Рисунок 1. Ветряки с горизонтальной и вертикальной осью вращения
В карусельных и барабанных вал ветроколеса устанавливается вертикально. Оно вращается под действием ветра на лопасти, расположенной с одной стороны оси колеса, в то время как другие лопасти прикрываются ширмой или возвращаются с помощью специального устройства ребром к ветру. Эти оба класса являются громоздкими и менее эффективными по сравнению с крыльчатыми.
Исходя из этого, вся современная ветроэнергетика базируется в основном на крыльчатых типах ветродвигателей. Пропеллерные ветродвигатели совершенны, относительно мало материалоемкий, обеспечивают достаточно высокий коэффициент использования энергии ветра. Следует учитывать, что при расположении рядом нескольких ветряков они должны располагаться не ближе трех высоты друг от друга чтобы не перехватывать «чужой» ветер.
Ветроколесо установки закрепляется на горизонтальном валу, который вращается в двух подшипниках, смонтированных в головке ветродвигателя. Вращения ветроколеса передается электрогенераторов через две цилиндрические шестерни. Головка ветродвигателя монтируется на башне, высота которой определяется с расчетом выноса ветроколеса выше всех окружающих помех, которые могут влиять на потоки воздуха. Она может вращаться вокруг вертикальной оси.
Позади головки закрепляется хвост для установки ветроколеса на ветер. Мощность ветродвигателя без регулирующего устройства увеличивается или уменьшается пропорционально кубу скорости ветра, следствием чего является неравномерность работы электрогенератора.
Чтобы устранить этот недостаток в ветродвигателей применено автоматическое регулирование скорости вращения электрогенератора. Напряжение, которое снимается с электрогенератора, стабилизируется в стабилизаторе напряжения. Поэтому выходное напряжение остается постоянной, она колеблется от 210 В до 230 В и не зависит от скорости ветра.
Таблица 1
Характеристика генераторов
|
Модель |
300L |
500 |
1 |
2 |
3 |
5 |
10 |
20 |
|
Номинальная мощность (Вт) |
300 |
500 |
1000 |
2000 |
3000 |
5000 |
10000 |
20000 |
|
Номинальное постоянное напряжение (В) |
24 |
24 |
48 |
48 |
240 |
240 |
240 |
360 |
|
Номинальное переменное напряжение (В) |
34 |
34 |
68 |
34 |
339 |
339 |
339 |
509 |
|
Номинальная постоянная сила тока (А) |
25 |
21 |
21 |
42 |
13 |
21 |
56 |
|
|
Номинальная переменная сила тока (А) |
18 |
15 |
15 |
60 |
9 |
15 |
30 |
40 |
|
Номинальная скорость вращения (об/мин) |
450 |
400 |
400 |
400 |
220 |
200 |
180 |
90 |
|
Максимальная скорость вращения (об/мин) |
600 |
500 |
500 |
500 |
275 |
250 |
225 |
112 |
|
Вес генератора (кг) |
12,5 |
40 |
48 |
53 |
280 |
325 |
387 |
960 |
Таблица 2
Характеристика лопастей ветроустановок
|
Модель |
300L |
500 |
1 |
2 |
3 |
5 |
10 |
20 |
30 |
|
Материал |
Стекловолокно |
||||||||
|
Кол-во лопастей |
3 |
||||||||
|
Диаметр ветроколеса (м) |
1.5 |
2.5 |
2.7 |
3.2 |
4.5 |
6.4 |
8 |
10 |
13 |
|
Площадь ветроколеса (м2) |
1.80 |
4.90 |
5.70 |
8.00 |
15.90 |
32.20 |
78.5 |
132.7 |
|
Таблица 3
Шумовые характеристики ветроустановок
|
Модель |
300L |
500 |
1 |
2 |
3 |
5 |
10 |
20 |
|
Скорость ветра (м/с) |
Уровень шума (дБ) |
|||||||
|
3 |
20.9 |
20.9 |
23.3 |
24.6 |
20.9 |
20 |
21.3 |
29.7 |
|
4 |
23.4 |
22.7 |
24.8 |
24.8 |
27.8 |
22.6 |
21.7 |
34 |
|
5 |
28.5 |
26.2 |
30.9 |
29.5 |
36.2 |
24.5 |
29.4 |
38.2 |
|
6 |
36.7 |
33.6 |
36.9 |
35.2 |
40.2 |
32.2 |
30.6 |
40.9 |
|
7 |
43.6 |
40.3 |
42.2 |
40.7 |
45.8 |
35.6 |
41.4 |
45.1 |
|
8 |
49.8 |
45 |
49 |
48.2 |
46.9 |
40.4 |
44.5 |
48 |
|
9 |
52.7 |
53.4 |
52.6 |
48.9 |
44.7 |
50.3 |
51.3 |
|
|
10 |
61.8 |
58.4 |
62.4 |
61.8 |
59 |
48.6 |
54.8 |
54.6 |
|
11 |
66.2 |
59.5 |
64 |
65.8 |
62.4 |
58.4 |
58.4 |
57.5 |
|
12 |
69.5 |
63.3 |
70.7 |
70.5 |
64.6 |
59.3 |
59.4 |
61.7 |
Альтернативная энергетика, а вместе с ней и ветроэнергетика, могут похвастаться своим бурным развитием. В числе основных причин этого — актуальные на данный момент проблемы энергетической безопасности, увеличение стоимости нефти, сознательность многих людей, которых беспокоит изменение климата на планете.
