Альтернативные источники энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Альтернативные источники энергии

Развитие любой страны в значительной мере связано с обеспеченностью ресурсами, в том числе энергетическими. Установлено, что темпы прироста национального дохода примерно соответствуют темпам роста потребления энергии.

Человек всегда стремился использовать силы природы, развитие производственных процессов потребовало перехода от применения мускульной силы к использованию новых источников энергии. Прежде всего, человек обратился к силе воды и ветра, которые использовались в промышленном производстве, но главным образом в сельском хозяйстве.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ

Ветер, вероятно, является наиболее старым из всех имеющихся источников энергии, используемых человеком. Люди очень давно научились ходить под парусами. С XIII в. сохранилось описание из Фреме Ориентен ветряной мельницы. В Греции небольшие ветряные мельницы были обычным явлением, а на Родосе и по сей день, они встречаются. Известная старейшая ветряная мельница в Северной Европе относится к 806 г., находится она в Гройланде (Англия).

Первый ветродвигатель был, вероятно, простым устройством с вертикальной осью вращения, таким, например, как устройство, применявшееся в Персии за 200 лет до нашей эры для размола зерна. Использование такой мельницы с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, состоящая из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до настоящего времени во многих странах бассейна Средиземного моря,

В XI в. ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке, и попали в Европу при возвращении крестоносцев. В Европе, вначале во Франции, ветряные мельницы появились в XII в. В Англии работали мельницы, однотипные по принципу действия с французскими. В Германии первая мельница была построена в 1393 г. Из Германии они распространились в другие страны. В средние века в Европе многие поместные права, включая и право отказа в разрешении на строительство ветряных мельниц, вынуждали арендаторов иметь площади для посева зерна около мельниц феодальных поместий. Посадки деревьев вблизи ветряных мельниц запрещались для обеспечения "свободного ветра".

В Швеции ветряные мельницы--также явление очень старое, они использовались главным образом для перемолки зерна и перекачивания воды. Зерно перемалывалось между двумя тяжелыми жерновами, положенными одно на другое. Верхнее колесо, медленно вращавшееся по кругу, приводилось в движение ветром. Это означает, что энергия движения ветра преобразовывалась во вращательное движение жерновов. Таким образом, здесь преобразуется поступательное движение во вращательное.

В XIV в. голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветряных мельниц и широко использовали их с этого времени для осушения болот и озер в дельте р. Рейн. Между 1608 и 1612 гг. польдер Беемстер, находившийся на три метра ниже уровня моря, был осушен с помощью 26 ветродвигателей мощностью 37 кВт каждый.

Позже известный инженер-гидравлик Лигвотер, применив 14 ветродвигателей производительностью 1000 м³/мин, перекачивавших воду в аккумулирующий бассейн, осушил за четыре года польдер Шермер. Затем 37 ветродвигателей перекачивали воду из бассейна в кольцевой канал, откуда она попадала в Северное море.

В 1582 г. в Голландии была построена первая маслобойня, использующая энергию ветра, через 4 года -- первая бумажная фабрика, которая удовлетворяла повышенные требования к бумаге, обусловленные изобретением печатной машины. В конце XVI в. появились лесопильные заводы для производства лесоматериалов, импортируемых из прибалтийских стран. В середине XIX в. в Голландии использовалось для различных целей около 9 тыс. ветродвигателей.

Появление электроэнергии и нефти привело к тому, что применение ветровой энергии стало второстепенным. Электрические моторы, бензиновые и дизельные двигатели оказались более удобными и легкими в использовании.

В период промышленной революции с введением паровых двигателей использование энергии ветра в Голландии пошло на убыль. В начале XX в. здесь работало только около 2,5 тыс. ветродвигателей, а к 1960 г. менее 1 тыс. из них все еще находились в рабочем состоянии.

Но определенный интерес к энергии ветра сохранился во многих странах. В Европе передовой в этом, отношении страной стала Дания. Еще в 1890 г. начали проводить первые опыты, а в 1895 г. была пущена в действие первая ветровая электростанция. К 1918 г. действовало уже 120 ветровых станций мощностью 10--20 кВт. К началу второй мировой войны за счет энергии ветра вырабатывалось уже примерно 2,5 Мвт.

В США в период с 1880 по 1930 г. было создано 6 млн. ветровых станций для использования их на отдельных фермах. Основное применение нашли они для перекачки воды, а также и для получения электроэнергии. Многие из этих станций действуют до сих пор.

Наиболее крупная ветряная электростанция была построена в 1941 г. в США на ферме около Рутлонда Сооружение получило уменьшительное название Гранда с Кноб. Башня имела высоту 33 м.

Голландцы внесли много усовершенствований в конструкцию ветряных мельниц и, в частности, ветроколеса. В XVI в. примитивные поперечные паруса на деревянных полках уступили место парусам, закрепленным на деревянных брусках с двух сторон маха (рис. 1.2). Позже для улучшения аэродинамической формы лопасти бруски были присоединены к се задней кромке. В более современных конструкциях паруса были заменены тонким листовым металлом, использовались стальные махи и различные типы жалюзи и щитков для регулирования частоты вращения ветроколеса при больших скоростях ветра. Крупные ветряные мельницы заводского изготовления при больших скоростях ветра могли развивать мощность до 66 кВт.

Конструкции первых ветряных мельниц в России были, заимствованы в Германии, и их называли немецкими. К началу XVIII в. число мельниц стало значительным, и их применение приобрело государственное значение. Многое для их распространения в России сделал Петр 1. В XVIII--А1Х вв. мельницы сооружались практически повсеместно, и к началу первой мировой войны в России эксплуатировалось более 200 тысяч мельниц, которые ежегодно перемалывали около 2/3 всего товарного зерна.

