Ветроэнергетика - это отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств преобразования ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию, которое может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

Наука не стоит на месте, и как итог ветроэнергетика сегодня переживает второе рождение. Постоянно растущие потребности человечества в энергии сегодня удовлетворяются в основном за счёт переработки традиционного топлива. Количество этого топлива ограничено, и как следствие мир столкнётся с серьёзными энергетическими проблемами. Запасы традиционных источников энергии однажды будут исчерпаны, и этот факт заставляет вести активные поиски альтернативных источников энергии.

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как это переработанная энергия солнца. Неравномерный нагрев лучами солнца земной поверхности и воздушных масс, находящихся над ней, вызывает постоянные перемещения воздуха из более холодных мест в более тёплые. Воздушные массы, нагретые до более высоких температур, имеют меньшую плотность и поднимаются вверх, а на их место приходит воздух с меньшей температурой, плотность которого выше.

Таким образом, воздушные массы всё время перемещаются и перемещаются как в вертикальном направлении, так и горизонтально. Эти перемещения имеют очень сложный характер и зависят от многих причин. Постоянные перемещения воздушных масс в горизонтальных направлениях называются ветром. Как и всякое движущееся тело, ветер имеет определённый запас кинетической энергии, которую можно преобразовать в механическую, используя ветроустановки.

ветроэнергетика установка энергия преобразование

Наша планета получает от солнца 1 000 000 000 000 мегаватт энергии в час, но из этой энергии всего 1-2% преобразуется в движение воздушных масс. Не смотря на это энергия ветра очень огромна. По оценке Всемирной метеорологической организации, энергия ветра составляет 170 трлн. кВт часов в год, это в несколько раз больше чем всё производство электроэнергии в мире на сегодняшний день.

Эту электроэнергию можно перерабатывать практически не нанося ущерб окружающей среде.

Все существующие ветроустановки преобразуют энергию ветра в механическую энергию с помощью ветроприемного устройства (ветроколеса). Главным элементом устройства являются лопасти, которые придают ветроколесу вращающий момент при воздействии на них воздушного потока. Поэтому эффективность любой ветроустановки будет сильно зависеть от количества лопастей, а так же от их формы.

Ветроэнергетические установки достигли сегодня уровня коммерческой зрелости. Применение современных технологий позволяет производителям выпускать очень эффективные и недорогие ВЭУ малой мощности - (до 10 Кв). Кроме этого в мире есть очень много людей которые занимаются самостоятельным изготовлением ветрогенераторов, находя в этом здоровое творчество, а иногда и решая собственные энергетические проблемы.

Ветроустановки с горизонтальной осью вращения получили наибольшее распространение. Они бывают как тихоходные, (многолопастные или парусные) так и быстроходные (двух или трёх лопастные). Быстроходные ветроустановки следует выбирать для местности со среднегодовой скоростью ветра от 7 м/сек и выше. В районах где скорость ветра более низкая, предпочтительно устанавливать тихоходные ветряки. На территории России в большинстве случаев наиболее применимы тихоходные ветроустановки. Самые лучшие из них пожалуй парусные ВЭУ. Эта установка начинает вырабатывать электричество уже при скорости ветра от 2.5 м/сек. Оригинальная конструкция ветроколеса позволяет обходиться без флюгера или других устройств ориентирования на ветер.

Ветроустановки с вертикальной осью вращения менее популярны, но вполне заслуживают отдельного внимания. В некоторых случаях они более актуальны. Вертикальные ВЭУ также бывают быстроходные и тихоходные. Классический пример вертикального тихоходного ветряка это - ветроустановка карусельного типа. Ещё один тип вертикольно-осевых установок - ортогональные. По мнению специалистов, ортогональные ветроустановки это удел большой энергетики. Основная особенность этих установок, это необходимость принудительного запуска. Лопасти этой конструкции имеют профиль такой же как у крыла самолёта, который прежде чем опереться на подъемную силу крыла должен сначала разбежаться. В случае с ортогональной ветроустановкой, её сначала необходимо раскрутить до необходимой скорости, для того что бы она перешла в режим генерации. Есть так же ортогональные ветрогенераторы и с горизонтальной осью вращения.

Гибридная ветрофотоэнергетическая установка содержит лопастную ветровую турбину с особыми направляющими внутри вытяжного цилиндра ("генератор вихря") с вертикальной осью вращения, расположенной внутри воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси ветровой турбины, и фотоэлектрический преобразователь световой энергии, элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата. Благодаря такому решению увеличивается объем электроэнергии, вырабатываемый установкой, и ее работа становится более стабильной при постоянно меняющейся силе ветра и количестве солнечного света.

