Современное развивающееся общество требует всё больше и больше электроэнергии, так как она определяет темпы роста уровня жизни. В этой связи перед энергетиками постоянно существуют две глобальные задачи: обеспечение роста выработки электроэнергии при одновременном поиске способов её экономии в части потребления.
Наряду с использованием традиционных видов электроэнергетики таких как гидроэнергетика, теплоэнергетика, энергия атома, всё чаще стали говорить об альтернативных источниках производства электроэнергии. Таких как энергия солнца, энергия ветра, энергия приливов и отливов, энергия морской волны. Само собой, что в случае, когда для достижения значительной мощности выработки электроэнергии не существует пока технологий для создания достаточно мощных солнечных панелей или приливных гидрогенераторов, то и говорить о соперничестве с теплоэнергетикой или традиционной гидроэнергетикой эти, сравнительно молодые, направления энергетики на данный момент не могут. Однако, с ветроэнергетикой ситуация несколько иная.
Одним из способов выработки электроэнергии является преобразование кинетической энергии воздуха (ветра) в электрическую, механическую и другие виды энергии. Механическая энергия используется в ветряных мельницах, парусах кораблей и т.п.
Электрическая же энергия, получаемая ветрогенераторами является универсальным типом энергоносителя и в связи с уже значительной распространённостью технологий, используется практически во всех аспектах жизнедеятельности человека.
Ветроэнергетика является одной из старейших видов мировой энергетики. Исторически, разве что теплоэнергетику можно считать более древней , так как энергию костра согревающего первобытных людей, человечество научилось использовать раньше, чем энергию ветра в парусах кораблей и лопастях ветряных мельниц.
Энергия ветра относится к возобновляемым видам энергии, так как связана и в настоящий момент ветроэнергетика переживает стадию бурного развития в связи с ростом цен на традиционные энергоносители (нефть и газ), а, так же, в связи с увеличением электрической мощности серийно производимых ветрогенераторов и привлекательностью их с точки зрения окупаемости.
Данные обстоятельства демонстрируют постоянно повышающийся интерес к ветроэнергетике по всему миру и делают настоящую работу актуальной с точки зрения общих знаний о состоянии ветроэнергетики.
Использование энергии ветра
... ураганах зданий, линий электропередачи, связи, береговых защитных сооружений, затопленных или выброшенных на берег судов и т.д. На современном этапе главное направление в использовании энергии ветра -- выработка электроэнергии, хотя не отказались ...
Рис.1. Примеры использования ветровой энергии: небольшая мельница со станиной, ветряные мельницы и современный ветрогенератор
1. История использования ветровой энергии
Ветряные мельницы «козлового» типа использовались для размола зерна ещё в Персии более четырёх тысяч лет назад. Такой тип мельниц в средневековье был перенесён из исламского мира в ХIII веке н.э. в Европу крестоносцами [7].
Далее, развитие мельниц получило в Европе, после того как из переносных и небольших они превратились в шатровые тем самым решив их проблему переворачивания при сильном ветре.
В XVI веке в Европе появляются первые водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо, Лондон, Париж и другие купные центры развития цивилизации брали на вооружение тогда ещё новые технологии по перекачке воды. В Нидерландах ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами, ав засушливых районах – орошали земли способствую развитию земледелия. Отвоёванные у природы непригодные для земледелия площади начинали возделываться[7].
Эра использования ветра в создании электроэнергии началась в ХIХ веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая в мире ветроэлектростанция , а в начале ХХ века насчитывалось уже 72 электростанции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие станции к тому времени имели высоту более 20 метров и роторы с четырьмя лопастями диаметр которых достигал 23 метра.
Прообраз современной ветроэлектростанции , какими мы их представляем сейчас, первым появился в Ялте в 1931 году и имел башню высотой 30 метров, установленную мощность 100 кВт. На момент начала Великой Отечественной Войны единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт в мире. В период 1940-х по 1970-е годы развитие ветроэнергетики почти приостановилось в связи с бурным развитием распределительных электросетей и освоением энергии горных рек, нефти и газа.
Новой эрой развития ветроэнергетики стали 80-е годы ХХ века, когда в штате Калифорния были введены налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.
С тех пор и по настоящий момент с учётом изменений не в лучшую сторону экологии на планете, предпринимаемыми шагами в виде международных соглашений о сокращении объёмов выброса углекислого газа в атмосферу («Киотский» протокол и т.п.), ветроэнергетика уже имея определённую степень развития стала одним из самых перспективных направлений среди нетрадиционных способов выработки электроэнергии в мире.
