Ветроэнергетика
Содержание Введение Глава I 1. 1 Устройство ветроэнергетической установки 1. 2 Работа ВЭУ 1. 3 Технические характеристики и производительность Глава II 2. 1 Особенности эксплуатации 2. 2 Перспективы использования энергии ветра 2. 3 Достоинства и недостатки ВЭУ
Введение 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. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью.
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. [6][7][8] Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.
Глава I Конструктивное исполнение ветроустановки Рис. 1 Ветроэнергетическая установка Euro. Wind 20
Устройство Существуют два основных вида установок: ветроустановки с вертикальной осью вращения (рис. 2) и ветроустановки с горизонтальной осью вращения (рис. 3). Ветроустановки с горизонтальной осью составляют около 95 % всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем. Ветроустановка включает следующие основные подсистемы и узлы: ротор или лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала; кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор (некоторые турбины работают без редуктора), генератор и другие системы; башню, которая поддерживает ротор и кабину; электрическое и электронное оборудование ветроустановки: также как и панели управления, электрические кабели, оборудование заземления и оборудование для подключения к сети, система молниезащиты и др.
Общая схема ВЭУ Рис. 2 Устройство ВЭУ с вертикальной осью вращения
Рис. 3 Устройство ВЭУ с горизонтальной осью вращения
Схема ветроэлектростанции Рис. 4 Схема реализации ВЭУ
Работа Автономные ветрогенераторы состоят из генератора, хвостовика, мачты, контроллера, инвертора и аккумуляторной батареи. У классических ветровых установок – 3 лопасти, закреплённых на роторе. Вращаясь ротор генератора создаёт трёхфазный переменный ток, который передаётся на контроллер, далее ток преобразуется в постоянное напряжение и подаётся на аккумуляторную батарею. Ток проходя по аккумуляторам одновременно и подзаряжает их и использует АКБ как проводники электричества. Далее ток подаётся на инвертор, где приводиться в наши привычные показатели: переменный однофазный ток 220 В, 50 Гц. Если потребление небольшое то сгенерированного электричества хватает для электроприборов и освещения, если тока с ветряка мало и не хватает - то недостаток покрывается за счёт аккумуляторов.
Такой же принцип в автомобилях: когда мы едем, генератор в машине заряжает аккумуляторы и снабжает электричеством все приборы в машине, когда машина останавливается, то аккумулированный ток идёт из АКБ. Ничего сверхсложного в ветряках нет, в них используются все те изобретения которые мы постоянно используем каждый день, не подозревая об этом. Ветрогенераторы современных конструкций позволяют использовать экономически эффективно энергию ветра. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть» но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов любой мощности
Технические характеристики ВЭУ Месячная выработка энергии 5600 к. Вт в месяц при средней скорости ветра 8 м/с Производительность генератора 1800 -26500 Вт Напряжение ветроэнергетической установки 360 Вольт Максимальная сила тока 73, 6 Ампер Рекомендуемые аккумуляторы 60 шт. 12 В 200 Ач Напряжение после инвертора 380 Вольт 50 Гц Максимальная мощность 26501 Вт Максимальное количество оборотов, об/мин 112 Частота, Гц 50 Тип ветровой электростанции PMG (на постоянных магнитах)
ВЭУ ставят в местах, где с достаточной постоянностью дуют сильные ветры. Сильные стабильные ветры дуют, в частности, над поверхностью морей и океанов и в прибрежных зонах. Поэтому в последнее время все больший интерес вызывает строительство крупных ВЭУ в оффшорных зонах на расстоянии до 10 км от берега. Ниже в табл. 1 приведена шкала Бофорта, характеризующая силу ветра в зависимости от его скорости и его влияние на режим работы ветроустановки Шкала Бофорта Баллы Бофо рта Скорость ветра, м/с Характерис тика ветра Наблюдаемые эффекты действия Воздействие ветра на ВЭУ Условия для работы ВЭУ 0 0, 0 -0, 4 Штиль Дым из труб поднимается вертикально. Нет Отсутствуют 1 0, 4 -1, 8 Тихий Дым немного отклоняется; на воде появляется рябь. Нет Отсутствуют 2 1, 8 -3, 6 Легкий Ветер ощущается лицом; шелестят листья. Нет Плохие для всех установок 3 3, 6 -5, 8 Слабый Развеваются легкий флаги; барашки на отдельных волнах. Начинают вращаться тихоходные ветроколеса Удовлетворительн ые для работы насосов и некоторых ветрогенераторов
