Вітроенергетика

Зміст:

• Що таке енергія вітру?
• Історія розвитку вітроенергетики
• Переваги та недоліки вітроенергетики
• Як працює вітрогенератор
• Конструкція вітрогенератора
• Типи вітрогенераторів
• Характеристики вітрогенераторів
• Переваги та недоліки вітрогенераторів

Що таке енергія вітру

Енергія вітру є однією з форм сонячної енергії.

Внаслідок нерівномірності складу ґрунту, рельєфу місцевості, а також товщини атмосферного шару Сонце нагріває поверхню Землі з різною інтенсивністю. Нагріта Сонцем поверхня передає тепло повітряним масам, що розташовані над нею. Оскільки щільність повітря залежить від його температури, утворюються зони з різними атмосферними тисками (бо тепле повітря легше, холодне – важче). У міру того як гаряче повітря піднімається вертикально до Земної поверхні, більш холодне повітря переміщається вздовж Землі (горизонтально) щоб заповнити порожнечу, що утворилася.

Таким чином, визначимо “Вітер” як процес вирівнювання тиску шляхом переміщення повітряних мас з області високого тиску в область низького тиску, що народжується внаслідок нерівномірного прогріву Земної поверхні.

Енергія вітру – поряд з енергією падаючої води – один з найдоступніших і використовується з давніх часів вид перетвореної енергії Сонця. Люди почали використовувати такий вид енергії кілька століть тому, коли з’явилися перші вітряки, які гойдали воду або мололи зерно. Термін “Енергія вітру” можна визначити як енергію, за допомогою якої рух повітряних мас (вітер) перетворюється на інші види енергій.

Енергія вітру може бути перетворена на:

• кінетичну енергію (рух вітрильних кораблів, політ повітряної змія чи повітряної кулі);
• механічну енергію (вітряні установки для помелу борошна або перекачування води);
• електричну енергію (вітрогенератори для електричної енергії).

Потенціал енергії вітру

Розбивка по джерелам енергії:

1. Випромінювання Сонця доступне людству 23 000 ТВт щорічно (в 25 разів перевищує енергетичний запас всього вугілля на планеті).
2. Вугілля – глобальний запас 900 ТВт.
3. Уран – глобальний запас від 90 до 300 ТВт (за різними оцінками).
4. Нафта – всього 240 ТВт.
5. Природний газ – лише 215 ТВт.
6. Енергія вітру – 25 – 700 ТВт щорічно.
7. Енергія океану (течі) – 3-4 ТВт щорічно.
8. біомаса – 2-6 ТВт щорічно.
9. Гідроенергетика – 3-4 ТВт щорічно.
10. Геотермальна енергетика – 0,3-2 ТВт щорічно.
11. Енергія припливів і відливів – 0,3 ТВт / щорічно.

Основні характеристики вітру

Таке природне явище як “Вітер” прийнято характеризувати такими показниками:

Швидкість вітру – швидкість, з якою відбувається переміщення повітряних мас у горизонтальному напрямку.

Тривалість вітру – це час переміщення повітряних мас у певному напрямку. Наприклад відзначимо, деякі грози можуть тривати лише кілька хвилин; ранковий/вечірній бриз – кілька годин; сезонні вітри, спричинені сезонними змінами температури – дмуть місяцями; пасати (глобальні вітри), викликані різницею температур у різних широтах, дмуть постійно.

Сила вітру – це величина, що комплексно оцінює швидкість вітру і його вплив на наземні предмети або за хвилюванням у відкритому морі. Існує шкала для оцінки сили вітру в балах. Детально зі шкалою та її параметрами можна ознайомитись тут.

Напрям вітру – це параметр, який вказує на бік частини горизонту з якою дме вітер. Параметр визначають за компасом. Напрям вітру може бути південний, південно-західний, північно-східний, східний і т.д.

Поривчастість вітру – короткочасні чи суттєві відхилення швидкості і напрями вітру від середніх значень певної території.

Повторюваність вітрів – переважний напрямок вітру у цьому місці певний період (рік, сезон, місяць). Для вивчення циклічності вітрів різних напрямів біля будують графік, званий трояндою вітрів.