Первый этап развития ветроэнергетики в нашей стране (до середины 30-х годов) характеризуется в основном теоретическими исследованиями. Н.Е. Жуковским и его учениками Г.Х. Собининым, В.П. Ветчинкиным и др. была разработана теория идеального и реального ветродвигателей, которой пользуются во всем мире. В тот же период созданы аэродинамические профили высокого качества для лопастей ветроколес, спроектированы опытные установки и проведены продувки моделей в трубах, изучены характеристики ветродвигателей.

Параллельно велись работы по созданию новых моделей и типов ветродвигателей. Уже в 1924 г. под руководством Н.В. Красовского в отделе ветродвигателей (ОВД) ЦАГИ был разработан быстроходный двигатель мощностью до 50 л.с. с новой системой регулирования частоты вращения колеса, предложенной Г.Х. Собининым. Она получила название стабилизаторной. С целью расширения работ по созданию ветродвигателей и использованию энергии ветра в 1930 1. на базе ОВД ЦАГИ был организован Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ), единственная в мире в то время научно-исследовательская организация такого профиля.

В связи с началом электрификации сельского хозяйства были организованы работы по созданию ветроэлектрических станций (ВЭС). В 1930 г. была спроектирована, а в 1931 г. сооружена в Крыму самая крупная в мире ВЭС Д-ЗО мощностью 100 кВт. Станция работала до 1942 г. и давала электроэнергию в сеть Севастопольэнерго напряжением 6300 В. Среднегодовая выработка энергии ВЭС превышала 270 Мвт часов. Во время Великой Отечественной войны она была разрушена. К этому же периоду относится создание в нашей стране проектов самых крупных в мире ВЭС мощностью 1000 и 5000 кВт, которые не смогли быть реализованы из-за войны.

В годы Великой Отечественной войны, когда не хватало топлива, в деревне широко развернулось строительство ветряных мельниц. Сразу после окончания войны было организовано промышленное производство модернизированных ветродвигателей типов ТВ-5, ТВ-8, УНДИМ-Д-10, электрических зарядных ветроагрегатов небольшой мощности и других установок, созданы и выпущены опытными партиями ветроэлектрические станции Д-18 и 1Д-18 ЦАГИ мощностью 30 кВт.

После войны датчане создали три типа ВЭС мощностью 12,45 и 200 кВт для работы на электрическую сеть. Великобритания построила для испытаний несколько демонстрационных 100-киловаттных ветроэлектростанций, в том числе одну установку принципиально нового типа системы Андро с пневматической передачей мощности от ветроколеса генератору, установленному вместе с воздушной турбиной в нижней части машины.

Под руководством проф. У. Хюттера в Германии был осуществлен ряд усовершенствований ВЭС. Самая крупная из них имела расчетную мощность 100 кВт. Наряду с этим выпускались ветроагрегаты мощностью до 10 кВт. Наиболее совершенными из них были установки фирмы Allgaier.

Французские ученые и конструкторы создали несколько ветроэлектрических станций мощностью от 130 до 800 кВт с синхронными и асинхронными генераторами. Они работали на электрические сети совместно с другими, в основном тепловыми, электростанциями. В этот же период велись работы в области ветроэнергетики в Швеции, Австралии, Канаде, Нидерландах, Аргентине, Мексике и в ряде других стран.

В нашей стране 50-е годы явились новым этапом дальнейшего расширения работ в области использования энергии ветра. Была создана Центральная научно-исследовательская лаборатория по ветродвигателям (ЦНИЛВ), группы или лаборатории ветроэнергетики в ряде республиканских научно-исследовательских и проектных институтов. Основное внимание в этот период уделялось использование энергии ветра в сельскохозяйственном производстве.

По неполным данным ЮНЕСКО, в 1960 г. в мире насчитывалось более 1 млн. ветроустановок различных типов и назначения, в том числе около полумиллиона быстроходных ветроэлектрических агрегатов. Большинство ветродвигателей использовалось в системах сельскохозяйственного водоснабжения, для зарядки аккумуляторных батарей и питания энергией небольших объектов, на линиях радиорелейной связи и для других целей в районах с благоприятным ветровым режимом, удаленных от источников централизованного энергоснабжения. В 1968 г. только в Австралии эксплуатировалось почти 250 тыс. ветроустановок.

В годы так называемого "энергетического кризиса" (начало 70-х годов) , вызванного увеличением во всем мире потребления энергии, постепенным сокращением запасов традиционных энергоресурсов и ростом цен на жидкое топливо, во многих странах резко расширились работы по использованию возобновляющихся источников энергии, в первую очередь Солнца, ветра, теплоты недр Земли и др.

В США, Франции, Великобритании, Дании, Нидерландах, Австралии, Греции, Аргентине, Мексике, Новой Зеландии и в ряде других стран наращиваются мощности, и растет выпуск ветроагрегатов мощностью до 10- 15 кВт, государственные органы создают льготные условия для потребителей, использующих эти агрегаты, чтобы стимулировать расширение масштабов их применения. Крупным фирмам выдают заказы на изготовление и строительство ветроэлектрических установок с ветроколесами диаметром 60 м и более, разработку схем и оборудования для совместного использования ветровой и солнечной энергии.

Начиная, примерно с 1975 г., количество эксплуатируемых установок во многих странах вновь стало расти, и все большее число нужд и в большем числе сфер и регионов обеспечивается за счет энергии ветра.

На рубеже последней четверти XX в. ветроустановки вновь более широко начали применять в США, Австралии и Новой Зеландии, Латинской Америке и Греции, в Испании и странах Африканского континента, в Индии и других странах. Серийно выпускают насосные и электрические ветроагрегаты фирмы США, Франции, Великобритании, Австралии, Аргентины, Мексики, Голландии, Индии. Значительные исследования, конструкторские и технологические разработки в области ветроэнергетики проводят американские, канадские, датские, английские, французские, шведские, индийские ученые и инженеры, ведутся строительство и испытания демонстрационных установок, создаются протекционистские условия для расширения масштабов применения устройств, использующих нетрадиционные энергоресурсы.