2. Современные методы преобразования энергии ветра в электроэнергию
Pscad моделирование ветрогенератора
... ветра. Поскольку энергия ветра преобразуется в электрическую энергию, машина также называется ветрогенератором. На рисунке В.1 показана скорость роста мощности ветрогенератора, ... 51 и 52]. Аэродинамическое моделирование роторов горизонтального ветрогенератора с помощью обычных инженерных ... Целью этой работы является изучение аэродинамики горизонтального ветрогенератора путем численного решения ...
На данный момент подавляющее большинство мощных ветрогенераторов проектируются в виде трехлопастного «вентилятора» и горизонтальной осью вращения, так же, встречаются конструкции ранее производимых двухлопастных и даже однолопастных ветрогенераторов [1]:
Рис.2. Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения
Так, же встречаются конструкции генераторов с вертикальной осью вращения «карусельного» типа:
Рис.3. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения
«Экзотикой» являются ветрогенераторы «парусного» типа и «капельные» ветрогенераторы:
Рис.4. Ветрогенераторы «парусного» и «капельного» типа.
«Капельные» ветрогенераторы находятся в стадии разработки технологии, а «парусные» не распространены широко в силу малой установленной мощности и сложности конструкции.
Мощность генератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора и высоты над поверхностью земли. Например, турбины фирмы Vestas (Дания) при электрической мощности в 3 МВт имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров при диаметре лопастей в 90 метров.
Необходимость максимально поднять над землёй лопасти ветрогенератора обусловлена тем , что воздушные потоки у поверхности Земли являются ламинарными т.е. нижерасположенные слои «тормозят» те, что расположены выше. Этот эффект активно проявляется на высотах до 100 метров от поверхности земли. Хоть и заметен он на высотах до 1 км, но выше 100 метров его эффективность сильно снижается. Пограничная высота в 100 метров, при расположении генераторных лопастей выше, позволяет увеличить диаметр генераторных лопастей и при этом использовать земли вблизи ветрогенератора под другие виды деятельности[1].
Современный ветрогенератор начинает производить электроэнергию при силе ветра от 3м/с и отключается в целях безопасности при силе ветра более 25 м/с. Оптимальной скоростью для работы ветрогенератора является ветер со скоростью около 15м/с. При этом мощность генератора максимальна.
Ветрогенераторы
... осью вращения, зависит от его размеров. Рис.8. Мощности ветрогенераторов различных размеров при скорости ветра 7,6 м/с Перпендикулярное направление действия ветра на установки с горизонтальной осью вращения оказалось ... производит приблизительно 3 МВт электроэнергии. Американская еще больше: размах лопастей 96 метров. Однако вряд ли ветровая энергетика будет развиваться по пути гигантизма. Скорее, ...
Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра. Т.е. при увеличении скорости ветра в 2 раза (с 5 до 10 м/с), мощность увеличивается в 8 раз [4].
Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малым ветровым потоком признана конструкция роторного ветрогенератора с вертикальной или горизонтальной осями вращения, так как скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. При таком ветрорежиме самой эффективной является вертикальная ветроустановка.
При этом, такой вид ветрогенератора имеет ещё несколько важных преимуществ: практически бесшумны, не требуют обслуживания при сроках эксплуатации до 20 лет. Пи современных разработках систем торможения, ветрогенератор гарантирует стабильную работу даже при периодических порывах ветра до 60 м/с[5].
С точки зрения выгодности установки ветрогенераторов, самыми перспективными зонами выработки электроэнергии из энергии ветра являются прибрежные зоны. Но при этом, стоимость сооружения в связи со сложностью прибрежного рельефа увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению с установкой ра равнинной местности.
Редко но используются ветроэлектростанции в акватории морей и океанов на расстоянии около 10 км от береговой линии. При этом генераторы устанавливаются на свайный подводный фундамент, что накладывает определённые ограничения на строительство и прокладку подводных силовых кабелей. «Морской экзотикой» являются редкие случаи плавающих ветроэлектростанций построенных на плавучих платформах. В таких разработках одним из лидеров является фирма Siemens AG построив 2009 году одну из первых коммерческих плавучих ветроэлектростанций и оснастив её турбинами собственного производства мощностью 2,3 МВт.
