Современная энергетика базируется в основном на ископаемых источниках: каменном угле, торфе, нефти и газе. В последние годы стали использовать радиоактивные вещества. Однако, запасы этих источников ограничены, а темпы потребления их возрастают с каждым днем. Поэтому наука должна искать такие источники энергии, которые не иссякли бы с течением времени.
Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Распространившаяся в 1973 г. угроза нехватки невозобновляемых источников энергии и рост зависимости от импортируемого топлива привели к возрождению исследований, направленных на расширение возможности преобразования ветра в пригодный для использования вид энергии.
Однако до того как энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы — технические и связанные с охраной окружающей среды. Следует также признать, что наибольшие препятствия для использования ветроэнергетических установок создает их высокая стоимость. Эти препятствия будут меньшими, если по критерию стоимости вырабатываемой энергии ветроэнергетические установки смогут конкурировать с установками, использующими другие источники энергии. Хотя многое здесь достигнуто, наиболее сложной задачей, имеющей первостепенное значение, остается разработка экономичных ветроэнергетических установок, способных надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойную эксплуатацию при периодическом обслуживании.
Ветроэнергетика
Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.
Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,6 гигаватт. В том же году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии).
Переключения в электрических установках
... переключений в схемах электрических соединений электроустановок и цепях РЗА. Бланки переключений (типовые бланки) должен использовать оперативно-диспетчерский персонал, непосредственно выполняющий переключения. Программы переключений (типовые программы) должны применять оперативные ... Допускается отключение и включение трехполюсными разъединителями наружной установки при напряжении 10 кВ и ниже ...
Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2009 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 20 % всего электричества, в Португалии — 16 %, в Ирландии — 14 %, в Испании — 13 % и в Германии — 8 %. В мае 2009 года 80 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе.
|
2005 г. МВт |
2006 г. МВт |
2007 г. МВт |
2008 г. МВт |
2009 г. МВт |
2010 г. МВт |
||
|
Китай |
1260 |
2405 |
6050 |
12210 |
25104 |
41800 |
|
|
США |
9149 |
11603 |
16818 |
25170 |
35159 |
40200 |
|
|
Германия |
18428 |
20622 |
22247 |
23903 |
25777 |
27214 |
|
|
Россия |
14 |
15,5 |
16,5 |
— |
— |
— |
|
Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.
Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения
ветряной электростанция энергия вращение
Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветраподъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, так как они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с не посредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого поверхности, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными(быстроходность — отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.
Ветроколесо может быть выполнено с различным числом лопастей ; от одномастных устройств с контргрузами до многопластных (с числом лопастей до 50 и более).
Для снижения изгибающих нагрузок у корня лопастям часто придают сужающуюся к периферии форму. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т. е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств применяется только при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветродвигателей обычно используются для этой цели хвостовые оперения, у больших — сервосистемы.
Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, применение клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу ветроколеса или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.
Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться в рабочем положении перед башней или за ней.
Современный вариант старинного ветроколеса с парусными лопастями , сконструированный в Принстонском университете из металлических труб и обшивки, имеет форму, близкую к форме воздушного винта, и называется иногда парусным крылом. Оно имеет жесткую трубчатую переднюю кромку, на которой закреплены короткие рейки по форме концевой и корневой ход. Между их свободными концами натянут трос, который служит задней кромкой лопасти.
Рис. 1 — Конструкция ветрогенератора.
1. Фундамент
2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления
3. Башня
4. Лестница
5. Поворотный механизм
6. Гондола
7. Электрический генератор
8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
9. Тормозная система
10. Трансмиссия
11. Лопасти
12. Система изменения угла атаки лопасти
13. Колпак ротора
Таблица
|
Мощности ветрогенераторов и их размеры |
|||||
|
Параметр |
1 МВт |
2 МВт |
2,3 МВт |
||
|
Высота мачты |
50 м — 60 м |
80 м |
80 м |
||
|
Длина лопасти |
26 м |
37 м |
40 м |
||
|
Диаметр ротора |
54 м |
76 м |
82,4 м |
||
|
Вес ротора на оси |
25 т |
52 т |
52 т |
||
|
Полный вес машинного отделения |
40 т |
82 т |
82,5 т |
||
Схемы работы ветрогенератора
Возможны несколько вариантов схем работы ветрогенератора. Одна из них: схема автономного обеспечения объекта с аккумуляторами изображена (Рис. 2.)
