным направлением бизнеса, связанного с производством и эксплуатацией ветроустановок с использованием отечественных наработок и возможностей; – это не удастся сделать без объединения усилий и возможностей АО-энерго регионов, энергомашиностроительных и оборонных предприятий и других организаций и структур; – необходимо разработать государственную программу развития ветроэнергетики с участием всех структур, заинтересованных в ее развитии и способных обеспечить ее реализацию; – необходимо привлечь к этой проблеме внимание администраций регионов, которые помогут обеспечить включение в тарифы на электроэнергию затрат по созданию объектов ветроэнергетики и финансирование программы; – организации и предприятия, имеющие опыт и возможности, должны осуществлять проектирование ВЭУ и ВЭС, организацию производства ВЭУ, создание ВЭУ и ВЭС «под ключ»; – минпромэнерго России и другие подобные структуры мгут выступить гарантом и координатором разработки и реализации программы; – необходимо разработать механизм финансирования программы развития ветроэнергетики, в том числе с использованием возможностей международных двусторонних соглашений, Киотского протокола, бюджетов регионов и других источников реализации программы; – требуется решить вопрос о создании испытательного и сертификационного центра ветроэнергетики на одном из объектов; – полезно рассмотреть и возможность использования трансфертов зарубежных технологий, но их следует осуществлять только в случае соответствующего технико-экономического обоснования.
Похожие статьи:poznayka.org Ветровая энергетика. Достоинства и недостатки ветроэнергетических установок (ВЭУ)Ветроэнергетика. Достоинства и недостатки ветроэнергетических установок (ВЭУ)На первый взгляд ветер кажется самым доступным из возобновляемых источников энергии. В самом деле: не в пример Солнцу, он вполне "работоспособен" на юге и на севере, зимой и летом, днем и ночью, в дождь и туман. Однако на этом все достоинства и кончаются; дальше, увы, - сплошные недостатки... Прежде всего, это очень рассеянный энергоресурс. Природа не собрала ветры в каких-то отдельных "месторождениях", подобно горючим ископаемым. И не пустила их течь по руслам, подобно рекам. Всякая движущаяся воздушная масса "размазана" по огромной территории. Правда, рассеянность, малая концентрация характерна и для солнечной энергии. Но с ветром еще хуже. Его основные параметры - скорость и направление - меняются гораздо быстрее, в более широких пределах и совершенно непредсказуемо. В итоге по надежности он почти везде уступает Солнцу. Отсюда и вытекают две главные проблемы проектирования ветроэнергетических установок (ВЭУ). Во-первых, с учетом рассеянности ветра стремятся "снимать" его кинетическую энергию с максимальной площади. Что имеется в виду? Для ВЭУ обычной конструкции (ветровое колесо на горизонтальной оси) - это площадь круга, который описывают лопасти при вращении; у специалистов она называется сметаемой площадью. Отсюда вроде бы следует, что диаметр колеса (длину лопастей) надо всячески наращивать. И действительно: известны проекты гигантских ВЭУ с диаметром ветроколеса до 120 м. Но для таких габаритов сильные ветры, в принципе более "выгодные", становятся уже нежелательными - из соображений безопасной эксплуатации. К тому же, рассчитывая прочность, тут приходится дополнительно страховаться даже от маловероятных ураганных порывов и тем еще больше утяжелять громоздкую конструкцию. Путь явно тупиковый. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока на лопастях. Ведь в конечном счете качество электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, определяется именно стабильностью момента вращения и угловой скорости на валу ее генератора. Но если предыдущая проблема решается хотя бы до известного предела, то эта пока не решается никак. Общий вывод, видимо, ясен: нужна установка принципиально новой конструкции. Нащупать подходы к ней помогут несложные математические изыскания. Посмотрим, от каких основных параметров зависит энергетическая эффективность ВЭУ. Как известно, кинетическая энергия движущегося тела: W = mV2/2. Если речь идет о воздушном потоке, то V, естественно, и есть его скорость. С массой m чуть сложнее. В данном случае берется масса объема воздуха, проходящего через ОП в единицу времени. Значит, m = pSV, где р - плотность воздуха, S - ОП, V - та же скорость ветра. И тогда исходное выражение принимает вид W = рSV3/2. Это величина энергии в единицу времени, по сути - мощность. Итак, значение W определяется двумя переменными - S и V. Как в принципе можно ее увеличить? Если за счет S, то прийдется смириться с неизбежным ростом габаритов и массы ВЭУ (см. выше). Но из полученной формулы виден и другой порок такого "лобовного" подхода: ОТ связана с площадью 3 прямо пропорционально, линейно. Зато влияние скорости V гораздо сильнее - зависимость тут уже кубическая. Насколько важна эта разница, поясним на примере. Допустим, нам удалось каким-то путем удвоить величину V. Понятно, что мощность воздушного потока на лопастях возрастет в 8 раз. И если теперь мы решим сохранить прежнюю мощность установки, то сможем соответственно уменьшить ОП ветрового колеса. Тогда его диаметр (то есть, в первом приближении, и остальные линейные размеры ВЭУ) сократился бы в корень кубический из 8 = 2,83 раза. Если же сумеем увеличить V втрое, выиграем в габаритах более чем в 5 раз (корень кубический из 27), и т.д. Что ж, ускорить ветер в принципе нетрудно: нужно загнать его в некое подобие аэродинамической трубы, попросту говоря - в сужающийся канал. В нем, как известно, скорость потока растет обратно пропорционально площади сечения. А общий коэффициент ускорения равен отношению площадей входного и выходного отверстий. Даже для обычных ВЭУ уже разработаны подобные устройства - так называемые конфузоры, или дефлекторы. Смысл их применения в том, что они собирают ветер с гораздо большей площади, чем ОП. Но почему, ступив на верный путь, конструкторы не пошли по нему дальше? Сделаем входное сечение конфузара переменным - и сразу решим ту, "нерешаемую", проблему - поддержания постоянной скорости потока на лопастях независимо от капризов ветра! Проще всего тут применить поворотное воздухозаборное устройство (ВУ). Легко понять, что его эффективное сечение максимально в направлении "фордевинд" и уменьшается при отклонении в любую сторону. Причем такое ВУ способно ловить ветер со всех румбов, и потому остальные элементы можно сделать неподвижными, да и смонтировать прямо на земле, что гораздо удобнее.
