Состояние и перспективы развития ветровой энергетики в России и мире. Ветряные двигатели

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Состояние и перспективы развития ветровой энергетики в России и мире. Ветряные двигатели

Движение любой массы, в том числе и воздушной, порождает энергию. Ветряной двигатель преобразует кинетическую энергию воздушного потока в механическую. Это устройство основа ветроэнергетики, альтернативного направления в использовании природных ресурсов.

Эффективность

Оценить энергетическую эффективность агрегата определённого типа и конструкции, сравнить её с показателями подобных двигателей довольно просто. Необходимо определить коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) - это число которое показывает, какая часть воздушного потока используется ветроколесом. Мощность ветроколеса на валу т.е. без учета потерь в передачах и подшипниках, можно подсчитать по формуле

p - массовая плотность воздуха, (при нормальных условиях-0,125).

V - скорость ветра (м/сек).

F - ометаемая ветроколесом поверхность (в метрах квадратных).

Е - коэффициент использования энергии ветра.

Рассчитать площадь ометания можно по формуле

D - диаметр ветроколеса (в метрах).

Коэффициент использования энергии ветра - (Е) зависит от типа ветродвигателя, то качества изготовления и других параметров. Лучшие быстроходные ветродвигатели, имеющие обтекаемые аэродинамические лопасти достигают значение Е = от0.43 до 0.47

Это значит, что ветроколесо такой ВЭУ может полезно использовать 43-47 процентов энергии воздушного потока.

Максимальное, теоретически вычисленное значение Е = 0.593 но на практике этого достигнуть не возможно.

(На ceгoдня нaивыcший KПД гopизoнтaльных вeтpoвых ycтaнoвoк, oблaдaющих бoльшeй эффeктивнocтью, чeм вepтикaльныe вeтpяки, paвeн 0,4. Для вepтикaльных ycтpoйcтв cpeднee знaчeниe cчитaeтcя paвным 0,38, т.e. пoкaзaтeли близки и нe нaхoдятcя нa бoльшoм yдaлeнии дpyг oт дpyгa)

Вт/м2

Рис. 1

Классификация

Ветродвигатели по принципам использования выработанной энергии делятся на два класса:

* линейные;

* циклические.

Линейного типа

Линейный или мобильный ветродвигатель преобразует энергию потока воздуха в механическую энергию движения. Это могут быть парус, крыло. С инженерной точки зрения это не ветродвигатель, а движитель.

Движитель -- устройство, преобразующее энергию двигателя либо внешнего источника, через взаимодействие со средой, в полезную работу по перемещению транспортного средства. Является частью машин.

Циклического типа

В циклических двигателях сам корпус неподвижен. Потоком воздуха вращаются, совершая циклические движения, его рабочие части. Механическая энергия вращения наиболее подходит для выработки электричества, универсального вида энергии. К циклическим ветродвигателям относят ветроколеса. Ветроколеса начиная от древних ветряных мельниц до современных ветроэнергетических установок, различаются по конструкционным решениям, по полноте использования силы воздушного потока. Устройства делятся на быстроходные и тихоходные, а также по горизонтальному или вертикальному направлению оси вращения ротора.

Рис. 2

Персидская ветряная мельница в Дании в 1890 году построили первый ветрогенератор для производства электричества. Такие ветрогенераторы устанавливались в труднодоступных местах, куда было неудобно или невыгодно передавать ток с обычных электростанций. В конце концов, ветровые турбины стали давать четверть всей нужной датской промышленности энергии)

Горизонтальные

Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения называют крыльчатыми. На вале ротора закрепляются несколько лопастей (крыльев) и маховик. Сам вал расположен горизонтально. Основные элементы устройства: ветроколесо, головка, хвост и башня. Ветроколесо монтируется во вращающейся вокруг вертикальной оси головке, в которой крепится вал двигателя, размещаются передаточные механизмы. Хвост исполняет роль флюгера, разворачивая головку с ветроколесом против направления потока ветра.

При высоких скоростях перемещения потоков воздуха (15 м/с и выше) рационально применение быстроходных горизонтальных ветродвигателей. Двух, трёх лопастные агрегаты от ведущих производителей обеспечивают КИЭВ 30%. Эффективность работы устройства зависит от качества изготовления лопастей.