Средний показатель используемой электрической энергии, получаемой благодаря ветряным электростанциям, составляет 1,5 процента. В государствах, в которых использование подобных устройств всячески поддерживается правительством, доля ветровой энергетики на порядок выше. Так, ветровая электроэнергия от общего количества энергии в Германии составляет 8 процентов, в Испании — десять процентов, а жители Дании используют аж 20 процентов ветрового электричества.
Свыше 50% мировых ветряных мощностей на данный момент находится на территории Европы. Быстрее остальных ветряными электростанциями обзаводятся азиаты, североамериканцы, европейцы.
Согласно сценариям развития данной отрасли альтернативной энергетики, которые были составлены учеными, в 2030 г. от общего количества добываемой электрической энергии доля ветровой может составить пять процентов, а в 2050 — 6,6 процентов. Это при условии отсутствия рыночных стимулов и поддержки государств. Если же правительства будут всячески способствовать появлению большего количества ветряных электростанций, эти показатели будут составлять 15,6 и 17,7 процентов соответственно. А при условии глобальных энергосберегающих мероприятий 2030 и 2050 ознаменуются такими цифрами, как 29,1 и 34,2 процента.
Данная аналитика свидетельствует о том, что ветроэнергетика может занять более крепкие позиции в системе снабжения электрической энергии при условии проведения глобальных энергосберегающих мероприятий.
К примеру, канадское правительство поставило перед собой цель увеличить производство ветроэлектроэнергии к 2015 г. на пятнадцать процентов. В планах ЕС — в 2020 г. достичь цифры в 180000 мегаватт. А национальный план развития Поднебесной содержит данные, согласно которым этот показатель к 2020 г. должен составить 30000 мегаватт.
Несмотря на то, что многие государства во всем мире активно интересуются альтернативной энергетикой, РФ, наоборот, добывает и поставляет в другие страны все большее количество традиционного топлива. Лидерами в российской топливно-энергетическом балансе являются нефть (18,9 процентов) и газ (53 процента).
Твердое топливо занимает 18 процентов от общего количества потребляемой энергии.
При помощи альтернативных источников энергии РФ за год получает не больше восьми с половиной миллиардов кВтч электроэнергии. При этом не учитываются гидроэлектростанции, мощность которых превышает двадцать пять мегаватт. По отношению к общему объему это меньше, чем один процент.
За некоторое время до того, как случился финансовый кризис, россияне начали создавать нормативно-правовую базу, касающуюся развития ветроэнергетического рынка. Так, в 2007 г. были приняты поправки к Федзакону «Об электроэнергетике», которые стали основой для развития данной отрасли. Благодаря этому начали формироваться институциональные условия существования рынка, отрасль стала более привлекательной в плане инвестиций.
Одним из основных направлений госполитики в области увеличения энергоэффективности стало развитие получения электроэнергии благодаря:
Установкам, «добывающим» энергию из солнечного света (рис.2)
Установкам, «добывающим» энергию благодаря ветру.
Малым ГЭС, мощность которых составляет 25 мегаватт.
Установкам, использующим геотермальную энергию подземных источников тепла.
Установкам, использующим биогаз, биомассу.
Установкам, использующим низкопотенциальную теплоэнергию воды (в т.ч. и сточные воды), воздуха, земли.
