Использование энергии ветра: сущность, проблемы использования, перспективы развития в Республике Беларусь

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности

 

 

 

 

Реферат

 

По дисциплине: Основы энергосбережения

На тему: «Использование энергии ветра: сущность, проблемы использования, перспективы развития в Республике Беларусь»

 

 

Студентка

 ФВШТ, 2-ой курс, ДТТ-2                 (подпись)                                  Щерба А.Н.

                                                                  (дата)                  

Проверил

                                                              (подпись)                              Тарасевич В.А.

Доцент                                                    (дата)                                       

 

 

 

Минск, 2012 г

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ 3

1.Общие сведения 4

2.Классификация и принцип действия ветроэлектрических установок 8

3.Ветряные мельницы  на службе человека 12

4. Как хранить  энергию ветра? 14

5. Перспективы  использования энергии ветра  в агропромышленном комплексе  РБ 16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22

Список использованных источников 24

Приложение А 25

Приложение Б 26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

      В своем реферате я хочу рассмотреть энергию ветра, как вид нетрадиционного (альтернативного или возобновляемого) топливно-энергетического ресурса (ТЭР). Я выбрала именно эту тему, потому что мне кажется, что этот вопрос касается всех жителей нашей страны, а также многих сфер нашей жизни, которые напрямую зависят от энергетики.

Актуальность этой темы довольно высока,так как Республика Беларусь не располагает крупными запасами топливно-энергетических ресурсов. Лишь 15% потребности страны покрывается за счет собственных источников, остальные 85% импортируются. Данное обстоятельство ставит нашу страну в положение зависимой страны от поставщиков ТЭР, притом, что в последние годы наблюдается стабильный рост цен на данные виды ресурсов. Поэтому следует искать замену этому, как например энергия ветра.

      Цель моей работы – рассказать о сущности ветроэнергетики, ее проблемах и перспективах использования ее в Республике Беларусь .

      Задачи  работы:

  1.Рассмотреть энергию ветра.

  2.Рассмотреть принцип действия ветроэлектрических установок и их классификацию .

  3.Рассмотреть о ветряных мельницах.

  4.Узнать как хранить энергию ветра.

  5.Рассмотреть перспективы использования энергии ветра в агропромышленном комплексе Республики Беларусь 

Информации по данной теме огромное множество. Я пользовались научной литературой, взятой из библиотек г.Минска и Интернета.

1.Общие сведения

 

      Ветер — это движение воздуха относительно земной поверхности, обусловленное разностью атмосферного давления и направленное от высокого давления к низкому. Причиной неравномерного распределения давления атмосферы является неодинаковый нагрев воздуха, в основном, за счет солнечной радиации. Ветер характеризуется скоростью (υ_в) и направлением. Скорость выражается в м/с, км/ч или приближенно в баллах по шкале Бофорта [Приложение А].

Ветроэнергетика — это отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств, для преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию. Важной особенностью энергии ветра, как и солнечной, является то, что она может быть использована практически повсеместно.

Ветродвигатель — устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в механическую энергию.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс технических устройств, для преобразования энергии ветра в другие виды: механическую, электрическую или тепловую. Ветродвигатель является неотъемлемой частью ВЭУ. В ее состав также могут входить рабочие машины (электрогенератор, тепловой генератор), аккумулирующие устройства, системы автоматического управления и регулирования и др.

Ветровая энергия представляет собой возобновляемый источник энергии, являющийся вторичным по отношению к солнечной энергии. Причиной возникновения ветра являются разности температур в атмосфере, образующиеся в результате действия солнечного излучения, которые, в свою очередь, обуславливают возникновение различных давлений. Ветер возникает в процессе рассеяния энергии, накопившейся вследствие наличия этих различных давлений. Ветроэнергетичическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м² (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м². Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3%. На практике максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75—95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30—40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года составляет 15—30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

К основным техническим характеристикам  ВЭУ относятся:

• номинальная мощность;
• номинальная (расчетная) скорость ветра;
• минимальная скорость ветра;
• максимальная рабочая скорость ветра;
• номинальная частота вращения ветроколеса.

Номинальная мощность (Р_н' кВт) — это мощность ВЭУ, развиваемая при скорости ветра в пределах от номинальной (расчетной) до максимальной рабочей. Значение Р_н указывается изготовителем в паспорте на ветродвигатель. Номинальная (расчетная) скорость ветра (υ_р' м/с) — скорость ветра, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность. Для различных конструкций ветроустановок эта скорость различна. Минимальная скорость ветра (υ_0' м/с) — скорость ветра, при которой ВЭУ вступает в работу. Для тихоходных установок эта скорость не превышает 2...3 м/с, для быстроходных υ₀ ≥ 7 м/с. Максимальная рабочая скорость ветра (υ_м' м/с) — скорость ветра, превышение которой может привести к разрушению ВЭУ. При υ_в > υ_м производят так называемое штормовое (или буревое) отключение ВЭУ. Значение υ_м для различных типов ВЭУ лежит в пределах 25...60 м/с.

 

.

Рис.1. Зависимость выходной мощности ВЭУ от скорости ветра при регулировании скорости вращения ветроколеса: Р_н — номинальная мощность ВЭУ; υ₀ — минимальная скорость ветра, при которой ВЭУ начинает отдавать энергию; υ_р — расчетная скорость ветра; υ_м — максимальная скорость ветра для работы ВЭУ

Номинальная частота  вращения ветроколеса (n_нвк' об./мин) — это такая скорость вращения, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность. Для большинства современных ВЭУ частоту вращения ветроколеса регулируют с целью обеспечения постоянства этого параметра при изменении скорости ветра.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Классификация и принцип действия ветроэлектрических установок

 

ВЭУ по своему назначению и  виду преобразования энергии ветра  в другие виды подразделяют на:

• ветромеханические;
• ветроэлектрические;
• ветротепловые;
• комбинированные (получение, например, механической и электрической энергии).