ветродвигатель аэродинамический экономический энергетика

2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

США. К середине XIX в. США было построено более 6 млн. малых ветродвигателей с единичной мощностью до 0,75 кВт, которые использовались для выработки электрической энергии, подъема воды и выполнения других работ. Свыше 150 тыс. ветродвигателей работают до настоящего времени.

Для подъема воды обычно используются ветродвигатели с цельнометаллическими ветроколесами диаметром 3,7--4,9 м, вращающимися на горизонтальном валу и снабженные хвостовым оперением для ориентации ветроколеса по направлению ветра. Вал соединяется системой передач со штангой, которая совершает возвратно-поступательные движения и приводит в действие насос, установленный у основания башни. Ветроколесо такого типа диаметром 3,7 м развивает мощность около 120 Вт при скорости ветра 6,7 м/с и может поднять 160 л/мин воды на высоту около 7 м.

ВЭУ небольшой мощности выполняются обычно с двух- или трехлопастным ветроколесом крыльчатого типа, соединенным через редуктор с генератором постоянного тока. Они снабжаются также системой аккумулирования энергии, чаще всего аккумуляторной батареей. Многие ветронасосные установки используются до настоящего времени на западе США для целей водоснабжения в некоторых отдаленных местностях. Однако большинство ВЭУ были вытеснены начиная с 1930 г. энергосистемой, созданной REА, обеспечившей централизованным энергоснабжением большинство ферм США.

Наибольшей действующей ВЭУ была установка "Смит--Путнэм". После длительных исследований по влиянию размеров ВЭУ на ее эффективность, проведенных в 1930 г., Путнэм пришел к выводу, что для получения минимальной стоимости вырабатываемой электрической энергии требуются ВЭУ больших размеров. При участии известного аэродинамика Кармана и ряда сотрудников MIT он разработал ветродвигатель большой мощности для выработки энергии с целью питания существующей электросети Сеntral Vermont Рublic Service Company. Фирма S. Morgan Smith Company (г. Йорк, Пенсильвания) спроектировала и испытала в работе установку в начале 1940 г. Двухлопастное ветроколесо крыльчатого типа диаметром 53 м и массой 16 т развивало мощность 1,25 МВт при расчетной частоте вращения 28 об/мни.

В марте 1945 г. после периодической работы в течение нескольких лет одна из лопастей получила повреждение у втулки, где предварительно отмечались определенные деформации, которые не смогли быть устранены вследствие нехватки материалов в условиях военного времени. Всесторонние экономические исследования показали, что ВЭУ в случае ее восстановления в то время не могла конкурировать с электрическими установками обычного типа. Поэтому от се дальнейших исследований отказались.

Дания. В конце XIX в. в Данин было около 3 тыс. ветродвигателей, которые использовались в промышленности, и около 30 тыс. ветродвигателей других типов, применявшихся для бытовых целей Общая их мощность составляла около 200 МВт. В 1890 г. правительство Дании приступило к проведению широкой программы развития ВЭУ большой мощности. В 1910 г. было построено несколько сотен таких ВЭУ. Они имели четырехлопастные ветроколеса диаметром 23 м, установленные на башне высотой 24 м и соединенные механической передачей с электрическим генератором, расположенным у основания башни. Расчетная мощность генератора изменялась от 5 до 25 кВт.

В периоды первой и второй мировых войн энергия, вырабатывавшаяся ВЭУ такого типа, покрывала лишь небольшую часть потребности страны в электроэнергии. В этот период было установлено, что стоимость электроэнергии, вырабатываемой ими, примерно равна эквивалентной столмости топлива, потребляемого дизельной электрической установкой.

После второй мировой войны датчане разработали и испытали три экспериментальные ВЭУ с установленной мощностью 12, 45 и 200 кВт, предназначенные для работы в энергосистеме. Они успешно эксплуатировались до 1960 г. Разработка проекта была приостановлена, когда выяснилось, что стоимость вырабатываемой электроэнергии примерно вдвое превышала в то время эквивалентную стоимость энергии теплового двигателя.

Советский Союз. В 1931 г. вблизи Ялты была построена усовершенствованная ВЭС мощностью 100 кВт, работавшая на электрическую сеть напряжением 6,3 кВт совместно с тепловой электростанцией мощностью 20 МВт, находящейся от нее на расстоянии 32 км. Годовая выработка энергии составляла около 280 тыс. кВт-ч при коэффициенте использования энергии ветра 0,32. Генератор и регулирующие устройства были установлены на вершине башни высотой 30 м. Частота вращения ветроколеса регулировалась путем поворота лопастей. Башня имела наклонную опору, установленную на тележке, которая перемещалась по кольцевой направляющей для ориентации ветроколеса на ветер. Одновременно в 30-х годах в Советском Союзе рассматривался проект создания ветроэлектрической системы мощностью 5 МВт, но он не был реализован.

Великобритания. В конце 40-х и в течение 50-х годов значительные работы по созданию ВЭУ проводились в Великобритании. Измерения характеристик ветра были проведены в этот период в 100 местах на Британских островах.

В 1950 г. компания Vorth Scotland Hydroelectric Board провела разработку экспериментального ветродвигателя, установленного на Оркнейских островах. ВЭУ была рассчитана па мощность 100 кВт при скорости ветра 15,6 м/с. Она работала непродолжительное время в 1955 г. совместно с дизельной электростанцией, но использование ее было прекращено из-за трудностей, возникших при эксплуатации.

В 1950 г. фирма Enfield Cable Company построила оригинальные ВЭУ типа Андро мощностью 100 кВт и установила их в Великобритании и в Алжире. Установка имеет полую башню высотой 26 м II ветроколесо диаметром 24 м с пустотелыми лопастями, снабженными выходными отверстиями на концах. За счет возникающего перепада давлений воздух, поступающий через отверстия у основания башни, перемещается вдоль башни через расположенную в ней воздушную турбину и выбрасывается через отверстия на концах лопастей. Установлено, что эффективность ВЭУ с пневматической передачей мощности мала по сравнению с установками, снабженными ветроколесами обычного типа с горизонтальной осью вращения.

