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

3 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

18782. Спрос и предложение на национальном рынке. Экономический смысл показателей: совокупный спрос и совокупное предложение 29 KB
  Спрос и предложение на национальном рынке. Экономический смысл показателей: совокупный спрос и совокупное предложение Цель любой экономической системы – достижение макроэкономического равновесия т.е. сбалансированного состояния экономической системы как единого
18783. Сущность совокупного спроса и факторы его определяющие 28 KB
  Сущность совокупного спроса и факторы его определяющие. Совокупный агрегированный спрос от англ. aggregate demand – АD – это сумма всех индивидуальных спросов на конечные товары и услуги предлагаемые на товарном рынке. Основными формами его проявления служат: потребительск
18784. Совокупное предложение. Совокупное предложение в краткосрочном, среднесрочном и долгосрочном и долгосрочном периоде 33 KB
  Совокупное предложение. Совокупное предложение в краткосрочном среднесрочном и долгосрочном и долгосрочном периоде. Совокупное предложение AS – это реальный объем национального продукта который может быть произведен при каждом возможном уровне цен Кривая
18785. Агрегирование показателей совокупного спроса и совокупного предложения как предпосылка осуществления макроэкономического анализа 33 KB
  Агрегирование показателей совокупного спроса и совокупного предложения как предпосылка осуществления макроэкономического анализа. В современной экономической теории макроэкономический анализ равновесия осуществляется при помощи агрегирования или формирования...
18786. Цели, эффективность и качество экономического роста 30.5 KB
  Цели эффективность и качество экономического роста. Основными конечными целями экономического роста являются повышение материального благосостояния населения и поддержание национальной безопасности. Повышение материального благосостояния как главная цель эконо...
18787. Основные типы экономического роста. Экстенсивный и интенсивный экономический рост 27 KB
  Основные типы экономического роста. Экстенсивный и интенсивный экономический рост. Растущая экономика характеризуется ростом ВНП который может использоваться для удовлетворения текущих и будущих потребностей. Экономический рост это увеличение ВНП или ЧНП за опре...
18788. Основные модели равновесного экономического роста 28.5 KB
  Основные модели равновесного экономического роста. Под равновесным экономическим ростом понимается такое развитие национальной экономики в долгосрочном периоде при котором объемы совокупного спроса и совокупного предложения увеличивающиеся от периода к периоду...
18789. Структурная организация, классификация, функциональные задачи, информационная модель 119.07 KB
  Структурная организация классификация функциональные задачи информационная модель. ЭМС ЛСУ определяет весь спектр задач которые д. решать система управления в общем. В результате изучения ЛСУ необходимо знать: 1. ...
18790. Особенности реализации вычислительных процедур в цифровых ЛСУ. Табличные методы обработки информации 103.02 KB
  Особенности реализации вычислительных процедур в цифровых ЛСУ. Табличные методы обработки информации. Основные задачи вычислительного характера возлагаемые на МПС: 1. Траекторные расчеты 2. Математические вычисления 3. ...