Баллы Бофор та Скорость ветра, м/с Характе ристика ветра Наблюдаемые эффекты действия Воздействие ветра на ВЭУ Условия для работы ВЭУ 4 5, 8 -8, 5 Умеренн ый Поднимаются пыль и клочки бумаги; на воде много барашков. Начинают вращаться колеса ветрогенераторов Хорошие для ветрогенерат оров 5 8, 5 -11, 0 Свежий Начинают раскачиваться лиственные деревья. Мощность ВЭУ достигает 30% проектной Очень хорошие 6 11 -14 Сильный Гудят телефонные провода Мощность близка к максимальной Приемлимые 7 14 -17 Крепкий Все деревья раскачиваются Максимальная мощность Предельное допустимые 8 17 -21 Очень крепкий Трудно идти против ветра. Ломаются ветки. Ряд ВЭУ начинает отключаться Недопустимые (? ) 9 21 -25 Шторм Небольшие разрушения. Срываются дымовые трубы Все установки отключаются(? ) Недопустимые (? ) 10 25 -29 Сильный шторм Деревья вырываются с корнем Предельные нагрузки Недопустимые 11 29 -34 Жесткий шторм Широкомасштабные разрушения Повреждения некоторых установок Недопустимые 12 >34 Ураган Опустошительные разрушения Серьезные повреждения вплость до разрушения ВЭУ Недопустимые
Эта зависимость также выполняется и для других ВЭУ. Как видно по графику, мощность данной ВЭУ достигает максимальной при скорости ветра 14, 19 м/с. Причем при увеличение скорости ветра вдвое (от 5 до 10 м/с) мощность ВЭУ увеличивается в 8 раз. При скорости ветра свыше 19 м/с мощность ВЭУ резко падает и при 20 м/с она отключается, так как возможны ее повреждения.
Рис. 6 Схема течения потока сквозь ветроколесо (а), распределение давлений (б) и скоростей воздуха (в) вдоль оси потока
Расчет мощности ВЭУ Где W – мощность, переданная потоком ветроколесу D – диаметр круга, отметаемого лопастями ветроколеса, м p – перепад давлений на ветроколесе, Па V – скорость ветра, м/с Работа ветродвигателя характеризуется следующими этапами: При подходе к ветроколесу поток воздуха тормозится, его скорость плавно уменьшается до некоторой величины. При этом по законы Бернулли, давление возрастает на величину p’. Проходя ветроколесо, потом преодолевает сопротивление, давление скачкообразно уменьшается на величину p’. Но вдали за ветроколесом давление такое же, как и далеко перед ветроколесом, следовательно, после ветроколеса скорость воздуха продолжает падать до величины V’ за счет увеличения диаметра «трубки тока» .
Глава II Особенности эксплуатации ветровых электростанций Рис. 5 Зависимость мощности от скорости ветра для ВЭУ Euro. Wind 20
Как видно из школы Бофорта и приведенной выше шкалы оптимальные условия для работы ветроэнергетических установок соответствуют скорости ветра от 7 до 15 м/с. Соответственно для более мощных ветрогенераторов это значение должно быть ближе к более высокой скорости ветра. У моделей ветрогенераторов мощностью 0, 5 и 1 к. Вт корпуса делаются из алюминиевого сплава. Поэтому они имеют небольшую массу и высокие показатели теплоотдачи. Низкая расчетная скорость ветра (9 — 10 м / с) означает, что при малых скоростях ветра (5 — 6 м / с), которые обычно и преобладают, такой ветряк, например расчетной мощностью 1, 5 к. Вт, выдаст энергии больше, чем другой ветрогенератор мощностью 2 — 3 к. Вт, но с расчетной скоростью ветра 12 м/с. Использование тихоходного электрогенератора на постоянных магнитах, позволяет обходиться без редуктора, что минимизирует потери и шум, многократно увеличивает надежность. Энергоэффективность (коэффициент использования ветра) «самолетного» профиля лопасти примерно в 2 — 4 раза выше, чем если бы она имела плоский (наклонен под углом к витропотоку) профиль. Серийный выпуск позволяет добиться высокой надежности и низкой себестоимости продукции.