Франция. В период 1958--1966 гг. во Франции построено и работало несколько крупных ВЭУ. К ним относятся три установки с горизонтальной осью вращения трехлопастного ветроколеса крыльчатого типа, которые работали близ Парижа с перерывами с 1958 по 1963 г. Первая из них была рассчитана на мощность 800 кВт при скорости ветра 16,5 м/с. Ветроколесо диаметром 30 м, генератор и система передач общей массой 160 т были размещены на башне высотой 30 м. ВЭУ была снабжена синхронным генератором напряжением 3 кВ с частотой вращения 1000 об/мин при постоянной частоте вращения ветроколеса 47 об/мин и работала на общую сеть 50 Гц, 60 кВ. Напряжение повышалось до 60 кВ с помощью трансформатора, соединенного с сетью линией длиной 15 км.

Две другие установки были сооружены на юге Франции. Меньшая 113 них с ветроколесом диаметром 21 м и частотой вращения 56 об/мин работала с асинхронным генератором с номинальной частотой вращения 1530 об/мин и развивала мощность 132 кВт при скорости ветра 1^12,5 м/с. Большая из ВЭУ с расчетной мощностью 1000 кВт при скорости ветра 16,5 м/с имела массу 97 т (вместе с башней). Стоимость первой из ВЭУ составила 1155 долл/кВт, в то время как установки на юге---1000 долл/кВт (в ценах 1960 г.). Во Франции было также построено и испытано в этот период несколько экспериментальных установок с вертикальной осью вращения.

ФРГ. Под руководством Хюттера в ФРГ был проведен ряд усовершенствовании ВЭУ, в том числе легких ветроколес с постоянной частотой вращения и системой регулирования поворотом лопастей. Для ветродвигателей использовались легкие стеклопластиковые и пластиковые лопасти; генератор устанавливался на башне из пустотелой трубы небольшого диаметра, укрепленной проволочными оттяжками. Наибольшая из ВЭУ, развивавшая 100 кВт при скорости ветра 8 м/с, успешно работала в период 1957--1968 гг. Разработки нашли применение в некоторых наиболее совершенных ветродвигателях, строящихся до настоящего времени.

Конструкции стеклопластиковых лопастей, установленных на небольших опорах, и возможные повреждения лопастей исследовались в других странах на ветродвигателях больших размеров.

3. ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

К главным факторам, определяющим возможность использования энергии ветра, относятся метеорологические условия, выбор оптимального расположения ВЭУ, метод преобразования кинетической энергии ветра в электрическую, ее использование в общей системе энергоснабжения и, кроме того, экономическая эффективность.

Ниже описаны особенности и роль указанных факторов для ФРГ и приведены соответствующие данные, использованные при проведении настоящего исследования.

4. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Ветер как метеорологическое явление

Различия в балансе солнечного излучения, падающего на большие площади на разных географических широтах, с одной стороны, и между сушей и морями с другой, служат причиной глобальных перепадов давления, которые вызывают перемещения воздушных масс, называемые ветром. Ветер обладает скоростью и направлением, являясь векторной величиной. Скорость и направление зависят от влияния ряда сил, действующих, как и горизонтальном, так и в вертикальном направлениях на движущиеся воздушные массы.

В свободной атмосфере, ныне так называемого слоя трения толщиной 500-1000 м, трением воздушных масс о землю практически можно пренебречь; следовательно, при движении воздуха на него действуют сила, обусловленная градиентом атмосферного давления, и так называемая сила Кориолиса, порождаемая отклоняющим воздействием вращения Земли. Сила Кориолиса пропорциональна скорости ветра и действует перпендикулярно ей. Под действием обеих сил возникает так называемый геострофический ветер; он дует пара "дельно изобарам, линиям постоянного давления воздуха на данной высоте, с постоянной скоростью, пропорциональной градиенту атмосферного давления. Сила, обусловленная градиентом атмосферного давления, и сила Кориолиса, действующие перпендикулярно скорости ветра, взаимно ослабляют друг друга. Зона действия геострофического ветра ограничена высотами, на которых влияние сил трения воздуха о твердую поверхность земли пренебрежимо мало. Кроме указанных сил в слое трения, высота которого существенно изменяется в течение суток и в зависимости от времени года, с уменьшением высот возрастает влияние сил трения между поверхностью земли и невозмущенными ветровыми потоками. Из-за небольшой вязкости воздуха переход от слоя трения к невозмущенному потоку ветра практически всегда связан с образованием вихрей; это явление приводит к тому, что на тех высотах, которые по современным понятиям представляют интерес с точки зрения использования энергии ветра (около 300 м над землей), движущийся воздух на всех широтах является в сильной степени турбулентным, т.е. представляет собой исключительно неоднородную структуру как во времени, так и в пространстве.

Структура турбулентности определяется влиянием изменяющегося рельефа местности и температурной стратификации. Средняя скорость ветра растет с высотой, кроме того, его направление, как правило, изменяется с увеличением высоты.

Из-за влияния описанных выше факторов структура поля скоростей ветра на высотах, представляющих интерес для настоящего исследования, существенно изменяется в зависимости от местоположения, причем горные районы с их нестандартным распределением скоростей ветра по высоте, с одной стороны, и побережья с весьма резкими изменениями скорости и направления ветра из-за наличия ветров с суши и моря-с другой, можно отнести к двум крайним случаям. В районах побережий, представляющих особый интерес с точки зрения использования энергии ветра, из-за упомянутых ветровых течений может наблюдаться такая ситуация, когда в нижней половине зоны, в которой установлены ВЭУ, ветер дует с суши на море, а в верхней половине-с моря на сушу.

