Ветроэнергетика за рубежом и в России

Таким образом, во многих ветреных местах ветровая энергия может быть использована в качестве источника энергии для малых изолированных потребителей. В некоторых районах возможны также и крупномасштабные применения ветровой энергии.

   Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением является вполне сложившимся направлением энергетики. Ветроэнергетические установки мощностью от нескольких киловатт до мегаватт производятся в Европе, Северной Америке и других частях мира. Большинство этих установок используется для производства электроэнергии - как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.

   Классификация ветроустановок

   Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам - геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра и подразделяются на три класса. Деление по классам производится по параметру, который называется быстроходностью Z .

   Первый класс включает ВЭУ, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, а ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветроколеса называются крыльчатыми. Крыльчатые ветроколеса, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности, разделяются на три группы:

-ветроколеса многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Z < 2;

-ветроколеса малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Z >2;

-ветроколеса малолопастные, быстроходные, Z > 3.

   Ко второму классу относятся ВЭУ с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы:

-карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра;

-роторные ветроколеса системы Савониуса.

   К третьему классу относятся ВЭУ, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называются барабанными. У этих ветроколес ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

Основные нижеследующие недостатки карусельных и барабанных ветроколес вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей в потоке ветра.

   1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочередно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10 %, что установлено экспериментальными исследованиями.

   2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра.

   3.Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесенный к единице установленной мощности ВЭу.

   У роторных ветроколес системы Савониуса наибольший коэффициент использования энергии ветра равен 18 %. Крыльчатые ветроколеса свободны от перечисленных выше недостатков карусельных и барабанных конструкций. Хорошие аэродинамические качества крыльчатых ветроколес, конструктивная возможность изготовлять их на большую мощность, относительно легкий вес на единицу мощности - основные преимущества ветроколес этого класса.

   Основные классификационные признаки ветроэнергетических установок  (рис. 2)

 

                        Ориентация гондолы ВЭУ в воздушном потоке

   Ветроколесо с горизонтальной осью. Рассмотрим горизонтально-осевые ветроколеса пропеллерного типа. Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор или другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров ветроустановки. Направление ветра может изменяться довольно быстро, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели.

    В ветроэлектрогенераторах обычно установлены двух- и трехлопастные ветроколеса, последние отличаются очень плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, расположены обычно наверху опорной башни в поворотной головке. В принципе их удобнее размещать внизу, но возникающие сложности с передачей крутящего момента обесценивают преимущества такого размещения

    Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.

    Принципиальными недостатками таких установок являются:

 а) гораздо большая подверженность  их усталостным разрушениям из-за  часто возникающих в них автоколебательных  процессов;

 б) пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенератров выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются (рис. 2).

Чашечный ротор (анемометр). Ветроколесо этого типа вращается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра.

Ротор Савоннуса. Это колесо также вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т. е. отличаются простотой и невысокой стоимостью. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это ветроколесо обладает высоким крутящим моментом и используется для перекачки воды.

Ротор Дарье. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя.

Ротор Масгрува. Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоянии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться или складываться вокруг горизонтальной оси при отключении (рис. 2). Существуют различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при сильном ветре.

Ротор Эванса. Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и при управлении поворачиваются вокруг вертикальной оси.

 

 

   Перспективы использования ВЭУ

   Использование энергии ветра в общественных энергосистемах.

 В Америке и Европе правительственные  организации субсидируют научные  разработки и исследования, направленные в первую очередь на использование ВЭУ в региональных энергосистемах высокого напряжения. Уже в течение нескольких лет успешно функционируют ВЭУ мощностью до 200 кВт и созданы установки мощностью 3 и 5 МВт . В декабре 2004 года немецкая компания REpower Systems построила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины 126 м, вес гондолы — 200 т, высота башни - 120 м. В конце 2005 года Enercon увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт, Диаметр ротора составил 114 м, высота башни - 124 м. Компания Clipper Windpower разрабатывает ветрогенератор мощностью 7,5 МВт для оффшорного применения. Предполагается, что срок службы таких генераторов превысит 20лет и вырабатываемая ими электроэнергия будет дешевле, чем полученная на тепловых электростанциях на жидком топливе, В ранних исследованиях считалось, что ВЭУ следует устанавливать на возвышенностях, но практика показала, что условия для их работы лучше на открытых равнинных местах, особенно если рядом находятся сразу несколько ветроустановок. Позднее на основе этой новой концепции выбора места размещения ВЭУ было предложено системы из большого количества ВЭУ размещать в море на мелководных участках, как, например, в Северном море около восточного побережья Великобритании.

   Потенциал морского ветра гораздо больше, чем прибрежного, благодаря скорости ветра и большим пространствам, пригодным для размещения коммерческих установок. Он ограничен только глубиной работ и другими морскими видами деятельности в зоне интереса. Рыбная ловля, корабельные пути и площадь военных испытаний - вот те виды деятельности, которые могут вступить в конфликт с оффшорной ветроэнергетикой. Приемлемой является глубина воды в 30 м. Принимая во внимание только глубину воды как сложный фактор, достижимый источник морского ветра в Соединенном Королевстве оценивается в 380 ТВт · ч в год.

