Основы энергосбережения и нетрадиционные источники энергии

Однако эта область вызывает живой интерес в научном и техническом сообществе. Среди самых амбициозных проектов – запуск космической солнечной электростанции, представленный американской компанией Solaren.

Планируется вывести на геостационарную орбиту 5 спутников, со специальными зеркалами, фокусирующими солнечное излучение на солнечных модулях. Все 5 спутников будут собой представлять одну космическую солнечную электростанцию. Энергия будет передаваться на Землю с помощью микроволн и преобразовываться на приемной станции в электроэнергию. К реализации проекта планируется подключить такие промышленные гиганты как Boeing, Lockheed Martin, Pacific Gas & Electric. Планируемая мощность этой космической солнечной электростанции 200 МВт.

2.3.Ветроэнергетика

2.3.1.Физические основы ветроэнергетики. Характеристики ветра

Первопричиной образования ветра, так же как и многих других динамических явлений, происходящих на поверхности Земли и в ее атмосфере, является энергия Солнца. Прямое поглощение солнечной энергии атмосферой весьма незначительно, поскольку активно поглощают ее только водяной пар, озон, углекислый газ и пыль. Что касается основных компонентов воздушной оболочки азота и кислорода, то эти газы для солнечных лучей прозрачны. Поэтому основная часть солнечной энергии передается атмосферному воздуху от нагретой поверхности Земли в виде инфракрасного излучения, молекулярной диффузии, конвективного теплообмена и прочих физических явлений.

Воздух, нагреваясь возле поверхности Земли, поднимается вверх, так как его удельный вес при нагревании становится меньше. Это вертикальное движение воздуха является первичным и основным в ряду последовательных процессов, вызывающих появление ветра. Последовательность процессов движения воздуха от нагрева к охлаждению и снова к нагреву, и т. д. по мере его движения относительно вращающейся вокруг оси поверхности Земли во времени и пространстве, приводит к возникновению атмосферной циркуляции (рис. 2.52).

101

Рис. 2.52. Атмосферная циркуляция воздуха от экватора к северному полюсу

Под влиянием циркуляций перемещение воздушных масс совершается как во времени, так и в пространстве:

–микромасштабные (продолжительность до 1 ч, перемещение на расстояние не более 20 км),

–синоптические (продолжительность более двух суток, перемещение на расстояние более 500 км),

–мезомасштабные (на расстояния, промежуточные между указанными выше).

Влияние форм и размеров океанов и материков искажает общую стабильнуюкартину циркуляцийвдольпобережий. Судалениемотпобережий циркуляция стабилизируется, но, тем не менее, влияние местных особенностей на скорость ветра иногда значительно (рис. 2.53).

Вветроэнергетических расчетах исходные характеристики общего уровня интенсивности ветра определяются по метеорологическим данным за длительный период времени, сопоставимый с предписанным сроком эксплуатации ветроэнергетической установки

20–25 лет.

Средняя скорость ветра определяется как средняя арифметическая величина, полученная из ряда замеров скорости ветра, выполненных через равные интервалы времени в течение заданного периода.

Фоновая скорость ветра – это приведенная расчетным путем

кусловиям открытой (без влияния крупных водных массивов) ровной местности в приземном слое на высоте 10 м от поверхности земли средняя годовая (сезонная или месячная) скорость ветра за 20–25-летний период, оцененная многолетними исследованиям государственных метеорологических станций и постов (рис. 2.55).

102

БРИЗ

ХОЛМЫ

Рис. 2.53. Влияние на скорость ветра рельефа и шероховатости поверхности земли

Рис. 2.54. Фоновая скорость ветра на территории Республики Беларусь (высота 10 м)

103

Для оценки эффективности использования ВЭУ необходимо знать среднегодовую скорость ветра на высоте опоры. Приблизительно эту скорость можно рассчитать с помощью следующей эмпирической формулы:

Ux Uф (h10 hx )m ,

где Uх, Uф – скорости ветра на высотах h10 = 10 м и hх = х м; m – показатель степенной функции.

Скорость ветра на высоте 10 м (см. рис. 2.54), как уже упоминалось, измеряется метеорологическими станциями. Значения m во многих работах принимается m = 0,143. В нормативных документах рекомендуют m = 0,2.

Один из примеров расчета скорости ветра на высоте 60 м показан на рис. 2.55. Однако для принятия решений о финансировании строительства ветроустановок расчетных значений скорости ветра недостаточно. Необходимо проводить практические измерения на высоте размещения ветротурбины (80–120 м) в течение года. Для этих целей строятся мачтовые конструкции и используется специальное оборудование с дистанционной передачей данных о скорости и других параметрах в онлайн режиме.

Для энергетического использования ветрового потока необходимо знать удельную кинетическую энергию, т. е. энергию воздушной массы плотностью r (кг/м3), имеющую скорость v (м/с).

Ру 12 v3.

Плотность воздуха при нормальных условиях равна 1,225 кг/м3. Ветровой поток, имеющий скорость 4 м/с и проходящий через поперечное сечение площадью 1 м2 обладает энергией 20 Вт.