Турбулентність вітру – це параметр характеризує численні вихори і струмені різних розмірів, що безладно рухаються, в загальному потоці руху повітряних мас. Таке явище виникає внаслідок відмінності швидкостей вітру у суміжних шарах повітря. Так окремі кількості повітря, які захоплюються цими вихорами і струменями, ще звані елементами турбулентності, рухаються по всіх напрямках, у тому числі перпендикулярно до середнього напрямку вітру і навіть проти нього. Таким чином, на загальний перенесення повітря в певному напрямку і з певною швидкістю накладається система хаотичних, безладних рухів окремих елементів турбулентності по складним траєкторіям, що переплітаються.

Екскурс в історію розвитку вітроенергетики

Швидше за все, перший механізм, який використовував енергію вітру, був простим пристроєм з вертикальною віссю обертання лопат, який використовувався для розмелювання зерна. Близько 200 років до н. у Персії з’явилися перші млини з горизонтальною віссю обертання. Подібний примітивний тип вітряка застосовується до наших днів у багатьох країнах Середземномор’я.

Перший письмовий опис пристрою для виконання механічної роботи при використанні вітру – робота Герона, який у 1 столітті н.е. описав принцип роботи вітряка.

У Середньовічній Європі вітряки почали будуватися після завершення хрестоносцями Хрестових походів та їх повернення із Середньої Азії.

У Х столітті у багатьох містах Європи починають будувати вітряки з використанням гідродвигуна.

Вже XIV столітті по всій Європі починається повсюдне використання вітряків для зрошення полів у посушливих областях, для відкачування води із земель, огороджених дамбами, а також для осушення боліт та озер. цілей близько 9 тис. вітродвигунів.

На початку ХХ століття різко зріс інтерес до використання енергії вітру для потреб промисловості та сільського господарства. У 1890 році у Королівстві Данія була побудована перша вітряна електростанція, а до 1908 року (через 18 років) їх уже налічувалося 72, встановленою потужністю кожна від 5 до 25 кВт.

До початку ХХ століття в Російській імперії функціонувало близько 2,5 тисячі вітряків загальною потужністю 1 млн. кВт.

У 1931 році неподалік Ялти була побудована найбільша на той час вітроенергетична установка загальною потужністю близько 100 кВт, а пізніше розроблений проект агрегату вже на 5000 кВт. Але реалізувати та запустити проект повністю не вдалося.

У період з 40-х по 70-ті роки минулого сторіччя робилися невдалі спроби використати енергію вітру у великомасштабній енергетиці. Причиною цього було інтенсивне будівництво потужних теплових-, гідро- та атомних електростанцій, а також розподільчих електромереж, які забезпечують незалежне від погодних умов енергопостачання. Також сприяли невисокі ціни на нафту, що видобувається.

Відродження інтересу до вітроенергетики, як і до інших альтернативних видів енергетики (зокрема сонячної), почалося в 1970-х після нафтової кризи. Переломний період явно показав сильну залежність багатьох країн та його галузей економіки від імпорту нафти, що стало причиною пошуку можливих варіантів зниження цієї залежності.

В даний момент вітроенергетика є швидко розвивається і перспективною галуззю.

На початок 2015 року встановлена ​​потужність усіх ВЕУ світу становила 369 ГВт.

Переваги та недоліки вітроенергетики

Поговоримо про недоліки та переваги використання енергії віра та вітроенергетики загалом.

Енергія вітру – це відновлюване джерело енергії яке є загальнодоступним та відновлюваним ресурсом. Поки світитиме Сонце і незалежно від того, скільки енергії вітру використовується сьогодні, у майбутньому вона, як і раніше, буде доступна в тих же обсягах.

Вартість будівництва та експлуатації вітроустановок. Зазначимо, що за останні 10 років собівартість 1 кВт електроенергії, отриманої при використанні енергії вітру, різко скоротилася. Разом з тим для старту роботи вітрогенератора та початку генерації електроенергії в мережу потрібні значні початкові інвестиції. Так близько 80% початкових капіталовкладень – це вартість обладнання та його монтаж на підготовлений майданчик. Однак експлуатаційні витрати на утримання установки протягом усього терміну експлуатації практично зведені до мінімуму.

Енергія вітру є джерелом відносно чистої електрики. Але все ж таки вони створюють деякі проблеми. Так лопаті вітрогенераторів створюють шум, візуально вони можуть псувати ландшафт, про них розбиваються птахи та кажани. Більшість із цих проблем вирішуються тією чи іншою мірою за рахунок застосування різних технологій та розумного розміщення вітроустановок.

Основна проблема, пов’язана з використанням енергії вітру – пряма і сильна залежність енергії, що виробляється від природних і метеорологічних факторів.