Наряду с описанными, существуют такие ветроустановки как: ротор Савониуса; ветроустановка с аэродинамической передачей; вихревая ветроэнергетическая установка; ветроустановка с пневматической связью; шоссейная ветроэлектростанция и др.

Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.

Воздушные потоки у поверхности Земли/моря являются ламинарными - нижележащие слои тормозят расположенные выше. Этот эффект заметен до высоты 1 км, но резко снижается уже на высотах больше 100 метров. Высота расположения генератора выше этого пограничного слоя одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности. Современные генераторы (2010 год) уже вышли на этот рубеж, и их количество резко растёт в мире. Ветрогенератор начинает производить ток при ветре 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при ветре 15 м/с. Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в восемь раз.

Беларусь не располагает собственными топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР). Лишь 15% собственных ТЭР покрывают потребности страны, остальные 85% импортируются - в основном из России. В последние годы наблюдается постоянный рост цен на топливо и импортируемую электроэнергию. Этот рост будет иметь место и далее до достижения мировых цен. В связи с этим для Беларуси чрезвычайно важно включать в топливно-энергетический баланс вторичные энергоресурсы и возобновляемые источники энергии, одним из которых является ветер.

Ветроэнергетика, как и любая отрасль хозяйствования, должна обладать тремя обязательными компонентами, обеспечивающими ее функционирование:

1) ветроэнергетическими ресурсами,

2) ветроэнергетическим оборудованием,

3) развитой ветротехнической инфраструктурой.

1. Для ветроэнергетики Беларуси энергетический ресурс ветра практически неограничен. В стране имеется развитая централизованная электросеть и большое количество свободных площадей, не занятых субъектами хозяйственной деятельности. Поэтому размещение ветроэнергетических установок (ВЭУ) и ветроэлектрических станций (ВЭС) обусловливается только грамотным размещением ветроэнергетической техники на пригодных для этого площадях.

2. Возможности приобретения зарубежной ветротехники весьма ограничены вследствие отсутствия достаточного выбора именно того оборудования для ВЭУ и ВЭС, которое соответствует климатическим условиям Беларуси, а также мощного противодействия ответственных административных работников от официальной энергетики.

3. Отсутствие инфраструктуры по проектированию, внедрению и эксплуатации ветротехники и, соответственно, практического опыта и квалифицированных кадров можно преодолеть только в ходе активного сотрудничества с представителями развитой ветроэнергетической инфраструктуры зарубежья.

Специалисты Республиканского гидрометеоцентра активно продолжают исследования ветрового потенциала Беларуси.

Учеными готовится Атлас ветров, который будет использован для оценки площадок, где можно развернуть ветроэнергетические установки. Атлас ветров - очень важный документ, который позволит оценить изменения ветрового потенциала нашей страны в условиях изменяющегося климата. Больше всего подходят для создания ветропарков северная и северо-западная часть территории Беларуси - Минская, Витебская и Гродненская области. Это связано прежде всего с местным ландшафтом - ветропарки устанавливают обычно на возвышенности. Меньше подходят для этих целей Гомельская, Могилевская и Брестская области. "Надо отдавать себе отчет в том, что одни только ландшафтные условия не являются основанием для привлечения инвестиций в ветроэнергетику. Необходимо наличие автомобильных дорог или других подъездных путей к местности, где планируется установка ветропарков, наличие линий электропередач, на которые будет сбрасываться энергия ветра, нужно учитывать также среднегодовую фоновую скорость ветров. Только при таких условиях можно говорить о высокой экономической эффективности проектов. Расход и оплата электроэнергии, получаемой из альтернативных источников энергии, предусмотрен по отдельной схеме расчета, по другим тарифам. Нужно создавать мощный, экономически выгодный конгломерат. Ветроустановки как отдельное сооружение не эффективны.

В законе "О возобновляемых источниках энергии" определены конкретные подходы получения энергии, в том числе из альтернативных источников. До 2015 года в Беларуси около 30% энергоресурсов необходимо получать из местных или альтернативных источников.

Теоретический вопрос №10. В чем суть балльной оценки природных ресурсов как природно-ресурсного потенциала страны? Укажите основной недостаток этой системы оценки.

Под природно-ресурсным потенциалом понимают совокупность природных ресурсов региона, которые используются или могут быть использованы в хозяйстве с учетом тенденций научно-технического прогресса. Величина природно-ресурсного потенциала может быть определена как сумма потенциалов отдельных видов природных ресурсов (минеральных, водных, лесных, земельных и др.) и зависит от целого ряда факторов. Важнейшими из них являются: численность имеющихся в регионе природных ресурсов (чем больше ряд естественных ресурсов, вовлеченных и подлежащих использованию в процессе производства, тем больше величина природно-ресурсного потенциала), их количественные и качественные характеристики (величина запасов, содержание полезного вещества, мощность пластов и т.д.), комплексность использовании каждого вида природных ресурсов.

