Содержание:
- Что такое Энергия ветра?
- История развития ветроэнергетики
- Преимущества и недостатки ветроэнергетики
- Как работает ветрогенератор
- Устройство ветрогенераторов
- Типы ветрогенераторов
- Характеристики ветрогенераторов
- Преимущества и недостатки ветрогенераторов
Что такое Энергия ветра?
Энергия ветра является одной из форм Солнечной энергии.
Вследствие неравномерности состава грунта, рельефа местности, а также толщины атмосферного слоя Солнце нагревает поверхность Земли с разной интенсивностью. Нагретая Солнцем поверхность передает тепло воздушным массам, расположенным над ней. Поскольку плотность воздуха зависит от его температуры, образуются зоны с разными атмосферными давлениями (т.к. тёплый воздух легче, холодный – тяжелее). По мере того как горячий воздух поднимается вертикально к Земной поверхности, более холодный воздух перемещается вдоль Земли (горизонтально) чтобы заполнить образовавшуюся пустоту.
Таким образом, определим “Ветер” как процесс выравнивания давления путем перемещения воздушных масс из области высокого давления в область низкого давления, рождаемый вследствие неравномерного прогрева Земной поверхности.
Энергия ветра – наряду с энергией падающей воды – один из самых легкодоступных и используемый с древних времён вид преобразованной энергии Солнца. Люди начали использовать такой вид энергии несколько столетий назад, когда появились первые ветряные мельницы, которые качали воду или мололи зерно.Термин “Энергия ветра” можно определить как энергию, с помощью которой движение воздушных масс (ветер) преобразовывается в другие виды энергий.
Энергия ветра может быть преобразована в:
- кинетическую энергию (движение парусных кораблей, полет воздушного змея или воздушного шара);
- механическую энергию (ветряные установки для помола муки или перекачивания воды);
- электрическую энергию (ветрогенераторы для производства электрической энергии).
Потенциал Энергии ветра
Потенциал Энергии ветра в сравнении с другими альтернативными источниками энергии
Энергетический потенциал источников энергии:
- излучение Солнца доступное человечеству 23 000 ТВт ежегодно (в 25 раз превышает энергетический запас всего угля на планете).
- уголь – глобальный запас 900 ТВт.
- уран – глобальный запас от 90 до 300 ТВт (по разным оценкам).
- нефть – всего 240 ТВт.
- природный газ – всего 215 ТВт.
- энергия ветра – 25 – 700 ТВт ежегодно.
- энергия океана (течения) – 3-4 ТВт ежегодно.
- биомасса – 2-6 ТВт ежегодно.
- гидроэнергетика – 3-4 ТВт ежегодно.
- геотермальная энергетика – 0,3-2 ТВт ежегодно.
- энергия приливов и отливов – 0,3 ТВт/ежегодно.
Основные характеристики ветра
Такое природное явление как “Ветер” принято характеризовать следующими показателями:
Скорость ветра – скорость, с которой происходит перемещение воздушных масс в горизонтальном направлении.
Продолжительность ветра – это время перемещения воздушных масс в каком-либо определенном направлении. Для примера отметим, что некоторые грозы могут длиться всего несколько минут; утренний/вечерний бриз – несколько часов; сезонные ветры, вызванные сезонными изменениями температуры – дуют месяцами; пассаты (глобальные ветры), вызванные разницей температур в разных широтах, дуют постоянно.
Сила ветра – это величина комплексно оценивающая скорость ветра и его воздействие на наземные предметы или по волнению в открытом море. Существует шкaлa для оценки силы ветра в баллах. Подробно со шкалой и ее параметрами можно ознакомиться тут.
Направление ветра – это параметр, который указывает на сторону части горизонта с которой дует ветер. Параметр определяют по компасу. Направление ветра может быть южное, юго-западное, северо-восточное, восточное и т.д.
Порывистость ветра – кратковременные либо значительные отклонения скорости и направления ветра от средних значений на определенной местности.
Повторяемость ветров – преобладающее направление ветра в данном месте в определенный период (год, сезон, месяц). Для изучения цикличности ветров различных направлений на местности строят график, называемый розой ветров.
