Использование энергии ветра

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ  БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

                                  по дисциплине: Основы энергосбережения

                                  на тему: Использование энергии ветра

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент

ФМ, 1-й курс, ДКТ-1                                                                                                                         Е.А. Алехнович

 

Проверил

ассистент кафедры                                              М.В. Михадюк

 

 

 

 

 

 

МИНСК 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. История использования энергии ветра

«Мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно  известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец  нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной  только крышу, и для того, чтобы  поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время  как само здание мельницы было прочно укреплено на земле» (К. Маркс. «Машины: применение природных сил и науки»).

Масса козловой мельницы была ограниченной в связи  с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные  мельницы получили название шатровых.

В XVI веке в  городах Европы начинают строить  водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо — Глочестер — Лондон — Париж — 1608 г., и др. В Нидерландах  многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись  для орошения полей.

Первая в  мире современная ветроэлектростанция  с горизонтальной осью мощностью 100 кВт была построена в 1931 году в  Крыму.

Наибольшее  распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с  тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются  и двухлопастные. Были попытки построить  ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, то есть с вертикальным расположением оси  вращения. Считается, что они имеют  преимущество в виде очень малой  скорости ветра, необходимой для  начала работы ветрогенератора. Главная  проблема таких генераторов —  механизм торможения. В силу этой и  некоторых других технических проблем  ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения  в ветроэнергетике.

[ http://ng.bigchina.ru/2009/12/ветроэнергетика/]

 

Ветроэнергетический потенциал

Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы относительно вращающейся поверхности Земли, вызванное в первую очередь перепадом температуры в атмосфере из- за неравномерного нагрева ее Солнцем. Таким образом, энергию ветра можно рассматривать как солнечную энергию, преобразованную в механическую. В горизонтальном направлении типичные скорости ветра достигают значений 50 км/ч. Дующие на Земле ветры обладают мощностью 2 700 ТВт. Но лишь 1/4 часть может быть использована на высоте до 100 м над поверхностью. Построив на суше ветроустановки, можно получить максимум 40 ТВт.

Традиционные  ветроэнергоустановки имеют два  недостатка: они начинают производить  энергию со скорости 5 м/с и более  и обладают небольшим КПД даже на номинальной скорости ветра 8-15 м/с.

Как видно, чрезвычайно важным параметром, определяющим тип ветроустановки, ее мощность и вообще целесообразность размещения в данной местности, является скорость ветра.

Ветроустановки классифицируются по двум основным признакам: геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра: если ось вращения колеса параллельна воздушному потоку, то установка называется горизонтально-осевой, если перпендикулярна - вертикально-осевой

Каждое ветроколесо обладает следующими характеристиками:

• ометаемая площадь S- площадь, охватываемая его лопастями при вращении:

S= П*R²,

Где R- радиус ветроколеса;

• геометрическое заполнение, представляющее собой отношение площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярна потоку, к ометаемой площади;
• коэффициент мощности С_р, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и зависяший от конструкции ветроколеса;

• коэффициент быстроходности Z, представляющий собой отношение скорости конца лопасти к скорости ветра.

При оценке потенциала ветра выбирают его скорость на высоте 10 м над поверхностью земли, чтобы уменьшить влияние шероховатости, .т. е. различных препятствий в виде невысоких строений, кустарников, деревьев и т. д. С увеличением высоты скорость ветра растет по закону

 

…………………………………………………………………………………………………….

 

Где V₁₀ – скорость ветра на высоте 10 м , м/с;

Показатель степени  -

………………………………………….

 

для открытой местности п ~ 1/7.

В Беларуси среднегодовая скорость ветра, по данным Гидромета, не превышает 4,1 м/с. Среднемесячные максимальные значения скорости ветра изменяются от 4,6 до 4,9 м/с, причем максимальные среднемесячные значения достигаются зимой, а минимальные - летом. Правда, имеются данные, отличающиеся от результатов наблюдений Гидромета, согласно которым среднегодовая скорость ветра для Беларуси равна 4,5 м/с, а 30% территории находится в зоне ветров со среднегодовой скоростью более 5 м/с. Такие разногласия не позволяют произвести достоверные оценки ветроэнергетического потенциала республики и указывают на необходимость проведения надежных объективных измерений для составления ветрового кадастра Беларуси.

Оценка энергетического  потенциала ветра производится с помощью значений удельной мощности ветрового потока. Беларусь не входит в разряд зон с высоким потенциалом скоростей ветра.