Исследование, проведенное Европейским Союзом, пришло к заключению, что морские ветряные установки в береговых регионах Германии, Голландии, Дании могли бы удовлетворить все потребности в электроэнергии в этих странах.

   Уже через 20 лет человечество может удовлетворять большую часть своих потребностей в энергии за счет возобновляемых источников и отказаться от нефти и газа. К такому выводу пришли ученые Марк Якобсон (Mark Z. Jacobson) из Стэнфордского университета и Кристина Арчер (Cristina Archer) из университета Делавэра. Используя компьютерную модель климата Земли под названием GATOR- GCMOM, ученые оценили максимальный потенциал энергии ветра на планете в сотни тераватт. Эти исследования опровергают предыдущие работы, которые говорили о том, что глобальное использование энергии ветра невозможно, так как одни турбины забирают энергию у соседних. Каждая турбина уменьшает количество энергии, доступной для других. Однако нам никогда не понадобится такое число ВЭУ, чтобы это снижение стало ощутимо. В рамках своей модели исследователи установили множество виртуальных турбин по всей планете (на суше и на море) без учета экономических, социальных и прочих факторов. Они учитывали потери энергии ветров, вызванные каждой отдельной ВЭУ, и оценивали общее влияние огромного количества турбин на климат Земли. Компьютерные расчеты показали, что в какой-то момент наступает точка насыщения, когда строительство новых ВЭУ не приносит дополнительной энергии. Если разместить ветропарки везде и всюду, то можно получить мощность, равную 250 ТВт, а если брать во внимание только сушу и прибрежную территорию, то можно вырабатывать 80 ТВт. Это в семь раз больше общего потребления электричества на Земле. Вычислив максимальный потенциал ВЭУ, исследователи рассчитали, сколько турбин необходимо для получения большей части от ожидаемого мирового потребления электроэнергии в 2030 году, которое составит около 11,5 ТВт. Согласно их прогнозу, 4 млн ВЭУ высотой 100 м будут обеспечивать 7,5 ТВт энергии без каких- либо последствий для климата. Половину из них предлагается установить в море, вблизи береговой линии. Оставшиеся 2 млн займут около 1 процента суши и будут рассредоточены по всему миру, включая такие незаселенные места, как пустыни Гоби и Сахара. Недостающие 4 ТВт электричества по плану исследователей предполагается получать за счет фотоэлектрических преобразователей, гидроэлектростанций, геотермальных источников и энергии волн и приливов. Тщательный выбор мест для установки турбин сведет к минимуму затраты и воздействие на окружающую среду, а также позволит компенсировать временное снижение силы ветра в отдельных областях. Однако, по мнению ученых, для реализации этих планов требуется политическая и общественная воля. Ведь несмотря на наличие технологий на данный момент в мире работает лишь 1 процент от необходимого количества ветряных турбин.

         Энергетика на возобновляемых источниках показывает, что она налагает на производственные процессы совершенно другие ограничения, чем традиционная тепловая и ядерная. Наиболее наглядно это видно на примере ветроэнергетики. Использование рассеянной и очень непостоянной по своей природе энергии ветра основано на принципиально других подходах, чем использование энергии от стабильных и интенсивных источников, и главное здесь - необходимость варьировать потребление энергии в соответствии с ее производством. Для преодоления этого ограничения необходимы эффективные и дешевые способы аккумулирования энергии.

   Дорогая стабилизированная электроэнергия используется для освещения и питания электронной аппаратуры, а дешевая нестабилизированная энергия - для отопления и подогрева воды. В периоды очень сильного ветра энергия ВЭУ направляется на отопление теплиц или подогрев воды в плавательном бассейне. Электроэнергию ВЭУ применяют также для зарядки аккумуляторных батарей электромобилей. Несмотря на сильные ветры, вырабатываемой ВЭУ энергии все же недостаточно, а удовлетворительные условия жизни обеспечиваются благодаря хорошо утепленным домам, экономному расходованию электроэнергии и специальным системам ее распределения.

   Вводимые в работу мощности ВЭУ позволяют сократить выбросы в атмосферу вредных веществ и высвободить мощность, которая потреблялась из энергосистем. Следовательно, энергозамещение позволит высвободившуюся электроэнергию направить на развитие промышленности и внедрение новых технологий без дополнительных вложений в традиционную энергетику

 

  Заключение

  Из всего сказанного следует один очевидный вывод. Ветрогенераторы могут быть  полезными в  районах  Крайнего  Севера или в некоторых других районах, куда затруднена  подача  энергии в других формах, и где  потребности  в  энергии  относительно  невелики.  Но делать на них ставку при развитии большой  энергетики  совершенно  нереально ни сейчас, ни в ближайшем будущем. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

  1.     Удалов С. Н. Возобновляемые  источники энергии: учеб. пособие / 3-е  изд., перераб. и доп. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014-459 с.

  2. Безруких П. П. Ресурсы и  эффективность использования                                  возобновляемых источников энергии  в России. – СПб.: Наука, 2002.

  3.      Зубарев В. В. Использование энергии ветра в районах Севера / В. В.

             Зубарев, В. А. Минин, И. Р. Степанов. - Л. : Наука, 1989.