Цифрами обозначены:1 - направление ветра; 2 - воздухозаборное устройство;3 - входные воздуховоды; 4 - конфузор;5 - серводвигатель поворота; 6 - поворотный круг;7 - диаметр ВУ; 8 - устройство сброса;9 - отводящие воздуховоды; 10 -диффузор;11 - рабочий канал; 12 - электрогенератор,13 - турбина. Так родилась у автора конструкция установки, изображенная на схеме (патент РФ М9 1783-144). Главное ее отличие - мощный "ветроускоритель": ряд воздуховодов с полноповоротными ВУ на концах, сходящихся в общий конфузор и далее в рабочий канал. Каких же скоростей достигает там воздушный поток? Ясно, что это зависит от отношения двух величин: суммарного эффективного сечения всех ВУ на входе и сечения рабочего канала - на выходе. Пусть диаметр одного ВУ всего втрое превышает диаметр канала, а площадь соответственно - в девять раз. Тогда, скажем, при пяти ВУ общий коэффициент ускорения равен 45. Правда, мы не учли турбулизацию воздушных потоков в системе и ее общее аэродинамическое сопротивление, но для первичной оценки такой расчет правомерен. А это значит, что самый обычный, умеренный ветер (5 м/с) порождает в канале сверхураган в 225 м/с! Напомним, что по шкале Бофорта ураганным считается ветер с жалкой скоростью - 12 м/с... Выходит, обычное ветровое колесо тут уже не годится: его лопасти просто не выдержат такого напора. Нужна настоящая турбина, с лопатками иной формы, гораздо меньшего размаха и более прочными - короче, типа авиационной. Кстати, подобное устройство намного эффективнее использует аэродинамическую энергию воздушного потока. А здесь к тому же он ограничен стенками рабочего канала, сечение которого почти полностью перекрыто лопатками. В результате общий КПД установки должен заметно возрасти по сравнению с обычной, горизонтально-осевой. Не забудем только, что аэродинамический поток, вырвавшийся из турбинного канала, надо снова затормозить. Эту обратную задачу выполняет система, зеркально отображающая входную: диффузор ("расширитель") и воздуховоды с устройствами сброса (УС) на концах. Конструкции ВУ и УС опять-таки одинаковы. Единственное отличие - диаметры элементов отводящей системы должны быть больше, чем у их входных аналогов, чтобы обеспечить эффективный перепад давлений. Скорость потока в турбинном канале регулируется простым вращением ВУ. При слабом ветре воздухозаборники ориентируются "лицом" к нему, а по мере усиления все больше отворачиваются, если это нужно. Устройства сброса, естественно, всегда направлены "спиной" к ветру. Координируют работу всех ВУ и УС микропроцессорные блоки контроля и управления их электроприводами, датчик направления ветра и центральный процессор с зашитой в нем программой. Режим регулирования вполне может быть не плавным, а дискретным, прорывным, что упростит систему управления. Пожалуй, описанная ВЭУ в целом кажется отнюдь не дешевой. Есть ли смысл городить все эти громоздкие воздуховоды? Что ж, полученная нами формула мощности W позволяет сравнить абсолютные энергетические показатели старого и нового вариантов. Зададимся плотностью воздуха на уровне моря р = 1,2 кг/куб.м и скоростью ветра V = 5 м/с. Для первого варианта возьмем предельный диаметр ветрового колеса - 120 м, что дает площадь 3 (ОП) чуть больше 11 000 кв.м. Подставив эти данные в формулу, получим мощность ветрового потока всего 0,8 МВт. Для новой ВЭУ используем нашу оценку скорости V в рабочем канале (около 200 м/с) и зададимся скромной величиной ОП турбины - 10 кв.м. Аналогичный показатель составит 48 МВт! Энергетическое преимущество настолько явное, что дополнительные затраты (если они вообще понадобятся) должны окупиться. Разумеется, в обоих вариантах, с учетом различных потерь, электрогенераторы утилизуют далеко не всю аэродинамическую мощность. Но и здесь, как мы убедились, новая ВЭУ должна иметь преимущество - более высокий КПД. Как показывают простейшие расчеты, стоит поставить несколько лишних ВУ да немного увеличить их диаметр - и мы быстро подойдем к пределу возможностей даже авиационных турбин. То есть данное условие само по себе определяет число и размеры ВУ проектируемой установки вряд ли больше 10. Правда, тут важен и еще один фактор - среднегодовая скорость ветра в данном районе, его, так сказать, ветрообеспеченность. Если этот показатель меньше тех же 5 м/с, то для стабильной работы генератора может понадобиться и более 10 воздуховодов. Чтобы оценить целесообразность такого решения, понадобятся, конечно, детальные исследования и расчеты, в том числе экономические. Но даже приближенные оценки говорят, что подумать есть над чем www.gigavat.com |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