Как правило, поверхность моря значительно ближе к горизонтальной, чем поверхность суши, так что геострофический ветер над морем в гораздо меньшей степени возмущен, чем над сушей. Поэтому средняя скорость ветра над морем, как правило, выше. Таким образом, побережья или прилегающие районы, по крайней мере, с точки зрения метеорологических условий, более пригодны для сооружения ВЭС, чем районы в глубине материка.

Энергетические ресурсы ветра

Следует различать три вида энергетических ресурсов ветра:

природные ресурсы (теоретические ресурсы);

ресурсы, пригодные для практического использования (технический потенциал);

экономические ресурсы (экономический потенциал).

Природные ресурсы энергии ветра - это содержащаяся в нем кинетическая энергия. Наибольшая доля кинетической энергии ветра, которая в соответствии с законами природы и современным уровнем развития техники может быть преобразована в полезную энергию, составляет ресурсы, пригодные для практического использования. Доля последних, которую можно преобразовать в традиционный вид энергии с экономически оправданными затратами по сравнению с обычными энергоресурсами, относится к экономическим ресурсам.

Природные ветроэнергетические ресурсы составляют 1,5-2,5% солнечной энергии, поступающей на землю и непрерывно превращающейся в кинетическую энергию воздушных течений в атмосфере.

5. КРИТЕРИИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ВЭУ

Для использования энергии ветра наиболее пригодны места, обладающие следующими метеорологическими характеристиками:

высокой среднегодовой скоростью ветра как наиболее важным фактором, определяющим годовую выработку на одну ВЭУ.

Редко встречающимися условиями с высокой интенсивностью турбулентности воздушных потоков, т.е. в среднем незначительным изменениями направления и скорости ветра как предпосылкой работы ВЭУ без помех;

наличием доминирующего направления основных потоков ветра, что позволяет уменьшить площадь, необходимую для размещения многоагрегатной ВЭС.

Высокая среднегодовая скорость ветра и относительно слабая турбулентность (порывистость) потока наиболее характерны для районов побережья. Из-за ровной поверхности моря сильные ветры, зафиксированные на больших высотах, лишь немного ослабляются с уменьшением высоты и характеризуются значительно меньшей турбулентностью по сравнению с ветрами в глубине материка. Однако на побережьях приходится сталкиваться с ранее упомянутой проблемой береговых и морских ветров. Нижние и верхние участки лопасти ротора могут подвергаться одновременно воздействию воздушных потоков, движущихся в разных направлениях и резко отличающихся по скорости, что вызывает необходимость решения серьезных технических проблем.

При наличии явно преобладающих направлений основных потоке ветра расстояние между ВЭУ, требуемое для снижения эффекта "затенения", может быть сведено к минимуму, т.е. отдельные агрегаты могут быть поставлены ближе друг к другу в направлении, перпендикулярном основному направлению ветра. Таким образом, на данной территории можно будет разместить больше ВЭУ, что повысит выработку энергии с единицы площади.

Кроме метеорологических характеристик существенную роль в окончательном выборе места для использования энергии ветра играют другие факторы, а именно:

наличие транспортной сети и возможность включения в действующую энергосеть;

экономические факторы, например, такие, как цена на земли законодательные положения, такие, как закон об охране природы, правила безопасности полетов, охраны здоровья населения, в частности непосредственно проживающего в данном районе, например фермеров

отрицательные воздействия на окружающую среду, такие, как шум, искажение ландшафта и помехи для приема радио- и телепередач.

Для экономически эффективного использования энергии ветра цена земли также представляет собой важный фактор. Так, при сооружении большого числа ВЭС повышается цена на занятые под станции участки, которые становятся непригодными для использования в других целях, но одновременно падает цена на участки, находящиеся между отдельными установками, хотя эти участки еще могут быть использованы, например, под сельскохозяйственные культуры.

Следует также иметь в виду, что отдельные районы вследствие ограничений, накладываемых законом, вообще не подлежат рассмотрению как возможные местоположения будущих станций. Поэтому при анализе следует сразу исключить природные заповедники и те зоны, в которых сооружение ВЭС запрещено в соответствии с действующими предписаниями по строительству или ограничено из-за правил техники безопасности. Так, например, исключительно благоприятные для использования энергии ветра участки территории, подвергающиеся воздействию приливов и отливов (ватты), непригодны для этой цели, так как они объявлены природно-орнитологическим заповедником. Аналогично участки авиатрасс и зоны, непосредственно примыкающие к населенным пунктам, также не могут быть использованы под ВЭС.

Вопросы охраны окружающей среды, такие, как шум или искажение ландшафта, могут также ограничивать выбор места для станций. И, наконец, следует принимать во внимание ухудшение приема радио- и телепередач, связанное с работой ВЭУ.

6. УСЛОВИЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

В отличие от ресурсов традиционных жидких и твердых топлив на "добычу" и транспортирование энергии ветра затраты не производятся. Поэтому часто говорят, что ветер является "даровым" энергетическим источником. Отсюда у некоторых складывается мнение, что энергия, получаемая с помощью ветродвигателя, во всех случаях дешевая и даже практически тоже "даровая". Естественно, что это далеко не так. Нужно очень хорошо знать условия, чтобы определить, где и для каких целей выгодно использовать энергию ветра и когда целесообразнее и экономичнее применить энергетические установки других типов. При этом необходимо наиболее полно учесть требования потребителей, особенности ветра как энергоисточника, режимы работы ветроустановки и качество производимой энергии. Только комплексное рассмотрение всех факторов дает объективные результаты. На основании, которых можно судить об экономической целесообразности и технических возможностях применения в конкретных условиях тон или иной ветроэнергетической установки.