Однако существующие способы преобразования энергии ветра в электроэнергию с помощью традиционных лопастных ветроэнергетических установок в условиях Беларуси экономически не оправданы, во-первых, из-за высокой пусковой скорости ветра (4-5 м/с),  высокой номинальной скорости (8 -15 м/с)  и небольшой годовой производительности в условиях слабых континентальных ветров, характерных для Беларуси - 3-5 м/с.

Принципиально важными достоинствами  роторных ВЭУ является низкий порог трогания при скорости ветра 2,5-3,0 м/с простая технология изготовления по сравнению с лопастными ВЭУ. Соответственно удельная стоимость роторных ВЭУ подставляется существенно ниже, чем лопастных, что предопределяет эффективность их применения.

В то же время роторным ветроустановкам присущ и ряд недостатков, основными из которых являются

• затраты энергии на вращение цилиндров (до 5-10 % от вырабатываемой ВЭУ; правда, с увеличением скорости ветра доли этих затрат уменьшается);
• из-за низкой частоты вращения потребность в редукторе или мультипликаторе частоты вращения с передаточным числом в 4-5 раз большим, чем в случае традиционных ветротурбин.

С учетом необходимости параллельной работы ВЭУ с энергосистемой схема намного усложняется, и, естественно, значительно возрастут затраты на создание и эксплуатацию ВЭУ. При этом в затратах следует учитывать необходимость создания и содержания резерва мощностей на других типах электростанций, имея в виду неравномерность работы ВЭУ.

 

Механическая энергия (энергия вращения ротора ветроустановки)

Технологическая схема ветроэнергетических установок. Лежащая  в основе ветроэнергетических установок (ВЭУ) энергия воздушных течении является результатом конверсии солнечной энергии и соответственно может быть отнесена к возобновляемым источникам первичной энергии. Использование ветроэнергетических установок для производства электрической энергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра. Основными элементами ветроэнергетических установок являются ветровое колесо, электрогенератор, система управления параметрами генерируемой электроэнергии в зависимости от изменения силы ветра и скорости вращения ветрового колеса.

 

63

Введение в состав ВЭУ систем управления параметрами генерируемой энергии связано с необходимостью удовлетворения требованиям к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии в зависимости от особенностей ее потребителей. Эти требования жесткие при работе ВЭУ в рамках  единой энергосистемы и достаточно мягкие при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках.

Одним из способов управления электроэнергией ВЭУ является выпрямление переменного тока ВЭУ и затем преобразование его в переменный ток с заданными стабилизированными параметрами. Так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы электрической энергнн или подключаться параллельно с электроэнергетическими установками других типов.

Первичным рабочим органом ВЭУ, непосредственно принимающим на себя энергию ветра и преобразующим ее в кинетическую энергию своего вращения, является ветровое колесо.

Вращение ветрового колеса под действием ветра обусловливается тем, что на него действует результирующая сила F,которую можно разложить на две составляющие:

 

 

 

 

 

 

 

 

Среди различных типов ветровых колес следует выделить цилиндры Магнуса. В основе работы ВЭУ данного типа лежит использование реактивной подъемной силы, возникающей вследствие различных условий обтекания (и соответственно различного перепада давлений) на верхней и нижней образующих цилиндров вращения.

.Роторный элемент ветровой установки, использующей эффект Магнуса: F - реактивная подъемная сила

Отличительной особенностью ВЭУ, использующий эффект Магнуса, является достижение максимальной эффективности восприятия ветрового потенциала при не очень высоких  (4-5 м/с) скоростях ветра.

Приведены примеры промышленных конструкций лопастных (с продольной и вертикаль вой осями вращения ветрового колеса) ВЭУ и опытно промышленной ВЭУ роторного типа.

Расчет энергетических характеристик ВЭУ. Запас энергии воздушных потоков (или ветровой потенциал) характеризуется прежде всего устойчивым значениями скорости ветра на уровне размещения ветрового колеса.

Для определении локальных значений скорости ветра на ладанной высоте используется соотношение

U_z  = U₁₀ (Z/10)^b,

где U_z - скорость ветра на определяемой высоте Z; <span class="dash041e_0441_043d_043e_0432_043d_043e_0439_0020_0442_0435_043a_0441_0442_0020_002828_0029__Char" style=" font-family: 'Times New Roman', 'Arial'; font-size: 14pt; text-decora