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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНСК 2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЕТРОЭНЕРГЕТИКЕ 4

ГЛАВА 2. ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА 7

ГЛАВА 3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ В РЕСПУБЛИКЕ БЕЛАРУСЬ 9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 10

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 12

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 13

ПРИЛОЖЕНИЕ  2 14

ПРИЛОЖЕНИЕ  3 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

«Человек, который почувствовал ветер перемен, должен строить не щит от ветра, а ветряную мельницу».

Стивен Кинг 

Так называемый «ветер перемен» имеет место быть в современной энергетике. Развитые страны стараются всё меньше использовать традиционные и экологически опасные источники энергии, всё чаще заменяя их новыми инновационными альтернативными источниками энергии.

Потребление энергии, а вместе с ним и ее стоимость увеличиваются  во всем мире, и наша страна здесь  не исключение. Ресурсы планеты истощаются, и всё большую тревогу вызывают экологические проблемы. Вот почему постоянно растет интерес к нетрадиционным, экологически чистым источникам энергии – таким как ветер, солнце, волны.

В данной работе в качестве альтернативного источника энергии будет рассматриваться энергия ветра: сущность механизма преобразования энергии ветра, проблемы, возникающие при использовании ветровых установок, а также перспективы развития данной отрасли энергетики в Республике Беларусь (РБ).

Целью реферата стало исследование применения энергии ветра.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

• изучить общие сведения о ветроэнергетике, её сущность;
• исследовать проблемы, возникающие при использовании ветровых установок;
• проанализировать целесообразность использования энергии ветра в РБ.

Для поиска информации по данной теме была использована научная  и учебная литература по основам энергосбережения; а также ресурсы сети Internet, т.к. данная тема является весьма современной.

Также в работе имеются приложения, содержащие иллюстрации  по теме.

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЕТРОЭНЕРГЕТИКЕ

 

Из истории известно, что использование  энергии ветра восходит к далёкому 200-му году до н. э. – уже тогда ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в XIII веке принесены в Европу крестоносцами.^[9]

В настоящее время использование энергии ветра весьма обширно. Это доказывает создание целой отрасли энергетики.

Ветроэнергетика — это 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, 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) [1]. 

Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2011 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 28 % всего электричества, в Португалии — 19 %, в Ирландии — 14 %, в Испании — 16 % и в Германии — 8 %. В мае 2009 года 80 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе [2].

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.

В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо —1526 г., Глочестер — 1542 г., Лондон — 1582 г., Париж — 1608 г., и др. Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX-м веке в Дании. В течение зимы 1887-88, Чарльз Ф. Браш построил то, что сегодня называется первая автоматически управляемая ветровая турбина для производства электроэнергии (Приложение 1, рис. 1). Она была воистину гигантской - самой большой в мире - диаметр ротора был равен 17 метрам и ротор имел 144 лопасти изготовленные из кедра. Для осознания размеров этого циклопического сооружения обратите внимание на человека, подстригающего лужайку справа от турбины. Турбина проработала 20 лет, в течение которых заряжала батареи в подвале под турбиной. Несмотря на внушительные размеры турбины, на ней был установлен генератор мощностью всего 12 кВт. В Американском Научном Журнале 20 декабря 1890 года была опубликована статья, посвящённая этой турбине, в которой очень детально описывалась как сама турбина, так принципы полностью автоматического управления. Принцип, применявшийся Брашем - использование соленоидов - не претерпел изменений с 1890 года до тех пор, когда контроллер турбины начал управляться компьютером (сейчас вся информация об этой станции находится в музее истории развития альтернативной энергетики).

А к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 метра и четырёхлопастные роторы диаметром 23 метра. Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров. К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт. В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра [3].

Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Например, турбины мощностью 3 МВт производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.

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 в мире резко растёт. 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. Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в восемь раз [4].

Наибольшее распространение в  мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения (Приложение 1, рис. 2), хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения (Приложение 2, рис. 1), 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.

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 [5].

Таким образом, ветроэнергетика начала свою историю ещё с давних времён и продолжает развиваться в настоящее  время. Идут активные поиски устройств  ветрогенераторов, способных эффективно функционировать и в континентальном  маловетреном климате.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2. ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

 

Нетрадиционные источники  энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная, т.е. низкие эксплуатационные затраты.

Однако, для возобновляемых источников энергии, к которым относится  и ветер, характерен общий ряд  проблем. К ним относятся: малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства возобновляемых источников энергии. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, перехватывающие поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками.  

Таким образом, фактор «бесплатности» большинства видов возобновляемых источников энергии нивелируется значительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. В результате возникает некоторый парадокс, состоящий в том, что бесплатную энергию способны использовать, главным образом, богатые страны. В то же время наиболее заинтересованы в эксплуатации возобновляемых источников энергии развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сети централизованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспечения путем применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, но в силу своей бедности они не имеют средств на закупку в достаточном количестве соответствующего оборудования. Развитые же страны энергетического голода не испытывают и проявляют интерес к альтернативной энергетике в основном по соображениям экологии и энергосбережения [6].

Ветроэнергетика обладает и  своими специфическими проблемами. 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.

Так же к проблемам  использования энергии ветра  относятся: отчуждение земель, загрязнение среды вибрациями и звуками на сверхнизких частотах создаваемых движениями лопастей ветрогенератора. Поэтому они нежелательны там, где идет активная жизнь. Кроме того, работающие ветроагрегаты могут вызывать у людей раздражение [7].

Таким образом, при использовании энергии ветра  возникает ряд проблем. К ним можно отнести шум, вибрации, большие площади размещения, непостоянство ветровых потоков и значительные расходы на приобретение соответствующего оборудования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ В РЕСПУБЛИКЕ БЕЛАРУСЬ

 

Беларусь  не располагает собственными топливно-энергетическими  ресурсами (ТЭР). Лишь 15% собственных ТЭР покрывают потребности страны, остальные 85% импортируются — в основном из России. В последние годы наблюдается постоянный рост цен на топливо и импортируемую электроэнергию. Этот рост будет иметь место и далее до достижения мировых цен. В связи с этим для Беларуси чрезвычайно важно включать в топливно-энергетический баланс вторичные энергоресурсы и возобновляемые источники энергии, одним из которых является ветер.