Турбулентность ветра – это параметр характеризует многочисленные беспорядочно движущиеся вихри и струи разных размеров в общем потоке движения воздушных масс. Такое явление возникает вследствие различия скоростей ветра в смежных слоях воздуха. Так отдельные количества воздуха, увлекаемые этими вихрями и струями, еще называемые элементами турбулентности, движутся по всем направлениям, в том числе перпендикулярно к среднему направлению ветра и даже против него. Таким образом, на общий перенос воздуха в определенном направлении и с определенной скоростью налагается система хаотических, беспорядочных движений отдельных элементов турбулентности по сложным переплетающимся траекториям.
Экскурс в историю развития ветроэнергетики
Скорее всего, первый механизм, который использовал энергию ветра, был простым устройством с вертикальной осью вращения лопастей, который использовался для размола зерна. Около 200 лет до н.э. в Персии появились первые мельницы с горизонтальной осью вращения. Подобный примитивный тип ветряной мельницы применяется до наших дней во многих странах Средиземноморья.
Первое письменное описание устройства для выполнения механической работы при использовании ветра – работа Герона, который в 1 веке н.э. описал принцип работы ветряной мельницы.
В Средневековой Европе ветряные мельницы начали строиться после завершения крестоносцами Крестовых походов и их возвращения из Средней Азии.
В Х столетии во многих городах Европы начинают строить ветряные мельницы с использованием гидродвигателя.
Уже XIV столетии по всей Европе начинается повсеместное использование ветряных мельниц для орошения полей в засушливых областях, для откачивания воды с земель, огражденных дамбами, а также для осушения болот и озер.Так, к примеру, в середине XIX столетия в Голландии уже использовалось для разных целей около 9 тыс. ветродвигателей.
В начале ХХ столетия резко возрос интерес к использованию энергии ветра для нужд промышленности и сельского хозяйства. В 1890 году в Королевстве Дания была построена первая ветряная электростанция, а к 1908 году (через 18 лет) их уже насчитывалось 72, установленной мощностью каждая от 5 до 25 кВт.
К началу ХХ столетия в Российской империи функционировало около 2,5 тысяч ветряных мельниц общей мощностью 1 млн. кВт.
В 1931 году недалеко от Ялты была построена самая крупная на том время ветроэнергетическая установка общей мощностью около 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата уже на 5000 кВт. Но реализовать и запустить проект полностью не удалось.
В период с 40-х по 70-е годы прошлого столетия предпринимались неудачные попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике. Причиной этому было интенсивное строительство мощных тепловых-, гидро- и атомных электростанций, а также распределительных электросетей, обеспечивающих независимое от погодных условий энергоснабжение. Также способствовали невысокие цены на добываемую нефть.
Возрождение интереса к ветроэнергетике, как и ко многим другим альтернативным видам энергетики (в частности солнечной), началось в 1970-х после нефтяного кризиса. Переломный период явно показал сильную зависимость множества стран и их отраслей экономики от импорта нефти, что стало причиной поиска возможных вариантов для снижения этой зависимости.
В настоящий момент ветроэнергетика является быстро развивающейся и перспективной отраслью. К началу 2015 года установленная мощность всех ВЭУ мира составила 369 ГВт.
Преимущества и недостатки ветроэнергетики
Поговорим о недостатках и преимуществах использования энергии вера и ветроэнергетики в целом.
Энергия ветра – это возобновляемый источник энергии, является общедоступным и возобновляемым ресурсом. Пока будет светить Солнце и независимо от того, сколько энергии ветра используется сегодня, в будущем она по-прежнему будет доступна в тех же объемах.
Стоимость строительства и эксплуатации ветроустановок. Отметим, что за последние 10 лет себестоимость 1 кВт электроэнергии, полученной при использовании энергии ветра, резко сократилась. Вместе с тем для старта работы ветрогенератора и начала генерации электроэнергии в сеть требуются значительные первоначальные инвестиций. Так около 80% начальных капиталовложений – это стоимость оборудования и его монтаж на подготовленную площадку. Однако эксплуатационные расходы на содержание установки в течение всего срока эксплуатации практически сведены к минимуму.
