Ветроэнергетика

ВВЕДЕНИЕ

“Нетрадиционная энергетика” нетрадиционна

 потому, что  не везде ещё у нас есть  традиция – 

 беречь родную  природу.

Разуваев В.А.

Увеличивающееся загрязнение  окружающей среды, нарушение теплового  баланса атмосферы постепенно приводит к глобальным изменениям климата. Ограниченность мировых запасов топлива и энергии и  неравномерность  их распределения  по  планете все  острее ставят вопрос о всемирном использовании нетрадиционных  экологически  чистых энерготехнологий и использовании возобновляемых энергоресурсов.

Основные подходы получения  энергии из возобновляемых источников определены в законе "О возобновляемых источниках энергии", принятом в декабре 2010 года.

Различные виды альтернативных источников энергии находятся на разных стадиях освоения. Наибольшее применение получил самый доступный и непостоянный (изменчивый) вид энергии – ветер.

Ветер образуется в результате перемещения воздушных масс из области  высокого в область низкого давления. Скорость и направление ветра  зависят от рельефа местности, высоты над поверхностью суши и других факторов. В большинстве своем эти характеристики ветра переменны, причем их изменения  наблюдаются даже на протяжении суток.

Доступность энергии ветра  объясняется тем, что эксплуатация ветроустановок не требует топлива и воды,  они могут быть полностью автоматизированы, отчуждаемая территория  минимальна  и по расчетам составляет 3 – 5 мІ/кВт установленной мощности.  Эти установки практически полной заводской готовности, и для их монтажа требуется минимум времени (фундамент и подключение к сети). Вот почему ветроэнергетика   бурно развивается.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ

Ветроэнергетика, в широком понимании  является древнейшей спутницей человека. Первые свидетельства об использовании  энергии ветрового потока для  перемола зерна восходят к 200 году до н.э. Первый ветродвигатель был простым устройством с вертикальной осью вращения. Использование такой мельницы с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Немного позднее была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, которая состояла из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до сих пор в многих странах бассейна Средиземного моря. В ІХ столетии ветреные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и попали в Европу в Х столетии при возвращении крестоносцев. В средние века в Европе многие поместные законы, включая и право отказа в разрешении на строительство ветреных мельниц, заставляли арендаторов иметь площади для посева зерна возле мельниц феодальных имений. Посадки деревьев близ ветреных мельниц запрещались для обеспечения "свободного ветра". В XIV столетии голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветреных мельниц и широко использовали их с этих пор для осушения болот и озер в дельте реки Рейн. Между 1608 и 1612 гг. польдер Беемстер, который находился на три метра ниже уровня моря, был осушен с помощью 26 ветродвигателей мощностью 37 квт каждый.

Позднее известный инженеров-гидравлик  Лигвотер, применив 14 ветродвигателей производительностью 1000 м³/мин., которые перекачивали воду в аккумулирующий бассейн, осушил за четыре года польдер Шермер. Потом 37 ветродвигателей перекачивали воду из бассейна в кольцевой канал, откуда она попадала в Северное море.

В 1582 г. в Голландии была построена  первая маслобойня, которая использовала энергию ветра.

В середине XIX столетия в Голландии  использовалось для разных целей  около 9 тыс. ветродвигателей. Голландцы  внесли много усовершенствований в  конструкцию ветреных мельниц и, в частности, ветроколеса.

Первой лопастной машиной, которая использовала энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии  объединяет один и тот же используемый принцип. Исследование показали, что  парус можно представить в  виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с высочайшим КПД, который непосредственно использует энергию ветра для движения.

Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать ветродвигатель как двигатель для перемещения по воде. Пятилопастное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в движение гребное колесо. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного направления может двигать судно в любом направлении.

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский заинтересовался ветряными мельницами и авиацией одновременно. Он начал создавать полную теорию ветреной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В начале ХХ столетия интерес  к воздушным винтам и ветроколёсам не был обособлен от общих тенденций времени - использовать ветер, где это только возможно. Сначала наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном "Фраме" он вращал динамомашину. На парусниках ветряные мельницы передавали движение насосам и якорным механизмам.

В Русской империи к  началу минувшего столетия работало около 2500 тысяч ветряных мельниц  общей мощностью 1 млн. квт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра  уже на научной и государственной  основе. В 1931 году близ Ялты была построена  наибольшая на том время ветроэнергетическая  установка мощностью 100 квт, а позднее  разработан проект агрегата на 5000 квт. Но реализовать его не удалось, так  как Институт ветроэнергетики, который  занимался этой проблемой, был закрыт.