Из рисунка 3 видно, как установленная мощность Руст, развиваемая ветроколесом с горизонтальной осью вращения, зависит от его размеров.

Перпендикулярное направление действия ветра на установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как также требует использования систем ориентации и сравнительно сложных методов съема мощности, что ведет к потере их эффективности. Они не имеют преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Вертикальные.

Такие роторы имеют важные преимущества перед ветрогенераторами с горизонтальным расположением оси. Для них отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения.

К таким установкам относятся устройства с пластинами, чашеобразными или турбинными элементами, а также роторами Савониуса с лопастями S-образной формы, на которые действует также и подъемная сила. Устройства такого типа обладают большим начальным моментом, однако меньшими быстроходностью и мощностью по сравнению с обычным ротором.

Но такие агрегаты тихоходны. (быстроходный вал это тот, который вращается двигателем, а тихоходный - на выходе из редуктора. В одном и том же редукторе крутящий момент на тихоходном валу выше, чем на быстроходном в к-раз (к-передаточное число) без учета КПД. Разница в частоте вращения валов к=п1/п2 )Для преобразования вращения вала в электрическую энергию требуется специальный генератор (многополюсный), способный работать на малых оборотах. Генераторы подобного типа мало распространены. Применение системы редукторов ограничено низким КПД.

Рис. 7. Ветрогенератор с ротором Дарье

Рис. 8

Принцип работы ветряной электростанции

Рис. 9

Анеометр - датчик направления ветра, также именуемый анимоментром. Если устройство не будет знать, откуда дует ветер, то не сможет работать. Направленность лопастей навстречу ветру обязательна для нормального функционирования всего механизма.

После того как лопасти начали вращаться, электрогенератор преобразовывает механическое вращение в электрическую энергию, и направляет в аккумуляторы или сразу в сеть.

Существует два вида ветрогенераторов, которые отличаются друг от друга направленностью вращения: Также их можно разделять по количеству глупостей, однако это не играет особой роли добычи электроэнергии при помощи ветра. Данный факт становится важным только в том случае, если объемы добываемого электричества должны быть очень большими. Например, если вы хотите снабдить ветрогенератором небольшой частный дом, тем самым автоматизировать его, сделать независимым от центрального электроснабжения, вам понадобится более мелкий прибор. Он будет иметь не три лопасти, как мы привыкли видеть обычно на больших образцах, а больше. Однако, получение энергии из ветра возможно именно из-за глупостей. Металл, из которого они будут изготовлены, напрямую влияет на объем вырабатываемого электричества. © 2020, Авторские права защищены! Ссылка при копировании обязательна! | Источник: palitrabazar.ru В классической ветряной электростанции, большую роль, чем лопасти, играет, непосредственно, электрогенератор и числовое программное устройство. Именно эти приборы позволяют преобразовывать полученную кинетическую энергию в электрическую или механическую. Но, небольшим устройством, без которого работа всей ветряной электростанции стало бы невозможной, является датчик направления ветра, также именуемый анимоментром. Его неисправная работа может привести к поломке всей ветряной электростанции, или снизить количество добываемый электроэнергии до минимума. Все объясняется банально и просто. Если устройство не будет знать, откуда дует ветер, то не сможет работать. Направленность лопастей навстречу ветру обязательна для нормального функционирования всего механизма. После того как лопасти начали вращаться, электро генератор преобразовывает механическое вращение в электрическую энергию, и направляет в аккумуляторы или сразу в сеть. Отраслей, где используется энергия ветра, с каждым днём становится все больше. Причиной тому есть возможность преобразования силы ветра, как в электрическую, так и в механическую энергию.

Ветрогенераторы и окружающая среда

Сегодня, когда экологические проблемы постепенно становятся одной из главных забот человечества, использование разных источников энергии рассматривается не только с точки зрения их мощности и экономичности, но и влияния на окружающую среду.

На первый взгляд ветровая энергия абсолютно чиста экологически и не наносит ущерба природе и людям. Но это не совсем так. Мощные ветровые электростанции с сотнями и тысячами ветровых турбин приносят немало проблем: они производят невообразимый шум, могут служить помехой для радио- и телетрансляций. Кроме того, огромные вышки нередко препятствуют миграции птиц.