Энергия ветра является источником относительно чистого электричества. Ветряные электростанции не выделяют в окружающую среду загрязняющих веществ и их влияние на экологию не так значительно, как энергоустановок, работающих на ископаемом топливе. Но все же они создают некоторые проблемы. Так лопасти ветрогенераторов создают шум, визуально они могут портить ландшафт, о них разбиваются птицы и летучие мыши. Большинство из этих проблем решаются в той или иной мере за счет применения различных технологий и разумного размещения ветроустановок.
Основная проблема, связанная с использованием энергии ветра – прямая и сильная зависимость вырабатываемой энергии от природных и метеорологических факторов.
Так, в некоторых местностях, наиболее пригодных для проживания и ведения хозяйственной деятельности, ветра дуют очень слабо. Следовательно, там экономически невыгодно строить и использовать ветрогенераторы. И наоборот, местности с сильными ветрами часто бывают не очень удобны для заселения.
Также ветроэнергетические установки могут создавать проблемы для обработки и эксплуатации земли, скотоводства, например, ветряные турбины могут мешать выпасу скота или занимать место под посевы.
Как работает ветрогенератор
Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.
Вращения внутреннего вала ветрогенератора происходит за счет кинетической энергии ветра, возникающей при воздействии ветра на лопасти ветряной станции. Внутренний вал, соединенный с редуктором, увеличивает скорость вращения и подключен к генератору, который осуществляет выработку электроэнергии.
Для оптимизации использования энергии ветра большинство современных ветрогенераторов оснащаются оборудованием автоматического поворота в направлении ветра, а также возможностью изменять угол наклона лопастей.Мощность ветрогенератора находится в зависимости от мощности воздушного потока определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью.
Мощности ветрогенератора N рассчитывается по формуле:
N = pSv3/2,
где
v – скорость ветра;
p – плотность воздуха;
S – ометаемая площадь.
Расчет ориентировочного значения мощности ветряка можно получить с помощью ветрокалькулятора тут или провести самостоятельный расчет по примеру как указано тут.
Следует отметить, что ощутимое влияние на мощность ветрогенератора оказывает высота размещения его над поверхностью от земли, т.к. в верхних слоях атмосферы скорость ветра значительно выше, за счёт снижения потерь на трение с подстилающей поверхностью (уменьшение турбулентности). Высота расположения генератора выше пограничного слоя в 100 метров одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности.
Заметим, что ветряки имеют максимальный теоретический порог своей эффективности.
В 1919 году немецкий физик Альберт Бецем теоретическим образом определил максимальную энергию, которую можно получить от ветрогенератора. Так, согласно Закону Беца – ветрогенератор может произвести не более 59,3 % от кинетической энергии ветра.
Поясним: если считать, что вся энергия от движения ветра посредством воздействия на лопасти передается турбине и преобразуется в полезную энергию, то скорость ветра на выходе из ветрогенератора должна была бы быть равна нулю. Но если бы воздушная масса полностью останавливалась за турбиной, то поступающая свежий ветер в турбину уже не смог попасть. Поэтому необходимо некоторое движение воздуха за турбиной, для создания движения воздушной массы в самой турбине.
Устройство ветрогенераторов
Самая распространенная конструкция ветрогенератора состоит из следующих обязательных элементов:
- мачта. Обычно мачты полые и изготавливаются из металла или бетона;
- гондола. Крепится на самом верху мачты. В гондоле находятся следующие элементы конструкции: вал, редуктор, генератор, котроллер и тормоз;
- флюгер. Размещен на корпусе гондолы. Служит для определения направления ветра и ориентирует гондолу в заданном направлении;
- анемометр. Определяет скорость ветра и передает данные в контроллер;
- ротор. На роторе с разных сторон крепятся лопасти ветряка и ступицы;
- низкоскоростной вал. Этот элемент приводится в движение ротором;
- высокоскоростной вал. Подсоединен непосредственно к электрогенератору;
- редуктор. Механически соединяет низкоскоростной и высокоскоростной валы, увеличивая скорость вращения последнего;
- электрогенератор.
- контроллер. Интеллектуальный программируемый элемент установки, который управляет работой ветрогенератора;
- тормоз. Используется для остановки ротора в штатных и критических ситуациях.