Ветер является случайным неуправляемым явлением, вызванным действием Солнца и вращением Земли. Одна из характерных особенностей ветра как энергетического источника заключается, прежде всего, в его непостоянстве, которое обусловлено главным образом большой изменчивостью скоростей. Это приводит к изменению кинетической энергии ветрового потока в больших пределах даже в течение относительно малых промежутков времени: от нулевой энергии при штиле к до во много раз превышающей расчетную в периоды буревых и ураганных усилений скорости. Отсюда - непостоянство мощности, развиваемой ветроэнергетической установкой. Поэтому, чтобы при определенных скоростях ветра (выше расчетных) сохранить мощность ветроагрегата почти неизменной, предохранить его от перегрузок и обеспечить заданную частоту вращения ветроколеса и присоединенных к ветродвигателю рабочих машин, приходится применять автоматические системы регулирования или ограничения мощности и частоты вращения. Малая плотность воздуха является причиной относительно низкой концентрации энергии в потоке, приходящейся на единицу площади его поперечного сечения. В связи с этим для того, чтобы получить ощутимую мощность, необходимо использовать агрегаты с ветроколесами достаточно большого диаметра.

Но ветер изменяет не только свою скорость, но и направление. Дня наиболее полного использования энергии потока ветроколесо (или любой другой рабочий орган, преобразующий кинетическую энергию ветр" в механическую энергию) должно занимать определенное положение относительно ветрового потока. Поэтому необходимо ветродвигатели многих типов оборудовать системами автоматической ориентации. Для двигателей крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения задачей системы является установка ветроколеса в нужном направлении так, чтобы плоскость ею вращения была перпендикулярна вектору скорости ветра.

Наконец, в течение определенного, более или менее длительного периода имеют место энергетические затишья, во время которых скорости ветра недостаточны для работы ветроагрегата. Поэтому в зависимости от конструкции, типа и назначения агрегата приходится предусматривать те или иные аккумулирующие устройства, резервные двигатели или установки, дублирующие мощность ветроагрегата, благодаря которым удается обеспечить бесперебойную и по заданному графику подачу потребителю механической, электрической энергии, теплоты, воды или продукта технологической переработки (например, муки, измельченного корма, водорода и кислорода, получаемых при электролизе воды, и т.д.).

Принципиальный же подход заключается в том, что для эффективного использования энергии ветра в каждом конкретном случае должна быть определенная совокупность ряда факторов: высокие значения Среднегодовой скорости ветра и соответствующая повторяемость его направлений; возможно меньшие вариации скоростей ветра и их направлений; наилучшее совпадение графиков изменения мощности ветрового режима и потребности в энергии; наличие транспортной сети и удобных для установки ВЭУ или ВЭС участков; отсутствие при работе ветроустановок шума, помех радио- и телевизионному приему и др.

7. ТИПЫ ВЕТРОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ

Разработаны ветроприемные устройства многих типов, на которые получено больше патентов, чем на устройства любого другого тина. По существу, это устройства, имеющие такие конфигурации, благодаря которым в ветровом потоке возникают несимметричные силы, они могут вращаться, поступательно перемещаться или вибрировать. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветроприемные устройства могут быть классифицированы следующим образом (рис. 1):

с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока (применяется у обычных ветряных мельниц);

с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра (подобные водяному колесу);

с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока.

Известны также поступательно движущиеся ветроприемные устройства, к которым можно отнести парусное судно, в том числе с гидравлической турбиной, механически соединенной с электрическим генератором. Предлагалось парусное ветроприемное устройство, движущееся по замкнутому рельсовому пути на колесах, которые механически соединяются с электрическим генератором. Другой тип поступательно движущегося устройства разработан для получения энергии при колебаниях в ветровом потоке. Разработаны также устройства для преобразования энергии ветра в электроэнергию без использования движущихся частей. К ним относится, например, устройство, в котором для выработки электрической энергии на основе термоэлектрического эффекта Томсона используется процесс охлаждения в ветровом потоке.

8. РЕСУРСЫ ВЕТРА И ВЕТРОВЫЕ ЗОНЫ БЫВШЕГО СССР

Примерно до середины 60-х годов в литературе нередко приводились данные об энергии ветра, которую можно получить с 1 км² земной поверхности или с какой-либо территории. Так, подсчитана потенциально возможная суммарная установленная мощность ветроэнергетических агрегатов по территории бывшего СССР (около 11 млрд. кВт) и ежегодная выработка ими энергии (более 1,8?10¹³ кВт-ч) при полном использовании всех ресурсов.

Потенциальная годовая энергия, которая может быть получена посредством ветроагрегатов со всей поверхности Земли, равна 13?10¹² кВт-ч. Практически автор считает возможным использовать не более 10-20%, указывая, что увеличение этих значений зависит от наличия аккумулирующих устройств с большой энергоемкостью или потребителей, способных эффективно использовать изменяющуюся мощность при значительных ее флуктуациях, в том числе и максимальную (например; ночью при сильном ветре, в периоды, когда нет другой на грузки, и др.).

В последнее десятилетие многие авторы справедливо указывают, что специфика ветра как энергетического источника, характер и техника его использования делают подобные расчеты, и приводимые цифры в некоторой мере абстрактными, которые не всегда могут быть реализованы на практике. Безусловно, потенциальные возможности использования энергии ветра во многих зонах практически не ограничены. Однако они постоянно изменяются в зависимости от уровня совершенства и характеристик технических средств, утилизирующих энергию тех высот, на которые можно проникнуть с новыми ветродвигателями, от изменения структуры общего энергетического баланса в стране, экономических критериев и показателей, в ряде случаев даже конъюнктуры, как внутренней, так и внешней.

Например, применение тропопаузных ВЭС может существенно увеличить долю практически используемой ветровой энергии, широкое развитие сетей и электрификации удаленных районов изменяют сферы и масштабы рационального применения ВЭС; создание автоматически управляемых с помощью компьютеров ветроэнергетических систем, используемых для параллельной работы с местными или мощными государственными электрическими системами, изменяет величину ресурсов ветра, которые практически могут быть использованы с заданными экономическими показателями.