Так, у деяких місцевостях, найбільш придатних для проживання та ведення господарської діяльності, вітри дмуть дуже слабо. Отже, там економічно невигідно будувати та використовувати вітрогенератори. І навпаки, місцевості із сильними вітрами часто бувають не дуже зручними для заселення.

Також вітроенергетичні установки можуть створювати проблеми для обробки та експлуатації землі, скотарства, наприклад, вітряні турбіни можуть заважати випасу худоби або займати місце під посіви.

Як працює вітрогенератор

Вітрогенератор (вітроелектрична установка або скорочено ВЕУ) – пристрій для перетворення кінетичної енергії повітряного потоку в механічну енергію обертання ротора з подальшим її перетворенням на електричну енергію.

Обертання внутрішнього валу вітрогенератора відбувається за рахунок кінетичної енергії вітру, що виникає при дії вітру на лопаті вітряної станції. Внутрішній вал, з’єднаний з редуктором, збільшує швидкість обертання та підключений до генератора, який здійснює вироблення електроенергії.

Для оптимізації використання енергії вітру більшість сучасних вітрогенераторів оснащуються обладнанням автоматичного повороту в напрямку вітру, а також можливістю змінювати кут нахилу лопатей.

Потужність вітрогенератора N розраховується за формулою:

N = pSv3/2,

де

v – швидкість вітру;

p – щільність повітря;

S – огортається площа.

Розрахунок орієнтовного значення потужності вітряка можна отримати за допомогою вітрокалькулятора тут або провести самостійний розрахунок за прикладом, як зазначено тут.

Слід зазначити, що вплив на потужність вітрогенератора надає висота розміщення його над поверхнею від землі, т.к. у верхніх шарах атмосфери швидкість вітру значно вища, за рахунок зниження втрат на тертя з поверхнею, що підстилає (зменшення турбулентності). Висота розташування генератора вище за прикордонний шар у 100 метрів одночасно дозволяє збільшити діаметр лопатей і звільняє площі на землі для іншої діяльності.

Зауважимо, що вітряки мають максимальний теоретичний поріг своєї ефективності.

У 1919 році німецький фізик Альберт Бецем теоретично визначив максимальну енергію, яку можна отримати від вітрогенератора. Так, згідно із Законом Беца – вітрогенератор може виробити не більше 59,3 % від кінетичної енергії вітру.

Пояснимо: якщо вважати, що вся енергія від руху вітру за допомогою впливу на лопаті передається турбіні і перетворюється на корисну енергію, то швидкість вітру на виході з вітрогенератора повинна була б дорівнювати нулю. Але якби повітряна маса повністю зупинялася за турбіною, то свіжий вітер, що надходить, у турбіну вже не зміг потрапити. Тому необхідний деякий рух повітря за турбіною, для створення руху повітряної маси у самій турбіні.

Конструкція вітрогенераторів

Найпоширеніша конструкція вітрогенератора складається з наступних обов’язкових елементів:

• щогла. Зазвичай щогли порожнисті та виготовляються з металу чи бетону;
• гондола. Кріпиться на вершині щогли. У гондолі знаходяться наступні елементи конструкції: вал, редуктор, генератор, котролер та гальмо;
• флюгер. Розташований на корпусі гондоли. Служить визначення напрями вітру і орієнтує гондолу в заданому напрямі;
• анемометр. Визначає швидкість вітру та передає дані в контролер;
• ротор. На роторі з різних боків кріпляться лопаті вітряка та маточини;
  низькошвидкісний вал. Цей елемент рухається ротором;
• швидкісний вал. Під’єднаний безпосередньо до електрогенератора;
• редуктор. Механічно з’єднує низькошвидкісний та високошвидкісний вали, збільшуючи швидкість обертання останнього;
• електрогенератор;
• контролер. Інтелектуальний програмований елемент установки, який керує роботою вітрогенератора;
• гальмо. Використовується для зупинки ротора у штатних та критичних ситуаціях.