В данный момент самыми мощными из серийно выпускаемых ветрогенераторов являются вертикальные ветроустановки с трехлопастным ротором и горизонтальной осью вращения. Например ,ветроустановка датской фирмы Vestas марки « MHI Vestas* V164-8.0MW» имеет диаметр ротора 164 метра, установленную электрическую мощность 8МВт, лопасти по 35 тонн каждая.
Как правило, генерирующие компании специализирующиеся на производстве использовании ветрогенераторов объединяют десятки мощных ветрогенераторов в так называемые ветропарки, получая в сумме выработку в сотни мегаватт, что при минимальных затратах на обслуживание уже может составить реальную конкуренцию электростанциям с классическими видами энергоносителей.
3. Ветроэнергетика в России и в мире
Начало ей было положено в начале 20х годов ХХ века при решении задач эликтрификации сельского хозяйства. Были разработаны «ветряки», пригодные для освещения более сотни дворов или работы на одну мельницу [4].
В настоящее время экономический потенциал применения ветроэнергетики эквивалентен примерно трети производимой электроэнергии всеми электростанциями нашей страны.
По данным Российской ассоциации ветроиндустрии, использование в нашей стране ветропарков эффективнее всего в районах Чёрного и Азовского морей, в акваториях рек Кама, Волга и Дон, и на северном побережье страны от Кольского полуострова до Камчатки. Из перечисленных регионов активней всего идёт использование ветроэнергии в настоящее время в южной части страны [1].
История ветрогенератора
... организовал отдел ветряных двигателей в Центральном аэрогидродинамическом институте. В 30-х годах двадцатого века руководство Советского Союза всерьез озаботилось использованием энергии ветра. Было налажено производство ветроустановок мощностью 3-4 ...
Ежегодно развитие ветроэнергетики заставляет производителей электроэнергии совершенствовать выпускаемые и разрабатывать новые типы гидрогенераторов. Конечно же одним из самых важных критериев при этом является установленная мощность ветрогенератора. От года к году этот показатель постоянно растёт.
К началу 2016 года общая установленная мощность
4. Перспективы, достоинства и недостатки ветроэнергетики
Запасы ветровой энергии превышают запасы энергии всех рек планеты более чем в 100 раз. Китай, Япония, Индия и Евросоюз одним из приоритетных направлений в ветроэнергетике считаю т энергию ветра и по установленным планам развития в этих странах к 2020-2030 годам планируется достигнуть показателей, при которых мощности ветровых парков и электростанций на традиционных энергоносителях станут соизмеримы и будут достигать 1,5-2,5 ГВт.
Как и любая промышленная технология, ветроэнергетика имеет свои достоинства и недостатки.
К достоинствам, прежде всего, относятся снижение выбросов углекислого газа в целом при выработки электроэнергии на планете так как ветрогенератор не сжигает органическое топливо. Так же не присутствует в технологическом цикле использование воды, что так же является положительным фактором. Третьим, но немаловажным положительным фактором является минимальное использование земли так как ветрогенератор практически не занимает места и при достаточных высотах установки позволяет использовать землю вокруг опорной башни под другие виды деятельности , например как сельхозугодия, пастбища и т.п.
Не обошлось тут и без недостатков.
Прежде всего, это климат. Ветрогенераторы при массовом их использовании изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс тем самым несколько замедляя скорость ветра в определённой местности и теоретически влияя на влажность. Так же, есть опасность снижения ветров при продувании ими промышленных центров (повышается вероятность образования смога в промышленных районах или центрах густонаселённых городов с плотной застройкой и большим количеством автотранспорта).
Пока в данной области только начинают разворачиваться исследования по влиянию ветрогенераторов и поэтому в настоящий момент нельзя дать точную оценку негативности влияния на климат.
Ещё одним негативным фактором при использовании энергии ветра является шум (от работы механических и электрических компонентов, который в современных моделях практически сведён на нет).
Ветрогенераторы производят механический шум и аэродинамический (при взаимодействии лопастей ветроустановки с ветровым потоком. При этом при прохождении лопасти мимо несущей колонны, звук от неё отражаясь усиливается).
В некоторых странах Европы (Дания, Германия, Англия и т.д.) приняты на законодательном уровне ограничения по шуму для ветровых установок различные для дневного и ночного времени. Так же, регламентируются минимальные расстояния установки ветрогенераторов от человеческого жилья и населённых пунктов. Теми же законами учтено влияние низкочастотных вибраций, имеющихся у мощных ветроустановок, которые передаются по земле на расстояниях до 100-150 метров [1].