Наиболее перспективным - является установка ветрогенераторов в открытом море, на большом удалении от берегов. Это повысит не только безопасность, но и экономичность, так как на просторах Мирового океана ветры дуют с особой силой. Разумеется, установка ветрогенераторов в открытом море требует больших затрат, однако экологическая чистота стоит денег, затраченных на нее.

Первая ветряная электростанция в открытом море уже действует. Это установка Эбельтофф в Дании. 16 ее турбин производят 55 кВт электроэнергии - вполне хватает для полного снабжения поселка из 600 домов.

Рис. 10

London Array - самая крупная из шельфовых ветростанций. Ее постройка позволила сократить ежегодные выбросы углекислого газа в атмосферу на 900 тысяч тонн. На станции установлены 175 турбин суммарной мощностью 630 МВт. От планов по строительству здесь же еще 166 ветряков пришлось отказаться из-за протеста Королевского общества по защите птиц. Орнитологи заявили, что это губительным образом скажется на популяции красной гагары.

Специалисты подсчитали, что только Западная Европа, береговая линия которой протянулась более чем на 20000 километров, в состоянии получать около триллиона киловатт-часов электроэнергии в год, если воздвигнуть ветрогенераторы вблизи от побережья. А возможности нашей страны в этом плане еще выше.

На сегодняшний день технология строительства платформ для ветрогенераторов в открытом море отработана и уже применяется.

Главной проблемой применения ветровой энергии является непостоянство ветра. Имеется несколько способов аккумулировать энергию на случай безветренных дней. Простейший из них - создать систему двух резервуаров, один из которых залегает ниже другого. В ветреные дни производимое электричество можно использовать для закачки воды из нижнего резервуара в верхний. А когда ветрогенератор бездействует, достаточно открыть перемычку - и вода устремится из верхнего резервуара в нижний, вращая по пути турбину, которая будет давать электроэнергию.

Еще один способ аккумулирования - использование ветровой энергии для электролиза воды - получения водорода и кислорода из воды. Водород - идеальное топливо, которое может заменить любой тип горючего. Теплота его сгорания втрое выше, чем у бензина. Если в ветреные дни создать достаточный запас водорода, его можно транспортировать в любое место по газопроводам, а затем использовать в топливных элементах. Ученые подсчитали, что общий ветроэнергетический потенциал земли приблизительно в 30 раз превосходит годовое потребление электричества во всем мире. Разумеется, весь этот запас энергии использовать не удастся.

Для нормальной работы ветроустановок скорость воздушных потоков не должна в среднем за год падать меньше 4-5 м/с, и в то же время не должна превышать 50 м/с. Впрочем, максимальная скорость ветра может быть и выше. Американские инженеры создали генератор с вертикальными роторами, которые вращаются наподобие карусели. По своей эффективности он превосходит лопастные генераторы почти втрое и способен выдерживать даже ураганные ветры. Видимо, с развитием технологии появятся и более совершенные конструкции. Скорее всего, технология не пойдет по пути повышения размеров ветроустановок. Будущее принадлежит ветрогенераторам мощностью от 5 до 100 киловатт, которые будут 22 обеспечивать нужды сельского хозяйства и небольших поселений. Впрочем, имеется возможность применения и более мощных (до 5 мегаватт) установок, которые будут вырабатывать электроэнергию в составе уже существующих энергетических систем. Кроме того, ветровая энергия может быть использована для производство удобрений, для получения сжатого воздуха, который будет направляться в водоемы для их аэрации - повышения содержания кислорода, необходимого для его обитателей. Разные отросли промышленности все активнее делают заявки на ветровую энергию.

Ветроэнергетика в Мире

Kpyпнeйшeй в миpe ВЭC, выpaбaтывaющeй пoчти 7,9 ГВт энepгии в гoд, являeтcя китaйckaя «Гaньcy». Пoтpeбнocти пoчти двyхмиллиapднoгo Kитaя в энepгии oгpoмны, чтo зacтaвляeт cтpoить бoльшиe cтaнции. K 2020 гoдy зaплaниpoвaн выхoд нa moщнocть 20 ГВт.

В 2011 гoдy былa зaдeйcтвoвaнa индийcкaя cтaнция «Мyппaндaл», ycтaнoвлeннaя мoщнocть кoтopoй cocтaвляeт 1,5 ГВт.

