77396

Ветровая энергия и методы ее преобразования

Реферат

Энергетика

Энергия ветра есть результат тепловых процессов происходящих в атмосфере планеты первоисточником которых является Солнце. Кинетическая энергия ветра зависит от массы воздуха и его скорости. Сила и направление ветра изменяются в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Вблизи земной поверхности расположена зона с относительно небольшими скоростями ветра.

Русский

2015-02-02

83.5 KB

8 чел.

5. НЕТРАДИЦИОННЫЕ и ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

05. Ветровая энергия и методы ее преобразования

Ветер как источник энергии [1, С. 76–79], [2, С. 125–126]

Энергия ветра есть результат тепловых процессов, происходящих в атмосфере планеты, первоисточником которых является Солнце. Ветром называется циркуляция воздушных масс, возникающая в результате различия температур, плотностей и давлений нагретого и холодного воздуха.

Кинетическая энергия ветра зависит от массы воздуха и его скорости. Сила и направление ветра изменяются в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Вблизи земной поверхности расположена зона с относительно небольшими скоростями ветра. На высоте от 1 до 4 км от поверхности Земли, между 30° северной и южной широт, скорость воздушных течений составляет 7…9 м/с (пассаты). На высоте 8…12 км над поверхностью Земли, в тропосфере, из-за особенностей высотной атмосферной циркуляции возникают мощные воздушные течения, получившие название струйных течений. Над Восточной Сибирью и Чукоткой эти течения иногда опускаются до 3…4 км от поверхности Земли. Скорость воздушных масс в струйных течениях составляет 30…80 км/ч, но часто достигает 200 км/ч.

В качестве основной характеристики ветровой энергии используется мощность, переносимая потоком воздуха через 1 м2 площади, перпендикулярной направлению потока (энергия в единицу времени через единицу площади). Мощность ветра пропорциональна его скорости в третьей степени.

Вся потенциально возможная для реализации в течение года энергия ветра по поверхности Земли равна примерно 1,2 · 1013 кВт·ч (полное потребление всех видов энергоресурсов на Земле составляет около 7 · 1013 кВт·ч/год).

Сфера экономически целесообразного применения ветроустановок в современных условиях ограничивается, в основном, районами, имеющими децентрализованное энергоснабжение, благоприятные ветровые условия и возможность эксплуатации ветроустановок в течение большей части года.

Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Каспийского моря, нижней и средней Волги, на побережье Охотского, Баренцева, Черного и Азовского морей и составляют почти 5 млн. км2. Длительность действия энергетического потока ветра в указанных районах составляет от 2000 до 5000 ч в год.

Наиболее перспективными для размещения ветроэнергетических установок являются побережья морей и участки их шельфов.

Устройство ветроэнергетической установки [1, С. 80–82], [2, С. 120–121], [3, С. 509]

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс технических устройств, в который входят ветроэнергетический агрегат (ветроагрегат) и, в зависимости от схемы, аккумулирующее или резервирующее устройство (электродвигатель, дублирующий мощность ветродвигателя), а также системы автоматического управления и регулирования режимов работы установки и ее элементов.

Ветроэнергетический агрегат (ВЭА) – это система, состоящая из ветродвигателя, одной или нескольких рабочих машин (генератора, насоса, компрессора и т.п.), служащих для выработки определенного вида энергии (электрической, механической) или для выполнения заданного процесса (подъема воды, сжатия воздуха, размола зерна и др.).

Ветродвигателем называется любое устройство, использующее кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии.

Таким образом, в состав ветроэнергетической установки входят следующие конструктивные узлы (см. рис. 5.1 [2, рис. 4.1, а]):

1) двух- или трехлопастное рабочее колесо, устанавливаемое на высоте до нескольких десятков метров над землей;

2) электрогенератор, устанавливаемый на одном валу с рабочим колесом;

3) башня;

4) фундамент, на который устанавливается башня.

Диаметр рабочего колеса в целях получения большей мощности в одном агрегате может достигать 100 м.