Здесь важно подчеркнуть, что нет единообразного понимания некоторых терминов. В нашей стране под термином ресурсы или природные запасы понимают глобальную величину энергии ветра, которую потенциально можно использовать в будущем: практически они неисчерпаемы. Понятно, что в каждый конкретный период времени, характеризуемый определенным уровнем развития науки, техники и технологии, соотношением экономических показателей производства энергии, рациональный уровень использования "ресурсов" будет изменяться, и для той ее части, которую на определенном этапе выгодно утилизировать, применяют термин "запасы" ("резервы").

В некоторых зарубежных странах (например, в ФРГ, США и др.) ту часть природных запасов, которую в соответствии с известными законами природы, используя современные достижения науки и техники, можно максимально преобразовывать в полезную энергию, называют "ресурсами, возможными для техническою использования". Часть этих ресурсов, которая приемлема (по экономическим или другими показателям) к применению в сравнении с другими энергоисточниками, считают годной к экономическому использованию естественно, что природные "запасы" ветра, как таковые, остаются, конечно, неизменными, и они не зависят от человека.

Специфика работы ВЭУ, их характеристики и устройство таковы, что трудно, например, использовать ураганные ветры, так как для этого потребовалось бы сооружать чрезвычайно материалоемкие и дорогие ветродвигатели. Между тем энергия ураганов - колоссальная. Для примера укажем на ураган необычайной силы, обрушившийся на северную Англию в феврале 1971 г. В течение почти целых суток скорость ветра доходила до 75 м/с. Это означает, что по сравнению с обычно применяемыми агрегатами, для которых расчетная скорость ветра установлена 8-10 м/с, можно было бы получить мощность, соответственно в 400 - 750 раз большую.

Расчеты показали, а наблюдения подтвердили, что, например, на п-ове Таймыр ежегодно возможны ветры со скоростью 36 м/с, а со скоростью 48 м/с -- 1 раз в 20 лет. Однако получение мощности в 400 - 750 раз больше расчетной в течение очень короткого периода времени не компенсирует дополнительных затрат на сооружение ветроагрегата, способного выдержать нагрузки, соответствующие столь большой мощности. Другое дело, когда речь идет о часто повторяющихся скоростях ветра порядка 15-20 м/с. Так, на о. Диксон в среднем 23% долей в году имеется ветер со скоростью более 15 м/с, а над отдельными открытыми местами суммарная длительность периодов с сильным ветром доходит до 170 дней в год. На берегу Самарского водохранилища в Грузии более 15% измерений ветра фиксировали скорости выше 15 м/с.

Поэтому более или менее реальные подсчеты ресурсов энергии ветра, дающие не только качественный, но и количественный прогноз, могут базироваться только на конкретных технических решениях, применяемых для определенных целей, предназначенных для использования в воздушном слое конечной толщины, находящемся на заданной высоте, т.е. в слое, в котором будут работать ветроэнергетические установки (толщину слоя нужно принимать равной диаметру ветроколеса). Естественно, что и число ветродвигателей, устанавливаемых на определенной площади, нужно подсчитывать не только и не столько из физических возможностей, диктуемых соображениями аэродинамики и недопущения вредного взаимного влияния ветроколес, а выбирать путем реалистического подхода с учетом потребности в энергии, экономики, расположения объектов, их характеристик и особенностей, рельефа местности, наличия других энергоисточников и прочих условий.

Многолетний отечественный и зарубежный опыт показывает, что использование ветроэнергетических агрегатов небольшой мощности (до 5--6 кВт) почти всегда экономически оправдано в зонах, имеющих 3,5-4 м/с, а применение ВЭС большой мощности оправдано в тех случаях, когда превышает 5,5-6 м/с. Основные зоны бывшего СССР, характеризуются довольно большими скоростями ветра (период наблюдения -- 10 лет). Среднегодовая скорость на высоте флюгера 5 м -- 3,3 м/с, 10 м -- 4,2 м/с.

Над территорией нашей страны струйные течения наиболее характерны для европейской части СССР, Западной Сибири, Чукотки и Камчатки, а также для некоторых зон Средней Азии и Казахстана. Здесь размеры течений достигают 4-6 км по толщине, несколько сотен километров в поперечнике, а их протяженность часто превышает 1000 км. Обычно они не претерпевают больших сезонных изменений, но, располагаясь, как правило, на высоте 8-12 км, могут подниматься на высоту до 14-16 км, а над Восточной Сибирью и Чукоткой, наоборот, опускаться до высоты 3 --4 км над поверхностью Земли.

Карта-схема (см. Приложение 1) дает представление о средней интенсивности ветра в различных районах страны. Указанные значения позволяют подсчитать теоретическую и реальную (потенциально возможную - прогнозную) выработку конкретного ветроэнергетического агрегата или группы таких агрегатов в соответствии с методикой, изложенной в предыдущей главе. На карте показаны также типы агрегатов, применение которых эффективно в соответствующих зонах, и средние значения коэффициентов использования установленной мощности, определяемых отношением реальной выработки А_р ветроэнергетического агрегата к максимальной выработке, которую он мог бы дать, работая весь период времени с установленной мощностью Р_уст, развиваемой им при расчетной скорости ветра.

Для решения вопросов, связанных с использованием ветроэнергетических установок, в первую очередь ВЭС большой мощности, важно знать повторяемость скоростей ветра при значениях, равных или больших определенной величины. Для многих зон принимают скорость 8 м/с. Работы по определению зон с равными значениями повторяемости выполняли различные организации, и их результаты представлены на картах изотахами - линиями, соединяющими географические пункты с одинаковыми значениями повторяемости.

На карте-схеме (см. приложение 2), являющейся фрагментом полной схемы, подготовленной НПО "Ветроэн", показаны для примера некоторые изотахи, характеризующие повторяемость скоростей более 8 м/с в отдельных зонах страны.

Оценка эффективности использования энергии ветра с государственной точки зрения

Государственная оценка базируется, прежде всего, на принципе минимизации стоимости производства и распределения 1 кВт-ч электроэнергии для данного региона. Однако с государственной точки зрения эта проблема значительно сложнее, чем с точки зрения предпринимателя.