Типы ветрогенераторов
Все существующие на сегодняшний день ветрогенераторы по своим конструктивным особенностям делятся на следующие типы и подтипы:
- по количеству установленных лопастей (3 лопастные, 5 лопастные и т.д.);
- по расположению оси вращения:
– с вертикальной осью вращения (роторные и лопастные конструкции Дарье);
– с горизонтальной осью вращения (как в традиционных ветряных мельницах, или мельницах, используемых для откачки воды) – отметим, что большинство современных ветрогенераторов имеют именно горизонтальную ось вращения;
- по используемым технологическим приёмам и материалам конструкции (металлические аэродинамические лопасти; текстильные парусные лопасти и др.);
- по виду вырабатываемой энергии (электроветрогенераторы, с использованием водяного насоса, пневматические – сжимают воздух для дальнейшего его использования или преобразования в другие виды энергии, др.);
- по сфере применения:
– промышленные (выработка энергии для производственных нужд предприятия);
– коммерческие (выработка электроэнергии для продажи в сеть);
– бытовые (для частного использования в домашнем хозяйстве).
Основные характеристики ветрогенераторов
Работу всех ветрогенераторов описывают следующими параметрами:
Объем вырабатываемой энергии – это основной параметр ветрогенератора.Зависит от среднегодовой скорости ветра в месте установки, размера ветрогенератора (имеется в виду ометаемая площадь или диаметр ветротурбины) и некоторых конструктивных особенностей установки.Рассчитать ожидаемый объем выработки энергии можно с помощью ветрокалькулятора тут.
Номинальная мощность ветрогенератора – мощность, развиваемая ветроустановкой при выбранной расчётной скорости ветра. Величина пропорциональна квадрату диаметру ветротурбины и кубу выбранной расчетной скорости.Этот параметр часто принимается основным при выборе и сравнении различных вариантов ветрогенераторов между собой. Однако реальная мощность ветрогенератора не равна номинальной мощности и зависит от множества дополнительных параметров.При сравнении ветрогенераторов по их номинальной мощности корректно их сравнивать только при равных всех расчетных параметрах: скорости ветра, диаметру ветротурбины и др.
Размер ветрогенератора – обычно указывается диаметр ветротурбины.Ометаемая площадь ветротурбины пропорциональна квадрату её диаметра, а номинальная мощность ветрогенератора и объем выработанной энергии пропорционален площади ветроприемного устройства.Т.е. если диаметры ветроустановок различаются в 1.5 раза, то их энергетические возможности различаются в 2.25 раза.
Расчетная скорость ветра для ветрогенератора – скорость ветра, при которой ветроустановка достигает своей номинальной мощности. При превышении расчетной скорости ветра начинает работать система регулирования, которая ограничивает дальнейший рост оборотов и мощности установки.
Стартовая скорость ветра – скорость ветра при которой ветроустановка начинает вращаться и заряжать аккумуляторы.Обычно этот параметр находится в диапазоне между 2.5-3.5 м/с. Но может варьироваться для машин с жестко установленными лопастями.
Максимальная эксплуатационная скорость ветра – скорость ветра, которая может привести к разрушению работающей ветроустановки. Для стационарного ветряка принимается не более 45-50 м/с. В ином случае ее эксплуатация становится небезопасной.
Способ регулирования ветрогенераторов – механизмы и методы, позволяющие регулировать основные параметры работы ветроустановки. Наиболее эффективный способ регулирования – изменение угла установки лопастей (изменение “шага турбины”). Компромиссным вариантом являются системы с выводом ветротурбины из-под ветра. Они проще реализуются, но имеют и ряд существенных недостатков.
Высота мачты – часто для снижения общей стоимости комплекта ветроустановки предлагаются очень низкие мачты. Такая экономия может оказаться неоправданно дорогой, так как скорость и равномерность ветрового потока сильно зависит от высоты размещения турбины.Для примера: если принять скорость потока на высоте 10 м за 1, то на других высотах его скорость составит: 5 м – 0.87; 10 м – 1; 15 м – 1.08; 20 м – 1.15; 25 м – 1.20. При этом если учесть кубическую зависимость мощности ветрогенератора от скорости ветра, то объем вырабатываемой энергии распределиться следующим образом: на 5 м – 0.66; на 10 м – 1;на 15 м – 1.28; на 20 м – 1.52; на 25 м – 1.73.Таким образом, при в сравнении 2 ветроустановок с высотой размещения мачты 5 и 20 метров, то разница в выработке электроэнергии будет составлять 1.52/0.66 = 2.3 раза.Дополнительным положительным элементом более высокого размещения турбины есть тот факт, что ветряк на более высокой мачте создает меньше шума.