При проектировании ветроустановок одна из наиболее трудных проблем состоит в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов ротора. В таком случае будет поддерживаться постоянство выходной мощности генератора. Поддержание постоянной частоты вращения рабочего колеса при разной силе ветра достигается в большинстве случаев изменением угла атаки лопастей (угла наклона лопастей по отношению к ветру) за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии.

Для сохранения при определенных скоростях ветра мощности ветроагрегата на неизменном уровне, предохранения их от перегрузок, обеспечения заданной частоты вращения присоединенных к ветродвигателю рабочих машин применяются автоматические системы регулирования.

В качестве генератора могут использоваться синхронные или, чаще всего, асинхронные, а также (реже) асинхронизируемые синхронные генераторы. В некоторых конструкциях электрогенератор связывается с рабочим колесом через повышающий частоту вращения ротора редуктор.

Конструкция башни чаще всего имеет трубообразную форму, реже – решетчатую. На ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ (рабочее колесо, редуктор, электрогенератор).

Стоимость электроэнергии, получаемой от ветроэлектростанции (ВЭС), существенно уменьшается с ростом мощности агрегата. Однако большие машины за счет неизбежного трения и других потерь при малых скоростях ветра работают хуже. Кроме того, они сложны в эксплуатации.

Альтернативой крупным ветроэнергетическим установкам являются многоагрегатные ветряные фермы. Многоагрегатные ВЭС меньшей единичной мощности являются менее сложными машинами, при работе на общего потребителя они позволяют более эффективно сглаживать порывы воздушных течений за счет территориального рассредоточения отдельных агрегатов. Однако ВЭС нельзя располагать друг к другу ближе, чем примерно 30 диаметров ветроколеса. При меньших расстояниях они заметно искажают аэродинамику потоков, что приводит к существенному падению полезной мощности.

Принцип работы ветроэнергетической установки [1, С. 81–84], [3, С. 507–508]

Принцип действия ветроэнергетической установки заключается в преобразовании кинетической энергии ветра в электрическую. Это преобразование осуществляется в несколько стадий.

Ветер раскручивает лопасти рабочего колеса, в результате чего с вала ротора снимается механическая энергия, приводящая в действие электрогенератор либо непосредственно, либо через повышающую частоту вращения вала передачу.

В большинстве конструкций ветроэнергетических установок для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию используют принцип подъемной силы крыла.

Если лопасть, имеющая форму крыла, омывается ламинарным потоком воздуха, то за счет разной скорости воздуха над верхней и под нижней поверхностями лопасти возникает разность давлений и на лопасть действуют подъемная сила и сила лобового сопротивления. При разработке профиля лопасти стремятся к тому, чтобы подъемная сила была максимальной, а сила лобового сопротивления – минимальной.

Электрогенератор вырабатывает электрическую энергию, которая подается на инвертор, где преобразуется до нормативных показателей частоты и напряжения.

Ветроэнергетические установки обычно работают при скоростях ветра от 4 до 25…30 м/с. При скорости ветра около 4 м/с рабочее колесо вступает в работу, а когда скорость ветра превышает 25…30 м/с рабочее колесо отключается во избежание опасности разрушения. Коэффициент полезного действия рабочего колеса составляет около 35 %.

Классификация ветроэнергетических установок [1, С. 80–81], [2, С. 121]

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) классифицируют по следующим признакам.

  1.  В зависимости от максимальной выходной мощности ВЭУ бывают:

– мини установки – выходная мощность менее 10 кВт;

– малые установки – от 10 до 100 кВт;

– средние установки – от 100 до 500 кВт;

– крупные установки – свыше 500 кВт.

  1.  По числу лопастей рабочего колеса различают одно-, двух-, трех- и многолопастные установки.
  2.  В зависимости от отношения рабочего колеса к направлению воздушного потока бывают ветроустановки с горизонтальной (см. рис. 5.1 [2, рис. 4.1, а]) и вертикальной осью вращения (см. рис. 5.2 [1, рис. 5.3, в, 3, рис. 9.32, 6]).