Сформировавшаяся ситуация отнюдь не обуславливалась местным  головотяпством. Такова была общемировая  тенденция. В США до 1940 года построили  ветроагрегат мощностью 1250 кВт. До конца войны одна из его лопатей получила повреждения. Ее даже не стали ремонтировать - экономисты подсчитали, что более выгодно использовать обычную дизельную электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее творец и собственник П. Путнем выложил свой печальный опыт в прекрасной книге "Энергия ветра", которая не утратила до сих пор своей актуальности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Понятие ветроэнергетики И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию),парус (для использования в транспорте) и другими.

Главным ресурсом ветроэнергетики  является скорость ветрового потока (V).

 

Рис.1 Принцип преобразования ветровой энергии

 

В глобальном масштабе ветровой поток является движением воздушных  масс относительно земли, возникающий  в атмосфере под действием  разности давлений в различных областях. Для энергетического использования ветрового потока необходимо знать удельную кинетическую энергию ветрового потока, т. е. энергию воздушной массы плотностью ρ, кг/м3, имеющей скорость V, м/с:           Зная, что масса 1 м³ воздушного потока, имеющего плотность ρ кг/м³ текущего со скорость V м/с составляет ρ∙V видоизменим формулу:

Так, помня, что плотность  воздуха ρ при нормальных условиях 1,225 кг/м³ ветровой поток, имеющий скорость 4 м/с и проходящий через поперечное сечение, площадью 1 м2 обладает энергией ≈ 40 Вт.

Подробнее остановимся на скорости ветрового потока V. Из формулы  видно, как сильно значение скорости ветрового потока влияет на мощность (третья степень). На практике это означает, что ошибка в скорости ветрового  потока на 10% повлечёт за собой 30% ошибку в мощности, а, следовательно и в выработке энергии. Сюда же добавим непостоянство ветра. Таким образом, важно понимать, что для достоверной оценки потенциальных возможностей применения ветроэнергетики в том или ином месте, необходимо иметь данные ветрового режима в данном месте. Под «местом» здесь можно понимать достаточно большие площади (иногда целые регионы). И если располагать данными о ветровом режиме, собранными на метеостанции, расположенной в нескольких десятках километрах от места, то такие данные можно считать репрезентативными, т. е. достоверными для нашего места.

Ветроэнергетика является бурно  развивающейся отраслью, так в  конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,6 гигаватт. В том же году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии).

Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.

Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью.

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. В таблице 1 представлено сопоставление мощностей ветрогенераторов и их размеров.

Таблица 1.  Параметры действующих ветрогенераторов

Параметр	1 МВт	2 МВт	2,3 МВт
Высота мачты	50 м — 60 м	80 м	80 м
Длина лопасти	26 м	37 м	40 м
Диаметр ротора	54 м	76 м	82,4 м
Вес ротора на оси	25 т	52 т	52 т
Полный вес машинного  отделения	40 т	82 т	82,5 т

Наибольшее распространение  в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т. н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше. Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть ещё несколько существенных преимуществ: они практически бесшумны, и не требуют совершенно никакого обслуживания, при сроке службы более 20 лет. Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.

Наиболее перспективными местами для производства энергии  из ветра считаются прибрежные зоны. Но стоимость инвестиций по сравнению  с сушей выше в 1,5 — 2 раза. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции.

Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.

Могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также  плавающие основания. Первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.

5 июня 2009 года компании  Siemens AG и норвежская Statoil объявили об установке первой в мире коммерческой плавающей ветроэнергетической турбины мощностью 2,3 МВт, производства Siemens Renewable Energy.

Запасы энергии ветра  более чем в сто раз превышают  запасы гидроэнергии всех рек планеты.

Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например — городами), без ущерба для хозяйственной деятельности.

Германия планирует к 2020 году производить 19,6 % электроэнергии из возобновляемых источников энергии, в основном из ветра.

Дания планирует к 2020 г. 50 % потребности страны в электроэнергии обеспечивать за счет ветроэнергетики

В 2008 году Европейским Союзом установлена цель: к 2020 году установить ветрогенераторов на 180 тыс. МВт. Согласно планам Евросоюза общее количество электрической энергии, которые выработают ветряные электростанции, составит 494,7 Тв-ч.