Количественная оценка природно-ресурсного потенциала территории возможна только в том случае, если частные потенциалы отдельных видов природных ресурсов будут исчисляться по единому принципу.

В теоретических и прикладных изысканиях проблеме оценки ресурсов природы стали уделять внимание сравнительно недавно - не более трех - трех с половиной десятилетий назад. Первоначально на смену натуральным показателям количественных и качественных характеристик природных ресурсов (объемы запасов, продуктивность, мощность пластов, глубина залегания и т.п.) пришла балльная оценка (ее называли также технологической или производственной). Она направлена на сопоставление однородных природных ресурсов с точки зрения благоприятности их использования с той или иной целью. Ее показатели - баллы, категории, степени, классы (леса I, II,., V класса бонитета, земли I, II,., X категории и т.п.). Технологическая оценка может иметь и словесное выражение: ограниченно пригодно к использованию, пригодно без ограничений, непригодно к использованию.

Однако балльная оценка позволяет сравнить лишь одноименные виды ресурсов (различные по плодородию земли, месторождения полезных ископаемых одного вида и т.п.), но с ее помощью невозможно сопоставить ценность природных ресурсов с ценностью других средств производства или ценность разнотипных видов естественных ресурсов. Поэтому в ресурсооценочных работах все больше внимания стало уделяться стоимостной, или собственно экономической оценке.

Трудности экономической оценки связаны с тем, что естественные ресурсы, пока в них не вложен труд, представляют собой "дар природы" и поэтому, согласно трудовой теории стоимости, не могут иметь стоимости.

Однако в современных условиях воспроизводство естественных благ перестало быть чисто природным процессом. Значительные трудовые затраты общества расходуются не только на эксплуатацию ресурсов природы, но и на поддержание их в продуктивном состоянии, выявление запасов, организацию учета и охраны, улучшение качества и т.п.

Поскольку ресурсы природы различаются по качеству и удобству местоположения, при использовании относительно лучших источников энергии и сырья предприятие затрачивает меньшее количество труда, то есть производит продукцию меньшей стоимости. Иными словами, от природных (качественных) особенностей естественных ресурсов зависит, в конечном итоге, эффективность производства, что также может служить мерилом их ценности.

Одной из важнейших задач экономической оценки является определение материального ущерба, наносимого обществу при изъятии из хозяйственного оборота природных богатств (оценка ущерба от затопления земель при строительстве водохранилищ, от изъятия земель для гражданского строительства и т.п.).

Экономическая оценка лежит и в основе платности природопользования, что создает материальную заинтересованность предприятий в рациональном использовании ресурсов природы, совершенствовании технологических процессов по пути сокращения выбрасываемых в окружающую среду отходов.

Информационной базой данных для осуществления экономической оценки природных ресурсов служат ресурсные кадастры - систематизированные своды сведений, количественно и качественно характеризующие определенный вид природных ресурсов. Традиционная система учета природных ресурсов (кадастр месторождений и проявлений полезных ископаемых, земельный, водный кадастры, кадастр рыбных и лесных ресурсов и др.) далека от совершенства: показатели отдельных кадастров несопоставимы по содержанию; имеющаяся кадастровая информация охватывает не все природные объекты и ресурсы т.д. Однако недостатки ресурсных кадастров не умаляют их ценности в качестве банков информации для создания новой информационной системы, которая должна отвечать возросшей роли территориального аспекта управления рациональным природопользованием. Основой такой системы может стать комплексный территориальный кадастр природных ресурсов (КТКПР), который представляет собой банк территориально-организованных данных о природно-ресурсном потенциале конкретной территории и экологической ситуации в регионе (в заданный момент времени).

Необходимость создания КТКПР обусловлена проведением экономической реформы и переходом к рыночным отношениям, передачей многих функций управления на региональный уровень.

Постепенно сложились следующие основные направления использования оценок природных ресурсов:

1) в массовых планово-проектных расчетах по обоснованию изменений характера использования данного ресурса (отводы сельскохозяйственных или лесных угодий под строительство и т.п.);

2) в учетно-аналитических разработках (ведение кадастров природных ресурсов, исчисление национального богатства с оценкой природной составляющей и т.п.);

3) при перспективном планировании и прогнозировании (разработка комплексных схем рационального использования и охраны природных ресурсов и др.);

4) для целей совершенствования системы экономического стимулирования (платежи за использование природных ресурсов, изменение ценовых пропорций в народном хозяйстве и т.п.).