Дополнительно, можно сказать об обледенении лопастей при высокой влажности и снижении температур окружающего воздуха. При пуске ветрогенератора под действием механических сил, осколки льда могут разлетаться на расстояния более 100 метров, хотя при наличии небольшого обледенения имелись случаи улучшения аэродинамических характеристик лопастей.
Защита человека и окружающей среды от воздействия вредных и опасных факторов
... производственные вибрации; производственный шум; производственная пыль; вредные вещества. Волны электромагнитных полей только частично поглощаются тканями человека и животных, и их вредное воздействие на живые организмы зависит от длины волны; интенсивности и режима излучений; продолжительности и ...
Так же, субъективным фактором воздействия ветрогенератора является визуальная составляющая. Для её снижения привлекаются ландшафтные архитекторы, хотя исследования на тему отрицательного визуального влияния пока проводятся в редких случаях и в виде социологических опросов.
Нельзя не упомянуть о негативном воздействии на фауну. Ежегодно отмечаются случаи гибели птиц при столкновении с лопастями ветрогенератора. В связи с постоянным ростом числа ветроустановок, статистика в цифрах весьма противоречива и поэтому здесь не приводится.
Сделаем только одно уточнение, что летучие мыши, живущие вблизи ветроустановки страдают больше чем птицы в силу отличий строения лёгких у одних и других при создании ветрогенераторами областей с пониженным давлением при интенсивном вращении.
И в заключении обзора недостатков , необходимо упомянуть проблему создания ветрогенераторами электропомех. Это вызвано наличием металлических деталей в лопастях ветроустановки и приводит к искажениям либо ослаблению радиосигналов. В отдельных случаях в качестве средства борьбы с данным эффектом устанавливались дополнительные ретрансляторов радиосигналов.
Заключение
Ветроэнергетика, как отдельная отрасль уже сформировалась и доказала свою состоятельность в мировой энергетике иногда являясь безальтернативным вариантом для локального электроснабжения удалённых от стационарных электросетей потребителей.
В какой-то степени современная ветроэнергетика становится близка к смене статуса «не традиционной» на такую же «традиционную» и уже готова встать в один ряд с гидро и теплоэнергетикой, как современная и вполне развитая отрасль, способная обеспечивать электроснабжение и приносить прибыль, как вид предпринимательской деятельности.
Список используемых источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/gidravlicheskie-i-vetryanyie-dvigateli/
-
Сайт Российской Ассоциации Ветроиндустрии (РАВИ). https://rawi.ru/ru .
-
Возобновляемая энергия в России. От возможности к реализации, М.: Международное энергетическое агентство. 2004. -120с.
-
Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. Интерсоларцентр. М: — 2001. — 62с.
-
Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. / Я.И. Шефтер, И.В. Рождественский. М: Издательство Министерства сельского хозяйства СССР. 1967. – 147с.
-
Неисчерпаемая энергия. Кн.1 Ветрогенераторы/ В.С. Кривцов, А.М. Олейников, А.И. Яковлев.- Учебник.- Харьков: Нац. Аэрокосм. Ун-т. «Харьк. авивц. ин-т», Севастополь: Сесвст. Нац. Техн. Ун-т., 2003.- 400с.
-
Неисчерпаемая энергия. Кн.2 Ветроэнергетика/ В.С. Кривцов, А.М. Олейников, А.И. Яковлев.- Учебник.- Харьков: Нац. Аэрокосм. Ун-т. «Харьк. авивц. ин-т», Севастополь: Сесвст. Нац. Техн. Ун-т., 2004.- 519с.
4 стр., 1593 словПриоритетные научные исследования в Украине «Ветер — ...
... по внедрению ветроэнергетики в Украине базируются в основном на применении лицензированной ВЭУ модели «USW 56-100» и ВЭУ отечественной разработки типа «АВЭ-250С». Потенциал энергии возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в Украине Что ... по сравнению с традиционными типами электростанций может быть обеспечена при сокращении стоимости ВЭУ примерно в два раза и повышении их надежности в 3-5 раз. Во ...
-
Владимир Сидорович. Мировая энергетическая революция: Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир. — М.: Альпина Паблишер , 2015. — 208 с. — ISBN 978-5-9614-5249-5 .
