Ветроэнергетика

Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы, вызванное перепадом температуры в атмосфере из-за неравномерного нагрева ее Солнцем. Таким образом, используемая энергия ветра является энергией Солнца, преобразованной в механическую энергию.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) – это устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую виды энергии.

Таблица 8

Сила ветра по шкале Бофорта и ее влияние на ветроустановки и условия их работы

При скорости ветра 21–34 м/с – шторм, более 34 м/с – ураган.

Энергия ветра в механических установках, например, на мельницах и в водяных насосах используется уже несколько столетий. После резкого скачка цен на нефть в 1973 году интерес к таким установкам резко возрос. Большая часть существующих ветроустановок построена в конце 70-х - начале 80-х годов ХХ века на современном техническом уровне при широком использовании последних достижений аэродинамики, механики, микроэлектроники для контроля и управления ими. Ветроустановки мощностью от нескольких киловатт до мегаватт производятся в Европе, США и других частях мира. Большая часть этих установок используется для производства электроэнергии как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.

Одно из основных условий при проектировании ветроустановок – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра. В каждой местности в среднем раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5–10 раз превышающей среднюю, поэтому ветроустановки приходится проектировать с большим запасом прочности. Максимальная проектная мощность ветроустановки определяется для некоторой стандартной скорости ветра, обычно принимаемой равной 12 м/с.

Скорость ветра увеличивается с высотой над поверхностью Земли. Ветроколесо должно устанавливаться достаточно высоко над местными препятствиями, чтобы набегающий на него ветровой поток был сильным, однородным и с минимальными изменениями скорости и направления.

Наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затененная возвышенность. Желательно, чтобы ветроустановка в радиусе нескольких сотен метров была окружена полями или водной поверхностью. Как правило, головки ветроустановок находятся на высоте от 5 до 50 метров.

В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии ветроустановками составляет 25–35 % его максимального проектного значения. Срок службы ветроустановок обычно не менее 15–20 лет, а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 долларов США за 1 кВт проектной мощности. Официальные оценки возможной доли ветроэнергетики в энергетике в целом, например в Великобритании и Западной Германии, не предполагающие каких-либо серьезных изменений в сложившейся инфраструктуре энергопотребления, дают не менее 20 %. Автономные ветроустановки весьма перспективны для вытеснения дизельных электростанций и отопительных установок, работающих на нефтепродуктах, особенно в отдаленных районах и на островах.

Ветроустановки могут быть предназначены для непосредственного выполнения механической работы (например, привода водяного насоса) или для производства электроэнергии. В последнем случае они приводят в действие электрогенератор и в совокупности с ним называются ветроэлектрогенераторами.

Таблица 9

Параметры ветроэнергетических установок различной проектной мощности при скорости ветра 12 м/с

3.2. Принцип действия и классификация ВЭУ

Как уже было сказано, в ветроэнергетических установках энергия ветра преобразуется в механическую энергию их рабочих органов. Первичным и основным рабочим органом ВЭУ, непосредственно принимающим на себя энергию ветра и, как правило, преобразующим ее в кинетическую энергию своего вращения, является ветроколесо.

Вращение ветроколеса под действием ветра обуславливается тем, что в принципе на любое тело, обтекаемое потоком газа, действует сила F, которую можно разложить на две составляющие: 1 – вдоль скорости набегающего потока, называемую силой лобового сопротивления F _C, и 2 – в направлении, перпендикулярном скорости набегающего потока, называемую подъемной силой F _П (рис.25).

Рис. 25. Силы, действующие на тело, обтекаемое потоком газа:

U – скорость газового потока; F _C – сила лобового сопротивления;

F _П – подъемная сила; F –результирующая сила

Величины этих сил зависят от формы тела, ориентации его в потоке газа и от скорости газа. Действием этих сил рабочий орган ветроустановки (ветроколесо) приводится во вращение.

Ветроустановки классифицируются по двум основным признакам: геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра (рис. 26, 27).

Рис. 26. Принципиальная схема ветроустановки, использующей силу лобового сопротивления и состоящей из укрепленных на перемещающемся ремне откидывающихся пластин

Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то установка называется горизонтально-осевой, если перпендикулярна – вертикально-осевой.

Установки, использующие силу лобового сопротивления (драг-машины), как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъемную силу (лифт-машины), имеют линейную скорость концов лопастей, существенно большую скорости ветра.

Рис. 27. Классификация ветроколес (левый столбец – ветроколеса с горизонтальной осью, правый – с вертикальной)

ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые используются, например, в водяных насосах и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, а вторые – в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения.

3.3. Производство электроэнергии с помощью ветроэнергетических установок

Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра. Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии. Эти требования жесткие при работе ветроустановок в рамках единой энергосистемы и достаточно мягкие при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках.

Основными элементами ветроэлектрогенераторов являются: 1) собственно ветроустановка; 2) электрогенератор; 3) система управления параметрами генерируемой электроэнергии в зависимости от изменения силы ветра и скорости вращения ветроколеса; 4) так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы электрической энергии или быть запараллелены с электроэнергетическими установками других типов.

Одним из способов управления электроэнергией ВЭУ является выпрямление переменного тока ВЭУ и затем преобразование его в переменный ток с заданными стабилизированными параметрами.

Ветроэнергетический потенциал Республики Беларусь

Белорусская энергетическая программа до 2010 года основными направлениями использования ветроэнергетических ресурсов на ближайший период предусматривает их применение для привода насосных установок и в качестве источников энергии для электродвигателей. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки. Особенно перспективным считается их использование в сочетании с малыми гидроэлектростанциями для перекачки воды. Применение ветроэнергетических установок для водоподъема, электроподогрева воды и электроснабжения автономных потребителей к 2010 году предполагается довести до 15 МВт установленной мощности, что обеспечит экономию 9 тысяч тонн условного топлива в год.

Одним из высокоприоритетных белорусских национальных проектов, включенных в Мировую солнечную программу на 1996-2005 гг., является создание двух экспериментальных промышленных ветроэнергетических установок мощностью 1,5 МВт каждая.

Беларусь располагает значительными ресурсами энергии ветра. По данным Государственного комитета по гидрометеорологии Республики Беларусь и НП "Ветромаш", среднегодовая скорость ветра на территории республики составляет 4,3 м/с. При этом на четверти пригодной для внедрения ветроэнергетических установок территории среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/c. Такая скорость ветра соответствует требованиям мировой практики по показателям коммерческой целесообразности внедрения ветротехники. При правильном выборе места установки ветроагрегата (на возвышенностях открытой местности, на берегах водных массивов и т.п.) среднегодовая скорость ветра может достигать 6–7 м/с. Наиболее эффективно можно применять ВЭУ на возвышенностях большей части севера и северо-запада Беларуси и в центральной части Минской области, включая прилегающие к ней районы с запада.

Максимальный прогнозируемый ветроэнергетический ресурс территории республики составляет более 280 миллиардов кВт·часов в год. Использование только 1 % территории под ветроэнергетику уже в 2010 году позволило бы выработать около 3 миллиардов кВт· часов энергии. При условии 25 % использования годового времени на выработку такого количества энергии потребуется до 8000 ветроустановок мощностью от 100 до 500 кВт, которые позволили бы сэкономить ежегодно до 1 млн. тонн условного топлива. Окупаемость подобной ветротехники составляет около четырех лет.

Таблица 10

Ветротехнические показатели ветроагрегатов, рекомендуемых к внедрению на территории Республики Беларусь

Date: 2015-05-23; view: 958; Нарушение авторских прав