Наиболее универсальны ветроэлектрические установки, по этой причине они получили наибольшее распространение. С точки  зрения автономности использования  различаются ВЭУ:

— автономные;

— работающие с другими энергоисточниками (дизельные электростанции, фотоэлектрические установки и др.);

— работающие в составе энергосистемы электроснабжения.

Автономные ВЭУ могут использоваться в качестве источника энергоснабжения, и в первую очередь — электроснабжения объектов, удаленных от ЛЭП (линии электропередач), газопроводов и других коммуникаций. Учитывая непостоянство скорости ветра, а зачастую и его отсутствие, для непрырывного энергоснабжения в составе таких ВЭУ необходимо иметь аккумуляторы того вида энергии, который производится с помощью данной установки. Так, для ветроэлектрических установок необходимо иметь электрический аккумулятор, способный обеспечить бесперебойное поступление электроэнергии на объект не менее 2-х суток.

ВЭУ, работающие с другими  энергоисточниками, позволяют наилучшим  образом выполнять задачу непрерывного энергоснабжения любых объектов. Благодаря наличию дизель-генератора, фотоэлектрической станции, мини-ТЭЦ или небольшой ГЭС имеется возможность исключить потребность в аккумулировании энергии, производимой ВЭУ. При этом за счет использования ВЭУ обеспечивается экономия традиционного топлива. При работе ВЭУ в составе энергосистемы также обеспечивается полное использование энергетического потенциала этой установки и экономия других ТЭР, потребляемых электростанциями, которые питают энергосистему.

Основным рабочим органом  ветродвигателя ВЭУ является ветроколесо, принимающее на себя энергию ветра  и преобразующее ее в механическую энергию своего вращения. Оно вращается  за счет аэродинамических сил, возникающих  при взаимодействии ветрового потока и лопастей. Различают быстроходные и тихоходные

 ветроколеса. Быстроходное  ветроколесо имеет небольшое  число лопастей, обычно две или  три. 

Векторная диаграмма сил  и скоростей в сечении лопасти  быстроходного ветроколеса: υ_в — скорость ветра; ωR — окружная скорость сечения лопасти; υ_п — скорость набегающего потока; R — радиус вращения сечения лопасти; φ угол установки лопасти; а— угол атаки; F_a — полная аэродинамическая сила; F_n — подъемная сила; F_c — сила лобового сопротивления.

 

 

Для сечения лопасти, удаленного от центра вращения на расстояние R (радиус вращения), при угловой скорости вращения (ω линейная скорость кругового движения (окружная скорость) сечения будет равна ωR. Вектор этой скорости расположен в плоскости вращения ветроколеса. Для данного сечения воздушный поток набегает с относительной скоростью υ_п' которая будет превышать скорость ветра υ_в' так как она складывается (векторно) из υ_в и окружной скорости ωR. Возникающая аэродинамическая сила F_a раскладывается на подъемную — F_п' создающую вращающий момент в направлении вектора окружной скорости ωR, и на силу лобового сопротивления F_c' действующую против направления вращения лопасти. Меняя угол установки лопасти φ путем ее поворота, можно изменять величину и направление векторов сил, действующих на лопасть. Этим достигается регулирование частоты вращения ветроколеса, ограничение его мощности, а также пуск и остановка ветродвигателя.

Мощность (кВт), развиваемая на валу ветроколеса, приближенно можно определить по формуле

 

Р_вк = 3,85∙10^-4∙р∙ D² ∙υ_в^З∙К_исп'

 

где р — плотность воздуха, кг/м³; υ_в — скорость ветра, м/с; D — диаметр ветроколеса, м; К_исп — коэффициент использования энергии ветра.

 

Предельное значение К_исп для быстроходного идеального ветроколеса определено русским ученым Н. Е. Жуковским и равно 0,593. Из формулы видно, что Р_вк пропорциональна υ_в³, что и определяет необходимость регулирования скорости вращения ветроколеса для обеспечения постоянства развиваемой мощности. Тихоходное ветроколесо конструктивно может быть выполнено в виде лопастных колес, с числом лопастей от 6 и более. Кроме того, имеются разработки тихоходных ветродвигателей карусельного, барабанного, парусного типов и др. Значение К_исп для многолопастных ветроколес не превышает 0,38, для карусельного ветродвигателя — меньше 0,18. Особенностью всех тихоходных ветродвигателей является то, что они при небольшой скорости вращения развивают большой вращательный момент. Регулирование частоты вращения и ограничение мощности достигается путем поворота оси вращения ветроколеса от направления ветра, уменьшением площади рабочих поверхностей ветроколеса и др. В зависимости от ориентации оси вращения рабочего органа (ветроколеса, ротора и др.) ветродвигатели делятся на горизонтально - и вертикально-осевые. Горизонтально-осевые — это такие, у которых ось вращения ветроколеса расположена вдоль направления ветрового потока. Для нормальной работы такие ветродвигатели требуют установки плоскости вращения ветроколеса перпендикулярно вектору скорости ветра. Вертикально-осевые имеют ось вращения рабочего органа, расположенную вертикально относительно горизонтальной плоскости. Для таких устройств не требуется установка на ветер.

 

 

 

 

 

3.Ветряные мельницы  на службе человека    

           Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов. Сооружаются ветроэлектрические станции, преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину — генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении. В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие — на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц.