Энергия ветра

Ветровая энергия представляет собой возобновляемый источник энергии, являющийся вторичным по отношению к солнечной энергии. Причиной возникновения ветра является разности температур в атмосфере, образующиеся в результате действия солнечного излучения, которые, в свою очередь, обуславливают возникновение различных давлений. Ветер возникает в процессе рассеивания энергии, накопившейся вследствие наличия этих различных давлений.

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м², может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м².

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3%. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50%, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75-95%. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30-40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальный электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в теченин года, видимо составляет 15-30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Сооружаются ветроэнергетические установки преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину-генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

Особенности работы ветроэнергетических установок в настоящее время хорошо изучены. Проводятся испытания и совершенствуются конструкции ветроагрегатов. В близком будущем, вероятно, начнется их широкое производство. Построенные до настоящего времени очень крупные ветроагрегаты представляли собой лишь прототипы будущих установок. Все они работали в течение ограниченных периодов времени. Время от времени с ними случались аварии или неполадки, которых, вероятно, можно было бы избежать, если бы была проведена надлежащая техническая подготовка. Нет никаких существенных технических проблем, которые бы ограничивали широкое использование ветроагрегатов в ближайшем будущем. В настоящее время в большинстве национальных программ преобладают двухлопастные пропеллерные ветроагрегаты с горизонтальной осью вращения. Подавляющее большинство всех крупных ветроэлектрических агрегатов, построенных в прошлом, имели двух- или -трехлопастные ветроколеса. Однако строились и другие типы ветроагрегатов. Например, ротор Дарье с вертикальной осью, однолопастной ветроагрегат с горизонтальной осью и т.д. Каждая из конструкций имеет определенные преимущества. Вместе с тем такие конструкции вряд ли станут преобладающими в развитии ветроэнергетики.

Несмотря на отсутствие необходимых данных о параметрах ветра и трудности с выбором площадок ветроагрегатов, представляется возможным дать приблизительную оценку вклада ветровой энергии в мировой энергетический баланс: в 1990г. установленная мощность 10 ГВт и годовое производство электроэнергии 30 ТВт*ч, а в 2000г. 200 ГВт и 900 ТВт*ч.

Решающим фактором, который определит, значителен ли будет вклад ветровой энергии и удовлетворение потребностей человека в энергии в течение ближайших 50 лет, является возможность создания соответствующей технологии. Он связан в основном с национальной энергетической политикой, затратами и приемлемостью таких установок для населения.

Наиболее вероятно, что развитие ветроэнергетики в ближайшем будущем будет осуществляться на базе использования ветроэнергетических установок в диапазоне единичных мощностей от 5 до 100 кВт. Такие установки будут применяться для нужд насосного водоснабжения и для сельской электрификации совместно с электрическими аккумулирующими устройствами, рассчитанными на электроснабжения потребителей в течение 2 суток. Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в диапазоне от 100 кВт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе существующих энергетических систем.

Ветродвигатель, устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат – колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.

Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 4.3.

Они делятся на две группы:

– ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2...5);

– ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Рис.4.3. Типы ветродвигателей