2891

Для удаленных пустынных районов, в которых продолжительность солнечного сияния в год велика, проблему получения электроэнергии можно решить с помощью электростанций типа «солнечная труба».

Основная идея проекта – нагрев воздуха с помощью солнечной энергии и использование трубы для того, чтобы создать движение нагретого воздуха. Скорость нагретого воздуха увеличивается за счет применения трубы, у которой сопло сужается к вершине. Это позволяет установить на электростанции ветряную турбину. Кинетическая энергия нагретого воздуха преобразуется в электрическую с помощью такой турбины.

«Солнечная башня» в Мансанаресе (Испания). Солнечная труба преобразует солнечное излучение (прямое и рассеянное) в электричество, комбинируя три принципа: парниковый эффект, вытяжную трубу и ветрогенератор. Горячий воздух движется к трубе, расположенной в середине крыши, и вытягивается в нее. При этом поток воздуха вращаетрасположенныевоснованиитрубытурбины(рис. 1.18).

Рис. 1.18. «Солнечная башня» в Мансанаресе (а) и стеклянная крыша «Солнечной башни» (б)

Австралийская «Солнечная башня» в Аризоне. В пустыне Ари-

зоны в скором времени может стартовать очень амбициозный и крупномасштабный проект в области энергетики (рис. 1.19). Идея,

31

которая лежит в основе постройки такого сооружения, достаточно проста. Солнечные лучи освещают и нагревают определенный участок поверхности у подножия башни, данный участок покрыт специальным теплоизолирующим материалом. Сам он представляет собой подобие очень большой по размерам теплицы. Нагретый в этой «теплице» воздух стремится наверх, стекаясь к единственному

вданном покрытии отверстию, расположенному в центре. Именно

вэтом месте в основании «Солнечной башни» расположены турбины, которые и вырабатывают электрическую энергию за счет естественно восходящих потоков нагретого воздуха.

Рис. 1.19. «Солнечная башня» в Аризоне

32

2. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

Ветроэнергетика – использование движения воздушных масс для получения энергии в каком-либо виде.

Энергия ветра на земле неисчерпаема. Многие столетия человек пытается использовать энергию ветра, строя ветростанции, выполняющие различные функции: мельницы, водяные и нефтяные насосы, электростанции. Как показала практика и опыт многих стран, использование энергии ветра крайне выгодно, поскольку, вопервых, стоимость ветра равна нулю, а во-вторых, электроэнергия получается из энергии ветра, а не за счет сжигания топлива.

В связи с постоянными выбросами промышленных газов в атмосферу и другими факторами возрастает контраст температур на земной поверхности. Это является одним из основных факторов, который приводит к увеличению ветровой активности во многих регионах нашей планеты и актуальности строительства ветростанций.

Причина ветра – неравномерный нагрев земной поверхности. Особые местные условия рельефа земной поверхности (моря, горы и т.п.) вызывают местные ветры, например бризы. Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км в сторону суши. В России бризы можно наблюдать летом у берегов Черного и

Каспийского морей (рис. 2.1).

Годовые изменения температуры по берегам больших морей и океанов вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом – муссоны. В Дальневосточном регионе зимой дуют суровые северо-западные материковые ветры; летом – юго-восточные и южные морские влажные ветры. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений.

Несмотря на то что на сегодняшний день вклад ветроэнергетики в мировой энергетический баланс остается пока небольшим, на практике доказаны ее неоспоримые преимущества перед традиционной энергетикой:

1) экологическая чистота – ветроустановки не выделяют углекислый газ, как это происходит при сжигании топлива;

33

2)выработавшие свой ресурс ветростанции не представляют опасности, как, например, АЭС (атомная электростанция);

3)стоимость утилизации ветротурбин по окончании их эксплуатации гораздо меньше, чем других типов электростанций;

4)земли, отчуждаемые для строительства ветростанций, пригодны для параллельного использования, например в сельском хозяйстве.

Рис. 2.1. Распределение среднегодовой скорости ветра:

1 – выше 6 м/с; 2 – от 3,5 до 6 м/с; 3 – до 3,5 м/с

Значение среднегодовой скорости ветра в каком-либо районе дает возможность приближенно судить об эффективности использования там ветродвигателя.