Ветроустановки с горизонтальной осью вращения ветродвигателя достаточно широко используются, однако имеют существенный недостаток. В таких установках электрогенератор должен быть установлен на высокой башне (что затрудняет его обслуживание и ремонт), вместе с другим оборудованием должен все время разворачиваться по направлению к ветру, и, кроме того, ему приходится во время работы выдерживать переменные нагрузки, например, из-за порывов ветра.

В ветроустановках с вертикальной осью вращения электрогенератор может быть размещен непосредственно на земле. Одним из самых распространенных ветродвигателей для таких ветроустановок является ротор Дарье (см. рис. 5.2 [1, рис. 5.3, в, 3, рис. 9.32, 6]). Он может быть оснащен двумя или тремя тонкими лопастями. Такой ротор вращается с очень большой скоростью (в 3…4 раза превышающей скорость ветра). Преимуществом конструкции ротора Дарье является то, что она позволяет использовать ветер, дующий в любом направлении. Основной недостаток заключается в том, что ветродвигатель с ротором Дарье сам не запускается, для выхода на нормальный режим работы его раскручивают до рабочих скоростей с помощью вспомогательного двигателя, что требует затрат электроэнергии.

Типичные ветродвигатели системы Дарье имеют высоту до 20 м, ширину до 10 м. Пиковая мощность электрогенератора может достигать 100 кВт.

Достоинства и недостатки ветроэнергетических установок [1, С. 89], [2, С. 121], [3, С. 510]

Достоинства ветроэнергетических установок:

  1.  отсутствие топливной составляющей;
  2.  неисчерпаемость первичного источника энергии;
  3.  возможность полной автоматизации, исключающей необходимость в облуживающем персонале;
  4.  возможность энергообеспечения автономных объектов, удаленных от электросетей;
  5.  модульное исполнение, позволяющее наращивать установленную мощность по мере необходимости
  6.  отсутствие существенного негативного влияния на окружающую среду.

Недостатки ветроэнергетических установок:

  1.  непостоянство вырабатываемой электроэнергии – создает проблемы при работе ВЭУ на сеть и необходимость использования аккумуляторов при работе в автономном режиме;
  2.  более высокая, чем на традиционных электростанциях, стоимость 1 кВт установленной удельной мощности и меньшее число часов ее использования;
  3.  блокировка территории оборудованием установки (большое количество ветроэнергетических установок (ветряные фермы) требует изымания дополнительных участков земли);
  4.  шум, возникающий при работе ветроэнергетической установки (может достигать 50…80 дБ). Уровень шума от работающей крупной турбины повышается на расстоянии до 2 км вниз по потоку ветра;
  5.  возникновение электромагнитных помех (наблюдаются на расстоянии до 2…3 км от работающей воздушной турбины).

Применение ВЭУ мощностью 500 кВт и выше позволяет значительно экономить занимаемую ими площадь, а также снижает удельные капитальные вложения и стоимость электроэнергии.

Вращающиеся с большой частотой лопасти ветродвигателей представляют опасность для мигрирующих птиц, так как могут быть ими не замечены. Ветроэнергетические установки, изымая энергию ветра, могут приводить к нарушению естественного хода природных процессов и нежелательным климатическим изменениям. Однако, все опасности для окружающей среды, связанные с использованием технологии ветроэнергетики, проявляются крайне локально по своей природе и не являются серьезным препятствием для широкомасштабного применения ВЭУ.

Литература

  1.  Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.
  2.  Сибикин, Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное издание / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. – М.: ИП РадиоСофт, 2008. – 228 с.
  3.  Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 564 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).