Наиболее важным на практике считалось первое направление, меньше экономические оценки природных ресурсов использовались для второго и третьего. Понимая значимость четвертого направления, специалисты-"оценочники" делали акцент на его применении в перспективе, поскольку оно было связано с кардинальными изменениями структуры цен в народном хозяйстве, что требовало проведения серьезной экономической реформы, невозможной в условиях командно-бюрократической системы.

Задача. Рассчитать массу выбросов вредных веществ в воздух, поступающих от автотранспорта, и количество чистого воздуха, необходимое для разбавления выделившихся вредных веществ и обеспечения санитарно допустимых условий окружающей среды на участке автотрассы.

Результаты промежуточных расчетов следует оформлять в виде таблиц.

Таблица 1.

Рассчитаем количество выбросов вредных веществ в воздух, поступающее от автотранспорта на участке автотрассы, расположенного по улице Калинина, если протяженность участка составляет 3 км, а временной интервал - 1440 мин.

1. Определяем количество единиц автотранспорта, проходящего по участку в течение 1440 мин. Количество единиц автотранспорта за 1 ч рассчитывают, разделив на 24 исходное количество. Рассчитываем общий путь (L, км), пройденный количеством автомобилей каждого типа за час, по формуле

L = Ni ? l,

где Ni - количество автомобилей каждого типа; (i - обозначение типа авто транспорта (i = 1 для легковых автомобилей; i = 2 для грузовых автомобилей; i = 3 для автобусов; i = 4 для дизельных грузовых автомобилей); l - длина участка.

Таблица 2.

Рассчитываем количество топлива (Qi, л), сжигаемого двигателями автомашин, по формуле

Qi = Li · Yi,

где Li - общий путь каждого вида автотранспорта за 1 час;

Yi - удельный расход топлива;

Q1 = 774 · 0,12 = 92,88 л; Q2 = 18 · 0,31 = 5,58 л;

Q3= 12 · 0,42 = 5,04 л; Q4= 6 · 0,33 = 1,98 л.

Таблица 3.

Количество сожженного топлива каждым видом транспортного средства

Определяем общее количество сожженного топлива каждого вида (УQ) при условии использования вида топлива каждым типом автотранспорта в соотношении Nб / Nд (N - количество автомобилей с бензиновым (б) или дизельным (д) двигателем).

Таблица 4.

Количество сожженного бензина и дизельного топлива

Рассчитываем количество каждого из выделившихся вредных веществ по каждому виду топлива.

Таблица 5.

Количество каждого из выделившихся вредных веществ по каждому виду топлива

Рассчитываем массу выделившихся вредных веществ (m, г) по формуле

m=

где М - молярная масса вещества;

V-количество выделившихся вредных веществ, л.

М (СО) = 12 + 16 = 28;

М (С5Н12) = 5 · 12+1 · 12 = 72;

М (NО2) = 14 + 16 · 2 = 46.

2. Рассчитываем количество чистого воздуха, необходимое для разбавления выделившихся вредных веществ и для обеспечения санитарно допустимых условий окружающей среды.

Таблица 6.

Масса выделившихся вредных веществ в атмосферу из-за работы автотранспорта

Задача. Рассчитать, до какой температуры нагреют отходящие топочные газы воду различных объемов.

Объем нагреваемой воды равен 130 л.

Рассчитаем, до какой температуры нагреют его отходящие топочные газы, используя следующую формулу:

где - масса воды (равна объёму воды , л);

С - теплоёмкость воды = 4,19 кДж/кг;

tн,tкон - начальная и конечная температура воды, tн= 20°С.

- плотность воды, равна 1 кг/л;

- количество тепла, необходимое для испарения влаги из топлива;

- потери тепла при оптимальном поступлении воздуха.

В качестве твёрдого бытового топлива будем использовать дрова массой Gдров= 15 кг, теплотворность которых Qдров= 4500 ккал/кг, влажность топлива в помещении при температуре tокр. ср= 20°Ссоставляет Wдров = 7 %, теплота испарения = 2 258 кДж/кг. Избыток воздуха = 10 % от теоретического.

Общее количество тепла при сгорании топлива:

Qобщ= Qдров·Gдров = 4 500 · 15 = 67 500 ккал.

Рассчитаем количество влаги в топливе:

Количество тепла необходимого для испарения влаги из топлива:

Потери тепла при оптимальном поступлении воздуха:

ккал.

Тогда из уравнения выведем температуру, до которой нагреется заданный объём воды отходящими газами:

Ответ: до температуры 1158°С.

Список литературы