Типи вітрогенераторів

Всі існуючі на сьогоднішній день вітрогенератори за своїми конструктивними особливостями діляться на такі типи та підтипи:

• за кількістю встановлених лопатей (3 лопатеві, 5 лопатеві і т.д.);
• за розташуванням осі обертання:
• з вертикальною віссю обертання (роторні та лопатеві конструкції Дар’ї);
• з горизонтальною віссю обертання (як у традиційних вітряках, або млинах, що використовуються для відкачування води) – зазначимо, що більшість сучасних вітрогенераторів мають саме горизонтальну вісь обертання;
• за використовуваними технологічними прийомами та матеріалами конструкції (металеві аеродинамічні лопаті; текстильні вітрильні лопаті та ін);
• за видом енергії, що виробляється (електроветрогенератори, з використанням водяного насоса, пневматичні – стискають повітря для подальшого його використання або перетворення в інші види енергії, ін.);
• по сфері застосування:

• Промислові (вироблення енергії для виробничих потреб підприємства);
• Комерційні (вироблення електроенергії на продаж у мережу);
• Побутові (для приватного використання в домашньому господарстві).

Основні характеристики вітрогенераторів

Роботу всіх вітрогенераторів описують такими параметрами:

Обсяг вироблюваної енергії – це основний параметр вітрогенератора. Залежить від середньорічної швидкості вітру в місці установки, розміру вітрогенератора (мається на увазі площа, що ометається або діаметр вітротурбіни) і деяких конструктивних особливостей установки.Розрахувати очікуваний обсяг вироблення енергії можна за допомогою вітрокалькулятора тут.

Номінальна потужність вітрогенератора – потужність, що розвивається вітроустановкою при вибраній розрахунковій швидкості вітру. Величина пропорційна квадрату діаметру вітротурбіни та кубу обраної розрахункової швидкості. Цей параметр часто приймається основним при виборі та порівнянні різних варіантів вітрогенераторів між собою. Однак реальна потужність вітрогенератора не дорівнює номінальній потужності і залежить від безлічі додаткових параметрів.

Розмір вітрогенератора – зазвичай вказується діаметр вітротурбины.Ометанная площа вітротурбини пропорційна квадрату її діаметра, а номінальна потужність вітрогенератора і обсяг виробленої енергії пропорційний площі вітроприймального устройства. якщо діаметри вітроустановок різняться в 1.5 рази, їх енергетичні можливості різняться в 2.25 разу.

Розрахункова швидкість вітру для вітрогенератора – швидкість вітру, за якої вітроустановка досягає своєї номінальної потужності. При перевищенні розрахункової швидкості вітру починає працювати система регулювання, яка обмежує подальше зростання обертів та потужності установки.

Стартова швидкість вітру – швидкість вітру, при якій вітроустановка починає обертатися і заряджати акумулятори. Зазвичай цей параметр знаходиться в діапазоні між 2.5-3.5 м/с. Але може змінюватись для машин з жорстко встановленими лопатями.

Максимальна експлуатаційна швидкість вітру – швидкість вітру, яка може призвести до руйнування вітроустановки, що працює. Для стаціонарного вітряка приймається трохи більше 45-50 м/с. Інакше її експлуатація стає небезпечною.

Спосіб регулювання вітрогенераторів – механізми та методи, що дозволяють регулювати основні параметри роботи вітроустановки. Найбільш ефективний спосіб регулювання – зміна кута установки лопатей (зміна кроку турбіни). Компромісним варіантом є системи з виведенням вітротурбіни з-під вітру. Вони простіше реалізуються, але мають і низку істотних недоліків.

Висота щогли – часто зниження загальної вартості комплекту вітроустановки пропонуються дуже низькі щогли. Така економія може виявитися невиправдано дорогою, оскільки швидкість і рівномірність вітрового потоку залежить від висоти розміщення турбіни. Для прикладу: якщо прийняти швидкість потоку на висоті 10 м за 1, то на інших висотах його швидкість складе: 5 м – 0.87; 10 м – 1; 15 м – 1.08; 20 м – 1.15; 25 м – 1.20. При цьому якщо врахувати кубічну залежність потужності вітрогенератора від швидкості вітру, то обсяг енергії, що виробляється, розподілитися наступним чином: 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 чином, при порівнянні 2 вітроустановок з висотою розміщення щогли 5 і 20 метрів, то різниця у виробленні електроенергії становитиме 1.52/0.66 = 2.3 рази. на вищій щоглі створює менше шуму.

Шум – є важливим параметром вітрогенератора.

Виділяють два різновиди шуму від працюючих вітрогенераторів:

• механічний шум – шум від роботи механічних та електричних компонентів установки. У сучасних вітроустановках такий шум практично відсутній, але є значним у застарілих конструкціях.
• аеродинамічний шум – шум від взаємодії вітрового потоку з лопатями установки.