Прибрежные зоны характеризуются высокой интенсивностью ветров. Среднегодовые скорости ветра >6 м/с. На Севере и Сахалине наблюдаются ураганные ветры (>30 м/с), поэтому там можно использовать только агрегаты с ветродвигателями высокой быстроходности и прочности. В Арктике и на побережье эффективно применение ветроэлектрических станций (ВЭС), работающих совместно с тепловыми, и небольших ветроэлектрических агрегатов. На Юге европейской части России, Урале, юге Сибири средняя интенсивность ветра, среднегодовая скорость ветра – 3,5–6 м/с, в связи с этим возможно применение ВЭС.

34

На севере европейской части России, севере Сибири (исключая побережье) скорости ветра относительно невелики – <3,5 м/с, поэтому широкое применение ветроэнергетических установок (ВЭУ) экономически не оправдано.

2.1. Классификация ветроустановок

Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.

Первый класс включает ветродвигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра и ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми (рис. 2.2). Быстроходностью при этом называется отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра.

Крыльчатые ветродвигатели в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности разделяются на три группы:

1)ветродвигатели многолопастные, тихоходные, сбыстроходностью меньше2;

2)ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы,

сбыстроходностьюбольше 2;

3)ветродвигатели малолопастные, быстроходные.

Ко второму классу относятся систе-

мы ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы:

– роторные ветродвигатели системы Савониуса (рис. 2.3).

35

Рис. 2.3. Карусельный и роторный ветродвигатели

К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными (рис. 2.4). У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра,

2.Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра.

3.Размеры используемой части воздушного потока малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесенный к единице установленной мощности ветродвигателя.

36

2.2. Конструкции ветроэнергетических установок

2.2.1. Ветроколесо с горизонтальной осью

Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Ветроколесо с горизонтальной осью

При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические нагрузки, повышенный шум и флуктуация выходных параметров ветроустановки. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели.

В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух- и трехлопастные ветроколеса, последние отличаются очень плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, расположены обычно на верху опорной башни в поворотной головке. В принципе их удобнее размещать внизу, но возникающие при этом сложности с передачей крутящего момента обесценивают преимущества такого размещения.

37

2.2.2. Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью

Такие установки вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Редуктор с генераторами установлены внизу башни.

К недостаткам ветроэлектрогенераторов с горизонтальной осью можно отнести гораздо большую подверженность их усталостным разрушениям из-за более часто возникающих в них автоколебательных процессов и пульсации крутящего момента, приводящую к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора.

Ниже приведены наиболее распространенные типы верти- кально-осевых установок.

Чашечный ротор (анемометр)

Ветроколесо этого типа вращается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра (рис. 2.6).

Ротор Савониуса

Это колесо также вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т.е. отличаются простотой и дешевизной. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительное него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения

это ветроколесо обладает большим крутящим моментом и используется для перекачки воды (рис. 2.7).

Ротор Масгрува (ортогональные вертикально-осевые ВЭУ)

Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоянии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться или складываются

38

вокруг горизонтальной оси при отключении. Существуют различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при сильном ветре (рис. 2.8).

Ротор Эванса

Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и при управлении поворачиваются вокруг вертикальной оси (рис. 2.9).

Ветрогенераторы с геликоидным ротором

Для ветровой станции с геликоидным механизмом характерно равномерное вращение ротора благодаря закрутке лопастей, которое снижает нагрузку на опорные узлы, что, в свою очередь, увеличивает срок службы. Но из-за сложной технологии производства он имеет высокую стоимость (рис. 2.10).

Система с ротором Дарье

Ветроустановка Дарье имеет две или три лопасти в виде плоской полосы. Такая установка отличается низкой себестоимостью, но и эффективность у нее не самая высокая. К тому же при равномерном набегающем потоке она не может запускаться самостоятельно (рис. 2.11).

39

Ветрогенераторы многолопастные с направляющим аппаратом

Ветрогенераторы многолопастные с направляющим аппаратом являются модификацией ортогонального ротора (рис. 2.12). Они имеют два ряда лопастей, первый ряд является неподвижным, он представляет собой направляющий аппарат, назначением которого является захват ветрового потока, его сжатие с увеличением скорости и подача потока ветра под оптимальным углом атаки на второй ряд лопастей, представляющих собой вращающийся ротор.

Рис. 2.12. Ветрогенераторы многолопастные с направляющим аппаратом

40