4. Технології отримання вітрових та геотермальних енергоносіїв.

4.1. Вивчення будови вітроенергетичних_установок.

Енергія вітру є однією з провідних серед відновлюваних джерел енергії. Вона невичерпна доки існує сонячна радіація та атмосфера. Важливою її перевагою є те, що її відносять до чистих з екологічної точки зору джерел енергії.

У деяких країнах світу (США, Швеція, Нідерланди та інших) вітроенергетика сьогодні дає не менше 10% всієї електроенергії. В Україні, особливо в південних і західних регіонах, є значні можливості використання енергії вітру.

Технічне рішення під час реалізації вітроелектричної станції (ВЕС) у спрощеному варіанті складається з вітроколеса, пов'язаного з валом ротора генератора, закріпленого на опорній башті. Однак, оскільки швидкість вітру непостійна, а приймальна напруга електричної мережі стабільна за частотою, структурна схема ускладнюється (рис. 10.1).

Рис. 1. Структурна схема вітроелектричної станції

Вігроколесо обертається з відносно невеликою швидкістю, з'єднується з ротором генератора через редуктор, а генератор з'єднується з мережею через перетворювач частоти. Узгодження довільної швидкості обертання вітроколеса зі стабільною частотою струму електричної мережі здійснюється за допомогою ЕОМ. що включає інформаційну систему і систему автоматичного регулювання, які контролюють швидкість обертання вітроколеса, що забезпечує узгоджену роботу збудника, генератора і перетворювача частоти з параметрами електричної мережі. Вітчизняний та світовий досвід показує, що найбільш ефективно вітроенергетичні установки використовуються для водопостачання, теплопостачання та електропостачання автономних об'єктних, віддалених від централізованих систем водопостачання та електропостачання. Оцінювання вітроенергетичних ресурсів для обгрунтування схем розміщення та проектування вітроенергетичних установок (ВЕУ) здійснюється згідно з керівним документом РД 52.04.275-89.

4.2. Розгляд загальних питань підвищення ефективності та технічного ресурсу вітроенергетичних установок..

Узагальнення вітчизняного та зарубіжного досвіду дозволяє сформулювати основні шляхи найбільш ефективного використання в процесі їх експлуатації і надати такі рекомендації.

Зменшення габаритів, маси і вартості вітроенергетичних установок (ВЕУ). Зі зростанням потужності ВЕУ габаритні розміри, загальна маса і вартість (капітальні та експлуатаційні витрати) збільшуються, а відповідні питомі показники, що припадають на 1 кВт установленої потужності, зменшуються. У малопотужних ВЕУ можуть знайти застосування як гвинтові аксіальні вітроагрегати, так і ортогональні і аксіальні агрегати з лопатевими напрямними апаратами.

Основним методом зниження габаритів, маси і вартості ВЕУ є перехід до більш потужних і досконалих конструкцій та систем, до яких можуть бути віднесені ВЕУ з лопатевими напрямними апаратами.

Маса і габарити ВЕУ будь-якого тину можуть бути зменшені також шляхом поліпшення конструктивного рішення електрогенератора, більш ефективного використання магнітних матеріалів.

Підвищення надійності та технічного. ресурсу вітроколеса і генератора. ВЕУ має працювати практично без технічного обслуговування не менше 20-25 років. Можливі такі шляхи вирішення цієї проблеми.

- виготовлення конструктивних елементів ВЕУ з нових матеріалів (вуглепластиків, армованих склопластиків) забезпечило б необхідну надійність і ресурс установки, але висока вартість зазначених матеріалів робить їх застосування поки що економічно недоцільним; використання підрссорснних лопатей, тобто, гіружпа їх підвіска, що дозволяє створити конструкцію, що працює як амортизатор під час впливу ударних вітрових навантажень;

- в малопотужних ВЕУ доцільно застосування безмультіплі- каторпнх систем з пизькообертовим генератором, в якому відсутні конструктивні кільця та щітки (бесщітковий варіант).

У цьому випадку можна пітн двома шляхами. По-перше, можна орієнтуватися па створення конструкції генератора, в якому вітроколесо розміщено всередині ротора генератора, а його статор є елементом, охоплювальннм ротор і відокремленим від нього повітряним зазором. Статор може бути виготовлений дуговим (охоплюватиме частину кола). Цей шлях, як зазначається, розв'язуючи в принципі проблему створення безредукторіюго приводу, призводить до значного збільшення габаритів і маси останнього. При цьому виникають складнощі, пов'язані з кон тролем повітряного зазору і забезпеченням його сталості. Зазначені недоліки нітрохи не менше труднощів експлуатації механічного редуктора.