Рис. 2. — Принципиальная схема работы ветрогенератора
Возможный вариант работы схемы: Ветер раскручивает лопасти ветряка, тот в свою очередь вращает ротор ветрогенератора. На зажимах статора возникает ЭДС, которая через контроллер выпрямляется и заряжает аккумуляторы. К аккумуляторам через тот же контроллер подключен инвертор, преобразующий электроэнергию постоянного тока в напряжение фиксированной (промышленной) частоты и амплитуды.
Также возможны схемы подключения ветрогенератора на работу параллельно с сетью с и без аккумуляторных батарей (рис. 3,4).
Такие схемы позволяют переключатся на энергию сети в случае отсутствия ветра. В схеме на рис.3 АВР позволяет переключить питание объекта при отсутствии ветра и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Эта же схема может использоваться и наоборот — ветрогенератор, как резервный источник питания. В этом случае АВР переключает вас на аккумуляторные батареи ветрогенератора при потери питания от электросети. В схеме на рис.4 общественная электросеть используется вместо аккумуляторных батарей — в неё уходит вся выработанная электроэнергия и из неё потребляется. Вы платите только за разницу между выработанной и потреблённой электроэнергией. Такая схема работы пока не разрешена в Украине и во многих других странах. Но является перспективным вариантом с точки зрения постройки распределенных электростанций (Smart Grid).
Рис. 3 — Работа ветрогенератора с аккумулятором и коммутацией с сетью
Рис. 4. — Работа ветрогенератора без аккумулятора на сеть
Достаточно сложным и дорогостоящим в схемах ветрогенераторов является инверторы. Очень часто в качестве инверторов используют так называемые каскадные многоуровневые преобразователи частоты, позволяющие из большого числа независимых источников энергии с малым уровнем постоянного напряжения (в качестве которых здесь используются аккумуляторы) получить выходное напряжение промышленной частоты, удовлетворяющие всем современным требованиям. Контроллер в каждой схеме подключения ветрогенератора выполняет различные функции и строится на основе микропроцессорной техники. Аккумуляторы являются самыми недолговечными устройствами в схемах. К сожалению, электроэнергия обладает одним очень серьезным недостатком: её сложно аккумулировать и сохранять долгое время.
Хранение ветряной энергии
При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.
Американский ученый Уильям Херонимус считает, что производить водород за счет энергии ветра лучше всего па море. С этой целью он предлагает установить у берега высокие мачты с ветродвигателями диаметром 60 м и генераторами. 13 тысяч таких установок могли бы разместиться вдоль побережья Новой Англии (северо-восток США) и “ловить” преобладающие восточные ветры. Некоторые агрегаты будут закреплены на дне мелкого моря, другие будут плавать на его поверхности. Постоянный ток от ветроэлектрических генераторов будет питать расположенные на дне электролизные установки, откуда водород будет по подводному трубопроводу подаваться на сушу.
Плюсы и минусы ВЭС
Плюсы: ВЭС достаточно дешевы и просты по своей конструкции. Одна ветряная электростанция в состоянии выработать количество электричества достаточное для снабжения энергией загородного усадебного хозяйства. Ветряные электростанции не требуют использования все более дорожающих видов топлива. Они полностью «зеленые», т.е. экологически безопасны. При использовании ветряных электростанций отсутствуют какие-либо вредные выбросы, которые загрязняли бы окружающую среду. Территориально ветер есть во всех регионах нашей страны, и в этом отношении нет никаких преград для использования подобных энергетических устройств. Ко всему прочему энергия ветра может с успехом конкурировать с невосстанавливаемыми источниками энергии. Это все положительные стороны использования ветряных электростанций.
Минусы: Но есть целый ряд минусов, которые не дали возможности историческому развитию использования данного энергоресурса. Сам по себе ветер не постоянен. Он то сильнее, то слабее. Это очень затрудняет возможность применения преобразователей его энергии. Поэтому постоянно ведутся исследования и разрабатываются новые варианты устройств, компенсирующих этот недостаток.
Ветряные электростанции — достаточно шумные конструкции, преобразование энергии сопровождается шумом присущим всем работающим механическим устройствам. По этой причине приходится строить их на некотором расстоянии от жилых построек, с учётом того, чтобы шум в жилых помещениях был не более 40 децибел. Ветряные электростанции являются источником помех для всех радио и телеприборов. С этим недостатком просто приходится мириться, как смирились в Западной Европе, где количество ветряных электростанций уже превысило 26000.
И ветряные электростанции наносят существенный вред летящим птицам. Поэтому прежде, чем устанавливать подобное устройство, следует проследить, чтобы оно не стояло на путях гнездования и миграции пернатых.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/tipyi-vetrogeneratorov/
Интернет источник:
http://ru.wikipedia.org/wiki
http://www.broadcraft.com/articles/using/plus-minus/