Tpeтeй пo мoщнocти cтaнциeй c oбъeмoм пpoизвoдcтвa 1,064 ГВт в гoд, являeтcя индийcкaя Jaisalмer Wind Parк, paбoтaющaя c 2001 гoдa. Изнaчaльнo мoщнocть cтaнции былa нижe, нo, пocлe cepии мoдepнизaций, дocтиглa ceгoдняшнeгo знaчeния. Taкиe пapaмeтpы yжe пpиближaютcя к пoкaзaтeлям cpeднeй ГЭC. Дocтигнyтыe oбъeмы пpoизвoдcтвa элeктpoэнepгии нaчинaют вывoдить вeтpoэнepгeтикy из paзpядa втopocтeпeнных в ocнoвныe нaпpaвлeния энepгeтичecкoй oтpacли, coздaют шиpoкиe пepcпeктивы и вoзмoжнocти.

Главным образом, современное использованиt этого экологически чистого источника энергии заключается в создании парков аэрогенераторов, которые выполняют роль электростанций. Коэффициент использования энергии ветра в настоящее время невелик, так, всего 3% мирового потребления электроэнергии вырабатывается аэрогенераторами. Тем не менее, к 2040 году, по оценкам экспертов, эта цифра возрастет до 9% в мире и до 20% в Европе.

Рис. 11

В России

На данный момент ветроэнергетика в России базируется на объектах, расположенных в прибрежных и островных зонах. К примеру, на Камчатке, в районах Каспийского, Баренцева и Охотского морей, а также на Байкале. При этом наиболее требовательные к электрической и тепловой энергии объекты находятся в центральной и европейской частях страны.

Россия - это большая страна, и благодаря своей значительной площади, а также расположением в различных географических и климатических зонах, обладает огромным потенциалом использования ветровой энергии. По данным экспертов, потенциал оценивается в более, чем в 50000 млрд.кВт.час электрической энергии в год, что может составлять до 30% производимой электроэнергии энергосистемой страны.

Из приведенной карты видно, что потенциально, использование ветровых установок, возможно на значительной территории страны. Наиболее благоприятные районы, это: прибрежные территории северных, Черного, Каспийского и Азовского морей, полуостров Камчатка, остов Сахалин, внутренняя территория страны от Волги и Дона, до Карелии, Алтая и Тувы. В настоящее время развитию ветроэнергетики уделяется повышенной внимание, поэтому в последние годы, наблюдается динамика роста по вводу в эксплуатации энергетических мощностей

Перспективы развития

Принимая во внимание, что традиционные источники энергии имеют свойство заканчиваться, а их использование приводит к загрязнению атмосферы планеты, то все большее количество стран, принимают внутренние и межгосударственные соглашения о защите экологии и контролю за потреблением энергоресурсов. В развитие этой тенденции, использование возобновляемых источников энергии, к тому же являющихся экологическими чистыми, является очень актуальным. Для стимулирования развития отрасли, в ряде стран разработаны направления деятельности, в этой области энергетики, это: Развитие морских ветропарков; Мотивация населения и промышленности в установке ветровых генераторов; Наращивание процента ветровой энергетики в общем энергопотреблении. В связи с этим, развитие ветроэнергетики, как источника альтернативной энергии, постоянно продолжается и будет иметь тенденцию к ускорению этого процесса. Ярким примером таких разработок являются плавающие и парящие ветровые генераторы.

Плавающие ветровые генераторы - монтируются вдали от берега, на глубине 100 и более метров. Первые подобные устройства, были смонтированы в 2007 году, в Норвегии. В связи с тем, сто на поверхности моря всегда, за редким исключением бывает полный штиль, присутствует движение воздушных масс, то КПД установок смонтированных подобных образом, выше, чем у монтируемых на поверхности земли.

Парящие ветровые генераторы - представляют из себя надувную сферу, наполненную гелием, и турбины, расположенной по центру устройства. К тому же конструкторы и разработчики не останавливаются на достигнутом, работы продолжаются в постоянном режиме.