По-друге, як зазначається, можливий перехід до багатополюсного генератора, наприклад, індукційного тину. Такий генератор має низку переваг: можливість суттєвого збільшення кількості пар полюсів генератора без збільшення зовнішніх діаметрів ротора і статора; використання гребінчастої зубчастої зони; невелика вартість, висока надійність і простота експлуатації; можливість забезпечення значної питомої потужності за низьких частот обертання генератора.

Оптішальна передача крутного моменту під вітродвигуна до генератора. Найбільш радикальний метод вирішення цієї проблеми - повна відмова від застосування у ВЕУ будь-якого мультиплікатора, що дозволяє суттєво спростити конструктивну схему установки і підвищити її надійність. Якщо це неможливо, то може бути рекомендовано застосування мультиплікатора з мінімальним передаточним відношенням. У цьому випадку стає можливим застосування у ВЕУ безконтактного індукційного генератора. Пневматична передача потужності, з огляду на значну її складність, є доцільною лише під час використання ВЕУ середньої та великої потужності. Тому застосування її для ВЕУ систем водопостачання та теплопостачання потребує спеціального техпіко- екопомічного обгрунтування.

Екологічна проблема. ВЕУ дозволяють виробляти механічну, електричну, проте вібрації та шуми, що виникають під час експлуатації ВЕУ в діапазоні частот обертання вітроколеса 380-480 об/хв, небезпечні для здоров'я людини, життя тварин, птахів, комах. Тому ці та близькі до них частоти мають бути виключені з експлуатаційних режимів ВЕУ. Рівень звукової потужності шумових ефектів, які супроводжують роботу ВЕУ, вдень на відстані 150-200 м від установки досягає 50-70, а вночі - 40 дБ.

Найбільш ефективним є використання ВЕУ з лопатевими напрямними апаратами, які можуть не тільки підвищити ефективність роботи ВЕУ та істотно знизити рівень шуму, але і, за наявності сіткових огороджень, запобігти потраплянню птахів у ВЕУ.

Для запобігання порушенню ландшафту доцільно надавати ВЕУ форму, що дозволяє гармонійно вписати її в конструкцію будівлі, застосовувати нові форми елементів, оптимальні з точки зору сучасного дизайну, і надавати допоміжним елементам ВЕУ форму та забарвлення, що гармонує з місцевістю, де передбачається використовувати ВЕУ.

ВЕУ з лопатевим напрямними апаратами, механічні теплогенератори з приводом від ортогональних ВЕУ, а також ВЕУ з високочастотними синхронними електрогенераторами зможуть бути використані в системах водо-, тепло- та електропостачання, а також у поє днанні з іншими поновлюваними джерелами енергії.

Істотними є кліматичні умови певної місцевості для визначення конструкції ВЕУ на міцність і надійність роботи. Вони включають:

- розрахунковий вітровий тиск (вітрове навантаження) і його зміна за висотою споруди;

- інтенсивність турбулентності та коефіцієнт поривчастості вітру;

- прискорення вітру в пориві;

- екстремальні значення відкладень ожеледі на поверхнях опор і лопатей ВЕУ в зимовий період року.

Для визначення продуктивності та режиму роботи ВЕУ необхідно знані дві статистичні величини: середню швидкість вітру V і коефіцієнт варіації С_v.

Технічно реалізовані ресурси вітрової енергії в приземному шарі атмосфери в регіоні можуть бути розраховані за формулою:

(10.1)

де S_B - площа регіону, м²; D - діаметр вітроколеса, м; W_j - виробіток електроенергії вітроагрегатом, кВт год:

(10.2)

де Z - висота розташування вітроколеса; t_н - температура повітря; m - показник ступеня, що залежить від класу стійкості атмосфери і шорсткості поверхні (m = 0,17...0,24); N_і - потужність, кВт, що розвиває агрегат за швидкості вітру на висоті Z = 10м; Т_i - кількість годин роботи агрегату за швидкості вітру па розрахований період (місяць, рік), год/міс, год/рік.

Формула (10.1) може бути використана для розрахунку технічно реалізованих ресурсів вітрової енергії в регіоні в приземному шарі атмосфери для ВЕУ малої та середньої потужності. Теплову енергію без викидів забруднювальних речовин в атмосферу та скидів у водні об'єкти, що має місце під час використання традиційних джерел енергії (двигуни внутрішнього згоряння, ТЕС і ТЕЦ тощо).

Однак деякі незначні негативні екологічні наслідки може мати і застосування ВЕУ. До них відносять значний рівень шуму під час роботи ВЕУ, загибель птахів у разі потрапляння їх у площину працюючого вітроколеса й порушення ландшафту, особливо в місцевостях, які мають культурно-історичне й рекреаційне значення.