Шум – является немаловажным параметром ветрогенератора.
Выделяют две разновидности шума от работающих ветрогенераторов:
- механический шум — шум от работы механических и электрических компонентов установки. В современных ветроустановоках такой шум практически отсутствует, но является значительным в устаревших конструкциях.
- аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки.
В некоторых Европейских странах законодательно ограничены уровни максимального шума от работающей ветряной энергетической установки.
Преимущества и недостатки разных типов ветрогенераторов
Благодаря своей эффективности и технической надежности наибольшее распространение получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения.
В тоже время в местностях с малой скоростью и переменным направлением ветров, а также с небольшими потребностями в электроэнергии (бытовые хозяйства) популярность набирают ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Учитывая невысокую скорость ветров в нашем регионе (обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с), производители ветрогенераторов малой энергетики (для нужд частного использования), в последнее время уделяют этому виду все большее внимание.
Дело в том, что для эффективной работы ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения необходима постоянная ориентация по ветру. Так как обычные континентальные ветра малой интенсивности постоянно изменяют свое направление, то приходится регулярно изменять ориентацию установки. При частой смене ветра возникает эффект «болтания» ветряка из стороны в сторону и, конечно, происходит частичная потеря эффективности его работы.
Ветряки с вертикальной осью вращения, в силу своей конструкционной особенности, являются всенаправленными – т.е. у них процесс ориентации отсутствует, а значит, при постоянной смене направления ветра они будут обладать большей эффективностью.
Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть ещё несколько существенных преимуществ:
- они практически бесшумны;
- не требуют совершенно никакого обслуживания;
- имеют гарантированный срок службы более 20 лет.
Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу таких устройств даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.
К недостаткам ветрогенераторов с вертикальной осью вращения можно отнести очень низкое значение ветроиспользования – около 20-30%, в то время как классические ветрогенераторы с горизонтальной осью – больше 40%.
Совершенствование работы ветрогенераторов в основном идет на основе инноваций в способах приема энергии ветра. Создаются различные профили лопастей, парусов, профилей. Источник энергии, ветер – как естественное явление, воспринимается как элемент системы, который не поддается управлению. И в технической системе «ветер-ветроустановка», обе составляющие имеют одинаковую силу. Управление обоими элементами позволяет получить высокую эффективность ее работы и отдачи.
Так, на сегодняшний день предпринимаются попытки повышения эффективности использования ветрогенераторов с вертикальной осью вращения путем увеличения скорости воздушного потока при обтекании цилиндра.
Обновленная конструкция ветрогенератора позволяет:
- Предотвратить потери энергии воздушного потока, за счет отсутствия взаимодействия с ним лопастей ротора на противоходе;
- Организовать однонаправленное движение лопастей и внутреннего объема воздуха, за счет эжекции последнего разгоняющимся воздушным потоком после обтекания полуцилиндра. Это также снижает потери энергии воздушного потока.
Вдобавок предлагается к использованию новые конструкции ветроустановок, которые позволяют управлять процессом сбора энергии от ветра для концентрации этой энергии на генераторе – так называемая “ветроустановка-башня” (разработка Станислава Гусака с Днепропетровщины).
Данная установка позволяет управлять энергией воздушного потока путем ее концентрации на лопастях генератора. Отпадает необходимость настраивать лопасти генератора «на ветер». Настраивается только система приема ветра в нижней части башни.
Система концентрации энергии позволяет повышать скорость воздушного потока во внутреннем канале и увеличивать мощность. Проведенные эксперименты в аэродинамической трубе показали увеличение производимой генератором энергии в 4 раза, а для малых скоростей воздуха более чем в 10 раз.
Следует отметить еще один интересный факт: КПД использования ветрогенератора незначительно возрастает зимой. В условиях более плотного, холодного воздуха и повышенного давления. При одинаковых скоростях ветра, генерируемая мощность увеличивается на 7 – 10%. Отсутствие листвы и более гладкая, за счёт снежного покрова, поверхность земли также способствует снижению турбулентности и увеличению скорости ветра.