Основным показателем эффективности ветроустановок является коэффициент использования энергии ветрового потока ξ (коэффициент использования мощности ветрового потока), т. е. отношение величины механической энергии, развиваемой ветродвигателем, к полной энергии ветра, проходящей через ометаемую ветродвигателем площадь (идеальная величина ξ = 0,593). Под ометаемой площадью понимается площадь круга, создаваемого ветроколесомпри вращении.

104

Рис. 2.55. Фоновая скорость ветра (м/с) на территории Республики Беларусь (высота 60 м, расчетные значения)

Эффективность использования энергии ветра зависит от количества дней в году, в течение которых скорость ветра достаточна для работы ветроустановок. Оценивается с помощью коэффициента использования мощности (the capacity factor) – отношение фактически выработанной энергии к теоретически возможной.

Типовое значение коэффициента – 15–40 % (максимальное значение достигается для площадок с высокими ветровыми нагрузками). Среднее значение коэффициента для ветроэнергетики Германии в 2012 г. составило 17,5 %, в Европе – 20–25 %, ВЭУ 1,5 МВт в Грабниках (Новогрудский р-н) – 32 %.

Пример: турбина, мощностью 1 МВт с коэффициентом использования мощности 35 % не произведет 8760 МВт час в год (1 × 24 × × 365 = 8760), а только 1 × 0,35 × 24 × 365 = 3066 МВт час, т. е. ее фактическая мощность будет 0,35 МВт.

105

2.3.2. Классификация ветроэнергетических установок. Конструктивные особенности и характеристики ВЭУ с горизонтальной осью вращения

Ветроэнергетические установки укрупненно можно классифицировать по мощности (рис. 2.56), месту расположения (на суше – оншорные) и в шельфовых зонах водных бассейнов (оффшорные) (рис. 2.57), а также по конструкции (ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью вращения ветроколеса (см. рис. 2.58, рис. 2.59).

Рис. 2.56. Классификация ВЭУ по мощности

Рис. 2.57. Расположение ВЭУ на суше и в шельфовых зонах водных бассейнов (оффшорные ВЭУ)

106

Рис. 2.58. Общий вид ВЭУ с вертикальной осью вращения

Конструктивные особенности ВЭУ с горизонтальной осью вращения. Как видно из рис. 2.59, 2.60 конструкция ВЭУ включает механическую, аэромеханическую и электрическую (электронную) части. Это разделение достаточно условное, так как, например, следящая система включает и механическую, и электронную составляющие.

Рис. 2.59. Типовые конструктивные элементы ВЭУ с горизонтальной осью вращения

107

Рис. 2.60. Элементы конструкции, расположенные в гандоле:

1 – втулка ветроколеса; 2 – обтекатель; 3 – генератор; 4 – мультипликатор; 5 – следящая система; 6 – дисковый тормоз; 7 – основной вал;

8 – подшипник азимута; 9 – рама гондолы

Гандола с ветроколесом называют ветрогенератором. Ветрогенератор размещается (монтируется) в верхней части башни (рис. 2.61). башни современных ВЭУ имеют телескопическую форму и собираются на фундаменте установки из ряда секций с помощью мощных резьбовых соединений.

Рис. 2.61. Монтаж башни современной ВЭУ

108

Ротор ветрогенератора (рис. 2.62) состоит из ветроколеса и первичного вала, с которого энергия ветра передается на рабочие механизмы ВЭУ.

Рис. 2.62. Конструкция ротора ветрогенератора

Ветроколесо представляет собой втулку, с прикрепленными к ней лопастями (рис. 2.63).

Рис. 2.63. Конструкция ветроколеса ВЭУ

109

Мультипликатор (редуктор) (рис. 2.64) повышает обороты первичного вала до рабочего значения оборотов генератора (с 15–20 до

1800 об/мин).

Рис. 2.64. Общий вид мультипликатора ВЭУ

Редуктор является сложным механическим устройством, которое содержит множество деталей (шестерни, оси, червячные механизмы и т. п.). Поэтому редуктор является одним из наименее надежных устройств ВЭУ. При выходе его из строя замена или ремонт учитывая высоту современных ВЭУ (80–120 м) является дорогостоящей операцией. Решение этой проблемы найдено фирмой Enercon, которая разработала безредукторную конструкцию ВЭУ. Как видно из рис. 2.65 ось (ступица) ветроколеса ВЭУ соединяется непосредственно с осью генератора. Отсутствие необходимости повышать обороты на валу генератора достигнуто за счет применения многосекционной конструкции статора и ротора генератора.

Такие ВЭУ являются более надежными и долговечными, что выражается в более высокой их стоимости (на 10–20 %).

Более простую конструкцию имеют маломощные ВЭУ(30–5000 Вт) (рис. 2.66). Они применяются как зарядные устройства для аккумуляторных систем и создания локальных электрических сетей в местах, где нет доступа к общей энергосистеме и др. (рис. 2.67).

110