У деяких Європейських країнах законодавчо обмежені рівні максимального шуму від вітряної енергетичної установки, що працює.

Переваги та недоліки різних типів вітрогенераторів

Завдяки своїй ефективності та технічній надійності найбільшого поширення набула конструкція вітрогенератора з трьома лопатями та горизонтальною віссю обертання.

Водночас у місцевостях із малою швидкістю та змінним напрямом вітрів, а також з невеликими потребами в електроенергії (побутові господарства) популярність набирають вітрогенератори з вертикальною віссю обертання. Враховуючи невисоку швидкість вітрів у нашому регіоні (зазвичай знаходиться в діапазоні від 3 до 12 м/с), виробники вітрогенераторів малої енергетики (для потреб приватного використання) останнім часом приділяють цьому виду дедалі більшу увагу.

Справа в тому, що для ефективної роботи вітрогенераторів з горизонтальною віссю обертання необхідна постійна орієнтація за вітром. Так як звичайні континентальні вітри малої інтенсивності постійно змінюють свій напрямок, доводиться регулярно змінювати орієнтацію установки. При частій зміні вітру виникає ефект «бовтання» вітряка з боку на бік і, звичайно, відбувається часткова втрата ефективності його роботи.

Вітряки з вертикальною віссю обертання, через свою конструкційну особливість, є всеспрямованими – тобто. у них процес орієнтації відсутній, а значить, при постійній зміні напряму вітру вони матимуть більшу ефективність.

Варто зазначити, що вертикальні вітрогенератори мають ще кілька істотних переваг:

• вони практично безшумні;
• не вимагають абсолютно ніякого обслуговування;
• мають гарантований термін служби понад 20 років.

Системи гальмування, розроблені останніми роками, гарантують стабільну роботу таких пристроїв навіть за періодичних шквальних поривів до 60 м/с.

До недоліків вітрогенераторів з вертикальною віссю обертання можна віднести дуже низьке значення вітровикористання – близько 20-30%, тоді як класичні вітрогенератори з горизонтальною віссю – більше 40%.

Удосконалення роботи вітрогенераторів переважно йде з урахуванням інновацій у засобах прийому енергії вітру. Створюються різні профілі лопатей, вітрил, профілів. Джерело енергії, вітер – як природне явище, сприймається як елемент системи, що не піддається управлінню. І в технічній системі «вітер-вітроустановка» обидві складові мають однакову силу. Управління обома елементами дозволяє отримати високу ефективність її роботи та віддачі.

Так, на сьогоднішній день робляться спроби підвищення ефективності використання вітрогенераторів з вертикальною віссю обертання шляхом збільшення швидкості повітряного потоку під час обтікання циліндра.

Оновлена ​​конструкція вітрогенератора дозволяє:

1. Запобігти втраті енергії повітряного потоку за рахунок відсутності взаємодії з ним лопатей ротора на протиході;
2. Організувати односпрямований рух лопатей і внутрішнього об’єму повітря, за рахунок ежекції останнього повітряним потоком, що розганяється, після обтікання напівциліндра. Це також знижує втрати енергії повітряного потоку.

До того ж, пропонується до використання нові конструкції вітроустановок, які дозволяють керувати процесом збирання енергії від вітру для концентрації цієї енергії на генераторі – так звана “вітроустановка-вежа” (розробка Станіслава Гусака з Дніпропетровщини).

Ця установка дозволяє керувати енергією повітряного потоку шляхом її концентрації на лопатях генератора. Відпадає необхідність налаштовувати лопаті генератора “на вітер”. Налаштовується лише система прийому вітру у нижній частині вежі.

Система концентрації енергії дозволяє підвищувати швидкість повітряного потоку у внутрішньому каналі та збільшувати потужність. Проведені експерименти в аеродинамічній трубі показали збільшення енергії, що виробляється генератором, в 4 рази, а для малих швидкостей повітря більш ніж у 10 разів.

Слід зазначити ще один цікавий факт: ККД використання вітрогенератора трохи зростає взимку. В умовах більш щільного, холодного повітря та підвищеного тиску. При однакових швидкостях вітру потужність, що генерується, збільшується на 7 – 10%. Відсутність листя і гладкіша, за рахунок снігового покриву, поверхня землі також сприяє зниженню турбулентності та збільшенню швидкості вітру.

Каталог вітрогенераторів від Alteco