Чтобы достичь объема использования устройств, добывающих энергию из ветра, до 2020 г. будут введены генерирующие приспособления (тепловые электрические станции, функционирующие за счет биомассы, геотермальные, приливные, ветроэлектростанции, малые гидроэлектростанции и др.), общая мощность которых должна составить 25 гигаватт.
Рисунок 2. Солнечные батареи
Как результат, ветряные электростанции в 2020 г. должны будут равняться ~ восьмидесяти миллиардам кВтч.
По мнению специалистов, техвозможности российской ветровой энергии равняются < 6 тыс. миллиардам кВтч за год (в нашем понимании возможности отрасли — это среднее количество энергии за 1 год, которой располагает энергетический ресурс в случае стопроцентного ее преобразования в энергию, приносящую пользу).
Что касается экономических возможностей, они равняются ~ 31 миллиардам кВтч за 1 год. РФ в этом плане является 1-й из наиболее богатых государств, обладающих большим количеством мест, годящихся для расположения ветряных электростанций. российский ветровой энергетический экологический
Для России очень важно развитие ветровой энергетики, поскольку семьдесят процентов земель государства с десятью процентами населения располагаются в областях децентрализованного снабжения электрической энергией. При этом данные области являются потенциально благоприятными для выработки электричества благодаря ветру (Таймыр, Якутия, Чукотка, Камчатка, Бурятия, Сахалин, Магаданская обл. и др.).
Новые мощности, позволяющие «добывать» энергию из ветра, появляются в РФ довольно медленно. Так, например, в 2005 году данный показатель составлял 14 мегаватт, в 2006 — пятнадцать с половиной мегаватт, в 2007 — шестнадцать с половиной мегаватт. Средняя скорость прироста равняется восьми процентам в год. Цифра не очень привлекательна по сравнению, к примеру, с Испанией с ее 20-ю процентами, США с 30-ю процентами, КНР с 60 процентами.
На данный момент на территории РФ располагается десять больших ветряных электростанций (рис. 3).
Их доля составляет ~ 90 процентов от общей мощности. Также работает чуть больше, чем полторы тысячи малых ветровых установок, диапазон мощности которых составляет 0,1-30 кВт.
Рисунок 3. Ветряная электростанция г. Астрахань [7]
Подавляющее число установок было установлено в 2003-2004 г. Тогда как в последнее время мощности растут, как правило, благодаря появлению маломощных одиночных энергетических систем. Прирост равняется 250 ветровым установкам, мощность которых равняется 1-5 киловаттам.
|
Город |
янв. |
фев. |
март |
апр. |
май |
июнь |
июль |
авг. |
окт. |
ноя. |
дек. |
за год |
|
|
Владивосток |
6.9 |
6.8 |
6.1 |
6.5 |
6.4 |
5.9 |
5.5 |
5.5 |
5.6 |
6.5 |
6.5 |
6.3 |
6.2 |
|
Москва |
2.5 |
2.5 |
2.5 |
2.5 |
2.2 |
2.1 |
1.9 |
1.8 |
2.0 |
2.4 |
2.5 |
2.6 |
2.3 |
|
Мурманск |
5.6 |
5.5 |
5.1 |
4.7 |
4.5 |
4.6 |
4.1 |
3.9 |
4.4 |
5.1 |
5.0 |
5.4 |
4.9 |
|
Ростов-на-Дону |
2.7 |
3.2 |
3.1 |
2.7 |
2.1 |
1.8 |
1.7 |
1.8 |
1.9 |
2.3 |
2.6 |
2.5 |
2.4 |
|
Сочи |
2.1 |
2.1 |
2.0 |
1.8 |
1.6 |
1.7 |
1.6 |
1.7 |
1.8 |
2.1 |
2.1 |
1.9 |
По оценкам специалистов, общая потенциальная мощность украинской ветроэнергетики составляет5000 МВт. Побережье Черного и Азовского морей, гористые районы Крымского полуострова (особенно северо-восточное побережье) и Карпат, Одесская, Херсонская, Запорожская, Донецкая, Луганская и Николаевская области наиболее подходят для строительства ветровых электростанций. Только потенциал Крыма достаточный для производства более 40 млрд. кВт\ ч. электроэнергии ежегодно.