Итак, ветрогенераторы - это генераторы электрической энергии, предназначенные для превращения энергии ветра в электрическую. Сегодня ветрогенераторы - высокотехнологичное изделие мощностью от 5 КВт до 4 500 КВт единичной мощности. Ветрогенераторы современных конструкций позволяют использовать экономически эффективно энергию даже самых слабых ветров - от 4 метров в секунду. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть» но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов любой мощности. Ветрогенераторы применяются в самых различных местах. Это открытые территории с хорошим ветропотенциалом, поля, острова, мелководье, горы. Как следствие энергетической политики в России- места, где подключение к существующим сетям дороже ветроэнергетического проекта или доставка дизельного топлива обходится дорого. Работает ветрогенератор очень просто, почти как и сотни лет назад: - Набегающие потоки ветра на высоте башни ветрогенератора - от 40 до 100 метров вращают лопасти ветрогенератора. Энергия вращения передается по валу ротора на мультипликатор, который в свою очередь вращает асинхронный или синхронный электрический генератор. Широко распространены конструкции ветрогенераторов, не имеющих мультипликатора, что существенно увеличивает их производительность. При изменении направления ветра сенсоры на башне ВГ подают команду, и механизм ориентации поворачивает башню ветрогенератора по ветру. Стабилизация вращения ветроколеса ветрогенератора достигается различными методами, один из которых - поворот лопастей или их фрагментов вокруг своей оси под углом к направлению ветра. - Ветрогенераторы могут работать как по одиночке (единичный комплекс), так и группами (ветропарк). Часто один или несколько 25 ветрогенераторов работают параллельно с дизель-генераторами в качестве средства экономии расходов на дизельное топливо. Что же дает ветрогенератор? Вот примеры для ориентировки: Ветрогенератор мощностью 800 КВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с произведет за год 1.500.000 КВт часов электроэнергии, при среднегодовой скорости ветра 5 м/с - 1.100.000 КВт часов электроэнергии. Ветрогенератор мощностью 2000 КВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с произведет за год 3.700.000 КВт часов электроэнергии, при среднегодовой скорости ветра 5 м/с - 2.300.000 КВт часов электроэнергии.

Энергия ветра один из наиболее перспективных возобновляемых источников энергии. Опыт промышленного использования ветродвигателей и ветроустановок показывает, что эффективность зависит от размещения ветрогенераторов в местах, с благоприятными воздушными потоками. Использование современных материалов в конструкциях агрегатов, применение новых схем генерации и накопления электроэнергии обеспечит дальнейшее повышение надёжности и энергоэффективности ветродвигателей.

Еще в Древнем Египте за три с половиной тысячи лет до нашей эры применялись ветровые двигатели для подъема воды и размола зерна. С появлением ветряных мельниц, была облегчена одна из самых тяжелых крестьянских работ - вращение тяжелых каменных жерновов, перетирающих зерно в муку. Теперь это делал ветер, крутя крылья 4 мельницы. Одна из первых ветряных мельниц была найдена в Персии - в ней крылья были насажены на ту же ось, что и жернова, но она могла работать лишь при сильном устойчивом ветре.

Приблизительно шестьсот лет назад, началось строительство мельниц башенного типа с огромными крыльями, расположенными горизонтально к поверхности земли. Одна из первых таких мельниц появилась в Голландии.

В 1745 году некий Эдмунд Ли осчастливил мельников изобретением нового типа крыльев - деревянных каркасов, обтянутых материей. Выдумка оказалась настолько удачной, что применяется в ветряных мельницах и сейчас. ветроколесо движитель энергия транспортный

Ветряные мельницы оказались прекрасными источниками даровой энергии. Неудивительно, что со временем их стали использовать не только для размола зерна. Ветряки вращали дисковые пилы на больших лесопилках, поднимали грузы на большие высоты, использовались для подъема воды. Наряду с водяными мельницами они оставались, практически, самыми мощными машинами прошлого.

Наступил такой этап развития технологии, когда стали строить электрогенераторы. И в Дании в 1890 году построили первый ветрогенератор для производства электричества. Такие ветрогенераторы устанавливались в труднодоступных местах, куда было неудобно или невыгодно передавать ток с обычных электростанций. В конце концов, ветровые турбины стали давать четверть всей нужной датской промышленности энергии.

Между 1920 и 1930 годами ветровые генераторы стали появляться в Австралии и США. В 1937 году в Крыму была построена крупнейшая в мире, как говорили тогда, ветроэлектрическая станция. Она действительно была внушительных размеров, но ток, который ветрогенератор давал в электрическую сеть Севастополя, мощностью своей не превышал 100 кВт.

Размещено на Allbest.ru