Во-первых, понятие затрат истолковывается более широко. Если производство электроэнергии связано с дополнительными затратами, которые не отражаются на бюджете предпринимателей, то они все равно сказываются на экономике страны и в конечном счете затрагивают интересы общества в целом. Например, нанесение ущерба здоровью населения путем загрязнения воздушного бассейна, вызванного работой электростанций на ископаемом угле, связано с увеличением расходов на здравоохранение и. следовательно, страховых взносов в больничные кассы. При государственной оценке затраты этого вида относят к стоимости производства электроэнергии. Чтобы учесть эти затраты при планировании капиталовложений и сбыта предпринимателями-поставщиками электроэнергии, следует облагать последних соответствующим налогом и тем самым воздействовать на отпускные цены.

Ситуация несколько изменяется в случае появления затрат государства, обусловленных ожидаемым в обозримом будущем сокращением первичных энергоресурсов, которое в настоящее время еще не учитывается рынком. Так, например, дефицит нефти ожидается уже в 80-х годах, и неизбежным процесс адаптации вызовет рост общегосударственных расходов, который пока не отражается в ценах на нефть и поэтому не влияет на политику капиталовложений фирм-поставщиков элек1роэнергии. В этом случае также было бы целесообразным . с помощью соответствующих налогов отразить обозначившуюся тенденцию к сокращению первичных энергоресурсов в современной политике капиталовложений владельцев энергоснабжающих предприятий, чтобы принятые ими решения по размеру и направлению капиталовложений соответствовали бы ситуации на рынке к моменту, когда эти новые капиталовложения уже будут реализованы в производстве.

В случае минимизации затрат при государственной оценке следует также учитывать тот факт, что конкурирующие способы производства оцениваются с тех же самых исходных позиций. Если, например, сооружение электростанций на каменном угле, добываемом в ФРГ, субсидируется правительством, поскольку в этом случае активизируется использование отечественных первичных энергоресурсов и тем самым повышается надежность энергоснабжения, ВЭС должны получать соответствующие дотации на аналогичных основаниях.

Другим примером могут служить государственные гарантии, предоставляемые при строительстве электростанций, работающих на угле и ядерном топливе. В этих гарантиях в качестве субсидии выступает страховая премия, которую в случае частного страхования должен был бы платить предприниматель по страхованию от риска. При сравнительном расчете стоимости энергии эта страховая премия также должна была бы увеличивать расходы на строительство упомянутых выше электростанций или входить в сумму кредитов, предоставляемых на сооружение и эксплуатацию ВЭС. Аналогичным образом следует учитывать и компенсацию риска на атомных электростанциях, которую лишь частично берут на себя владельцы таких станций.

Экономическая эффективность использования энергии ветра зависит от режимов и длительности работы установки: применяется ли она сезонно, периодически или в течение всего года. В последнем случае, а также если работа ветродвигателя обеспечивается в течение всего времени, пока есть ветер соответствующей скорости, а нагрузка всегда соответствует развиваемой мощности, от агрегата можно получить наибольшую выработку, что снижает удельные затраты на производство электроэнергии и снабжение ею потребителей.

Важнейшим условием повышения экономических показателей ветроэнергетики является наиболее полное соответствие характеристик агрегата ветровому режиму - с одной стороны, а с другой - особенностям потребителя. В этом смысле главным является нахождение оптимальных расчетных скоростей ветра, определяющих установленную мощность, и скорости потока, при которой вступает в действие система автоматического регулирования, ограничивающая развиваемую ветроколесом мощность. Уровень значений минимальных рабочих скоростей ветра для агрегата должен быть по возможности низким, что бы можно было использовать больший диапазон скоростей. Этому способствуют также хорошие динамические качества и высокая приемистость агрегата, т.е. способность ветроколеса быстро разгоняться и выходиться на рабочий режим. Естественно, что при прочих одинаковых условиях более простой по конструкции и в обслуживании агрегат, имеющий требуемую надежность и высокий коэффициент полезного действия, является и более экономичным.

Однако в зависимости от конкретных условий и целей эффективности использования ВЭУ может оцениваться и другими критериями, которые должны рассматриваться или в качестве главных, или как критерия оптимальности варианта, т.е. примыкающие к главному (основному) критерию. Речь идет о затратах труда на производство энергии, экономии топлива, т.е. его количестве, замещаемом другим энергоносителем, удельных капиталовложениях, инвестициях, необходима для охраны окружающей природной среды, и т.д.

Следует обратить внимание на то, что при прочих одинаковых условиях приведенные затраты на производство 1 кВт-ч электроэнергии и удельные капитальные вложения на 1 кВт установленной мощности зависят от размеров ветроустановки: с увеличением диаметра ветроколеса удельные затраты и вложения снижаются, но только для определенных границ мощности. При дальнейшем увеличении диаметра эти показатели в одних случаях могут стабилизироваться, в других - начинают увеличиваться вследствие, например, резкого возрастания стоимости ветроколеса, худшего использования малых скоростей ветра и других причин и факторов.

Для повышения эффективности использования энергии ветра в определенном районе, улучшения экономических показателей важно, чтобы скорости ветра различных градаций были более равномерно распределены на протяжении всего года, а вероятность буревых скоростей ветра была бы меньшей. В этом случае уменьшается вероятность периодов длительных энергетических затиший. Кроме того, если часто повторяются большие скорости ветра, то агрегат нужно делать более прочным, что повышает затраты на его изготовление.

Использовать буревые скорости ветра обычно невыгодно, так как они повторяются относительно редко, а конструировать двигатель для использования всей мощности потоков, имеющих экстремальные скорости, значит существенно увеличить материалоемкость установки при малом числе часов использования установленной мощности. Таким образом можно считать, что использование ветроэнергетических установок потенциально является экономически выгодным в тех зонах, где у„ превышает определенную величину, а кривая распределения дает наиболее частую повторяемость скоростей в диапазоне 4--9 м/с.