Для использования в индивидуальном хозяйстве, рекомендуются ветряки мощностью не менее 0, 5 к. Вт. Дело в том, что менее мощные ветровые электростанции при обычно преобладающих низких скоростях ветра, будут выдавать совсем малое количество энергии (ее будет маловато даже с учетом того, что она накапливается в аккумуляторах). При скорости ветра более 25 м / с ветроколесо останавливается с помощью системы автоматического перевода лопастей во флюгерное положение, таким образом нагрузка на ветроколесо снижается. Это наиболее безопасный вариант защиты ветровых электростанций. Малые ветряки (300 Вт) могут быть полезными в походных условиях и / или например, на яхте и др. . . Что касается шумности ветряков, а так же инфранизькочастотних колебаний, которые распугивают мелких животных — этот недостаток относится гигантским мегаваттный ветрякам, лопасти которых создают инфранизькочастотни колебания. Такие ветряки обычно устанавливают вдали от населенных пунктов (пустыни, прибрежные зоны и т. п. ). Маломощные же ветряки, конечно, тоже могут создавать небольшой шум при сильном ветре, однако его уровень не намного превышает естественный фон, создаваемый самим ветром. А на некоторых, этот легкий шелест действует даже успокаивающе, примерно так же, как бывает приятным шум дождя
Перспективы ветроустановок для обеспечения энергией Использование ветроэнергетических установок обусловлено рядом причин. Во-первых, ветровые ресурсы по сравнению с солнечной энергией относительно равномерно распределяются как в течение суток, так и в течение года. Это особенно важно для тех потребителей электроэнергии, которым необходим постоянный и стабильный источник тока. Вовторых, расположение ветроустановок может быть приближено к объекту энергоснабжения, в отличие, например, от мини-ГЭС, которые зависимы от реки и требуют различного рода согласований на установку. В зависимости от моделей ветроэнергетические установки находят применение, как в быту, так и в производственных целях. Практика показывает, что оборудование, использующее энергию ветра, может послужить частным домовладельцам для работы
Достоинства и недостатки ветроустановок ДОСТОИНСТВА: Экологически-чистый вид энергии: Производство электроэнергии с помощью "ветряков" не сопровождается выбросами CO 2 и каких-либо других газов. « Ветряные электростанции полностью обеспечат потребности целого региона! Планируемые излишки электроэнергии будут продаваться в соседние регионы. » Калмыкия: Деньги из воздуха (ветряные электростанции) Эргономика: Ветровые электростанции занимают мало места и легко вписываются в любой ландшафт, а также отлично сочетаются с другими видами хозяйственного использования территорий. Возобновимая энергия: Энергия ветра, в отличие от ископаемого топлива, неистощима. Ветровая энергетика - лучшее решение для труднодоступных мест: Для удалённых мест установка ветровых электрогенераторов может быть лучшим и наиболее дешёвым решением.
НЕДОСТАТКИ: Нестабильность: Нестабильность заключается в негарантированности получения необходимого количества электроэнергии. На некоторых участках суши силы ветра может оказаться недостаточно для выработки необходимого количества электроэнергии. Относительно невысокий выход электроэнергии: Ветровые генераторы значительно уступают в выработке электроэнергии дизельным генераторам, что приводит к необходимости установки сразу нескольких турбин. Кроме того, ветровые турбины неэффективны при пиковых нагрузках. Высокая стоимость: Стоимость установки, производящей 1 мега-ватт электроэнергии, составляет 1 миллион долларов. Опасность для дикой природы: Вращающиеся лопасти турбины представляют потенциальную опасность для некоторых видов живых организмов. Согласно статистике, лопасти каждой установленной турбины являются причиной гибели не менее 4 особей птиц в год. Шумовое загрязнение: Шум, производимый "ветряками", может причинять беспокойство, как диким животным, так и людям, проживающим поблизости.
Конструктивные решения Ветроэнергетические установки можно использовать в различных условиях, климатических зонах и для любых применений (показаны модели ВЭУ). Для суровых условий эксплуатации установки могут оснащаться дополнительным оборудованием - функциями обогрева лопастей для районов Севера, охлаждающим устройством генератора для жаркого климата и т. д. по согласованию с потребителем. 1 конструктивное решение: Обеспечение электроэнергией автономных потребителей - маяков, световых указателей и осветительных приборов (рис. 6). Такое применение ветроустановки может существенно снизить основной недостаток ВЭУ, потому что в прибрежных зонах относительно сильный и стабильный ветер.
Рис. 7 Ветроустановка на маяке
2 конструктивное решение: Обеспечение электроэнергией локальных объектов - мостов, стальных конструкций (Рис. 6) Рис 8. Ветроустановка на мосту
Список использоваемой литературы. Баскаков А. П. – Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (часть 1) – Екатеринбург, 2005. – 86 с.