Подсчитано, что при нынешнем уровне развития ветроэнергетики сооружения в «ветряных» регионах Украины ветровых электростанций (ВЭС) позволило бы покрыть едва не треть потребности электроэнергии, которую мы потребляем. С технической точки зрения ветровая электроэнергетика сегодня уже вплотную приблизилась к традиционной: на современных ветровых турбинах коэффициент использования установленной мощности достигает 42 процентов. Это почти столько, как на турбинах бытующим тепловых электростанций.
Ветрогенераторы Fortis Wind Energy
Ветряные установки Fortis производятся в Нидерландах уже более 25 лет. Эти ветрогенераторы по праву считаются самыми тихими среди горизонтально-осевых (уровень шума непосредственно под ветряком на уровне 45дБ).
Рисунок 4. Ветрогенераторы Fortis Wind Energy [4]
В мире установлено более 4000 ветрогенераторов Fortis Wind Energy. Некоторые машины непрерывно находятся в эксплуатации с 1984 года и сохранили полную функциональность до наших дней.
Вертикальные ветрогенераторы Fairwind
Вертикально-осевые ветряки бельгийской компании Fairwind — это, прежде всего, европейское качество и надежность. В этой ветряной установке нет “ни одного китайского винтика”, производство лопастей и сборка ВЭУ осуществляется в Бельгии, генераторы производятся в Финляндии.
Рисунок 5. Вертикальные ветрогенераторы Fairwind [4]
Вертикальные ветрогенераторы Queitrevolution- это британская компания с многолетним опытом разработок, производства и монтажа ветряных установок премиум-класса. Ее вертикально-осевая ветряная установка QR5 — одна из самых узнаваемых, отличается современным дизайном и внушительными аэродинамическими характеристиками.
Рисунок 6. Вертикальные ветрогенераторы Queitrevolution [4]
Ветряки Windelectric
Первые ветряки были разработаны в 1999 году группой украинских инженеров. За 15 лет установлено свыше 500 ВЭУ, большая часть машин экспортируется во Францию. Ветряные установки Windelectric это на 100% украинское производство. Модель ориентирована на экспорт, очень надежна и неприхотлива в обслуживании, есть возможность дистанционного мониторинга и управления системой по GPRS-каналу.
Рисунок 7. Ветряки Windelectric [4]
Vortex Bladeless
Испанские изобретатели представили инновационный ветрогенератор без лопастей. Необычная турбина под названием Vortex Bladeless выглядит как столб. Для производства энергии здесь также используется сила ветра, вот только принцип другой.
Воздушные потоки создают колебания ветряка, а генератор внутри превращает механические движения в электричество. Разработчики говорят, что их турбины производят на 30% меньше энергии, чем обычные. Однако из-за отсутствия лопастей на одной площади можно установить больше таких генераторов.
Кроме того, они будут работать дольше, поскольку не имеют движущихся деталей и приводов, а также не требуют периодического обслуживания. Благодаря этому себестоимость электроэнергии безлопастных ветряков будет примерно на 40% дешевле.
Рисунок 8. Ветряки Vortex Bladeless [9]
А простой дизайн конструкции позволит вдвое снизить расходы на транспортировку и установку. Первые коммерческие ветрогенераторы испанцы обещают выпустить в следующем году.
Перспектива создания ветряных установок довольно реализуема для многих стран мира, в том числе, и для Российской Федерации. Для активного начала реализации подобного рода альтернативного источника энергии необходима инициатива государства, которая будет обеспечивать как юридическую, так и финансовую поддержку.
В 2014 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 706 тераватт-часов (3% всей произведённой человечеством электрической энергии) В этом же году 85 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе. По итогам того же года в ветроэнергетике занято более 800 000 человек во всем мире (в том числе 356 000 в Китае и 138 000 в Германии.
Исследуя данную работу, я пришел к выводу, что ветряные установки — это один из наилучших альтернативных источников добычи энергии. Они являются экологически чистым и безотходным механизмом добычи электроэнергии. Именно поэтому данный вид добычи энергии должен существовать и развиваться для сохранения экологии нашей планеты.
1. http://electrik.info/main/fakty/661-vetryanaya-elektrostanciya-doma-blago-ili-blazh.html
2. http://zeleneet.com/chto-takoe-vetryanye-elektrostancii-rossijskaya-vetroenergetika/28145/
- http://khd2.narod.ru/gratis/winds.htm
- http://vetrodvig.ru/?p=1466
- http://www.electrosnab.com/obor/vetrovye_ustanovki
- http://ecost.lviv.ua/ru/genery.html