5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39935. Рода связи, виды связи. Условные знаки 60.71 KB
  2: радиосвязь радиорелейная связь тропосферная связь спутниковая связь проводная связь волоконнооптическая связь сигнальная связь. Радиосвязь это род связи который реализуется с использованием радиосредств земных и ионосферных радиоволн. Радиосвязь является важнейшей а во многих случаях единственной связью способной обеспечивать управления частями и подразделениями в самой сложной обстановке и при нахождении командиров в движении. Радиорелейная связь это род связи который реализуется с использованием радиорелейных средств связи...
39936. Радиосвязь и ее место в системе управления войсками 61.93 KB
  Однако при организации и обеспечении радиосвязи необходимо учитывать: Возможность перехвата переговоров и передач; Возможность определения противником мест нахождения работающих радиостанций и создания им преднамеренных помех; Зависимость состояния связи от условий прохождения радиоволн и возможных помех в пункте приема; Условия ЭМС РЭС; Сильное влияние на связь высотных ядерных взрывов; Уменьшение деятельности действий радиостанций при работе в движении. Средства используемые для обеспечения радиосвязи в ВС РФ подразделяются на подвижные и...
39937. Общая характеристика и боевое применение проводной связи 40.18 KB
  При организации проводной связи необходимо учитывать: возможность обеспечения связи только между неподвижными пунктами; большую уязвимость кабельных линий от ядерных взрывов ударов авиации огня артиллерии противника от танков бронетранспортеров и автомашин; сложность прокладки и снятия на зараженной и труднопроходимой местности громоздкость материальной части и сравнительно малую скорость работ по прокладке и снятию линий связи; потребность в большом количестве сил и средств для перевозки прокладки эксплуатационного...
39938. Общая характеристика, способы организации ФПС 44.27 KB
  Подвижные средства применяются для обеспечения фельдъегерскопочтовой связи с вышестоящим штабом между пунктами управления подчиненных частей подразделений во всех видах боевых действий при передвижении и расположении войск на месте. При организации фельдъегерскопочтовой связи следует учитывать: характер местности; состояние и загруженность маршрутов скорость и проходимость подвижных средств; местонахождения пунктов управления и посадочных площадок; необходимость охраны фельдъегерей доставляющих секретные документы и воинских...
39939. Общая характеристика и боевое применение радиорелейной связи 52.82 KB
  В тоже время при организации радиорелейной связи необходимо учитывать зависимость ее от рельефа местности что вызывает необходимость тщательного выбора трассы линии связи невозможность работы или значительное уменьшение дальности действия радиорелейных станций в движении возможность перехвата передач и создания радиопомех противником. Способы организации радиорелейной связи Радиорелейная связь может быть организована по направлению по сети и по оси. Применение того или иного способа в каждом отдельном случае зависит от конкретных условий...
39940. Тропосферная связь 15.2 KB
  Тропосферные станции предназначаются для строительства прямых многоканальных линий связи большой протяженности. Дальность связи на одном интервале тропосферной линии может составлять 120250 километров.
39941. Понятие о системе связи 23.76 KB
  В связи с этим можно дать следующее определение. Система военной связи подсистема системы управления войсками силами и оружием обеспечивающая обмен информацией и автоматизацию управления. Оно отражает функциональное предназначение системы военной связи обеспечение обмена информацией и автоматизацию управления.
39942. Требования к системе связи 39.5 KB
  По перечисленным свойствам к системе военной связи предъявляются требования: высокая боевая готовность; устойчивость; пропускная способность; мобильность; разведзащищенность; доступность; управляемость. Высокая боевая готовность системы военной связи Высокая боевая готовность системы военной связи ее способность в любое время и в различных условиях обстановки выполнять задачи по обеспечению управления войсками. Требование высокой боевой готовности относится прежде всего к стационарным системам связи мирного времени и полевым системам...
39943. Войска связи Сухопутных войск, их назначение и состав 30 KB
  Соединения части и подразделения связи или в дальнейшем коротко войска связи являются специальными войсками и входят в состав всех видов Вооруженных сил РФ. Эти войска предназначены для развертвования и эксплуатации систем связи и обеспечения управления войсками силами во всех видах их боевой деятельности. На них также возлагаются задачи по развертвованнию и эксплуатации средств автоматизации управления проведению и организации технических мероприятиях по обеспечению связи и АСУ мероприятий по обеспечению безопасности связи Войска...