Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие
.pdf
Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а
номинальная мощность достигается при скорости 14…16 м/с. Предварительные
расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50
до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца,
по которому движутся крылья, составит около 80 м.
3.3. Ветроэнергетика в России и в мире
Установленная мощность ВЭУ в Европе в 2000 г. составляла 324 МВт,
наибольшая часть в Дании. По оценкам экспертов мощность ВЭУ к 2018 г. в
Европе составит 4860 МВт [10]. Главными производителями ВЭУ в Европе
являются Дания, Великобритания, Германия и Бельгия. Дания является
ведущей страной в мире по производству и экспорту ВЭУ, в том числе и в
США. По неофициальным данным, к 2010 г. в Дании за счет ВЭУ произведено
до 10% вырабатываемой в стране электроэнергии.
В Германии к 2010г. общая мощность ВЭУ по оценкам составила 500 МВт
с выработкой 0,2% электропотребления страны. Лидером ветроэнергетики в
Германии в последние годы является фирма «Enercon», выпустившая в 2000
году 27% всего объема продукции ветроэнергетики страны.
В Нидерландах освоение ВЭУ начато с 1976 г. Ветроэнергетической
программой предусматривается увеличение действующих мощностей ВЭУ с
100... 150 МВт (1990 г.) до 1000 МВт (2008 г.), что позволит получить 4...7% от
общего энергопотребления. Не стоят на месте и голландские производители.
Фирма «Enron Wind» установила в Швеции несколько ВЭУ собственного
производства.
В Великобритании энергия ветра признана одним из перспективных
источников. Правительственной программой по ветроэнергетике
предусмотрено увеличить мощность ВЭУ к 2018 г. до 600 МВт, получить в
2018 г. за счет энергии ветра 10% потребляемой в стране электроэнергии, далее
довести этот показатель до 20%.
Не отстают от Европы и азиатские страны. Например, в Индии было
создано Министерство нетрадиционных источников энергии, которое
51
осуществляет разработку отрасли в целом, планирование инвестиций и меры
экономического развития. В настоящее время несколько крупных индийских
компаний, таких как «Micon», «Vestas», «Zond» и другие заняты сборкой и
производством ВЭУ.
Основу мировой ветровой энергетики составляют ВЭУ, работающие на
сети энергосистем. Их доля составляет 99% от суммарной мощности
действующего ветроэнергетического парка. Это объясняется тем, что для
работы таких установок не требуются дополнительные источники питания.
Доля ВЭУ, применяемых в качестве автономных источников, едва
превышает 1%. Это объясняется тем, что автономные ВЭУ имеют малую
мощность при большое цене. Также, на отдельные ВЭУ не распространяются
налоговые льготы государств, поэтому это делает их нерентабельными.
В России допущено наибольшее отставание от передовых достижений
зарубежных стран в области освоения ВИЭ именно в ветровой энергетике. В
дореволюционной России действовало более 20 тысяч ветряных мельниц
общей мощностью 1 млн. кВт.
В настоящее время в РФ выпускаются серийно только агрегаты типа
АВЭЦ-6-4М мощностью 2...4 кВт. Кроме того, освоено мелкосерийное
производство зарядных ВЭУ мощностью 100...250 Вт и водоподъемные ВЭУ с
механическим приводом производительностью 1 м3/ч (воды). За последние
годы (8 лет) введено в эксплуатацию около 10 тысяч ВЭУ такого типа. Оценка
ресурсов ветроэнергетики показывает, что для энергетического использования
пригодны около 8 млн. км2 территории, где среднегодовая скорость ветра
превышает 5 м/с. Если использовать только 1% территории для размещения
ВЭУ, то их установленная мощность может превысить 300 млн. кВт.
Тормозом развития, внедрения и широкомасштабного использования
ветроэнергетики в России является целый ряд причин.
Основные из них – отсутствие государственной позиции и, как следствие,
неопределенность государственных целей и приоритетов. До сих пор в стране
не приняты общегосударственные и региональные программы развития
ветроэнергетики и не созданы государственные органы управления на
федеральном и региональном уровнях.
52
Законодательные барьеры обусловлены отсутствием законов и
механизмов, регулирующих развитие и внедрение ВЭУ, а также нормативов,
обеспечивающих свободный доступ независимых производителей к
электросетям энергосистем.
Экономические барьеры связаны с отсутствием госфинансирования,
низкой платежеспособностью населения и организаций, с отсутствием
экономических стимулов для вложения инвестиций (налоговых льгот, льготных
кредитов) и гарантий возврата вложенных средств.
Научно-технические и профессиональные барьеры обусловлены
отсутствием по большинству видов ВИЭ готовых систем энергоснабжения и
системы сертификации оборудования, неразвитостью инфраструктуры и
ремонтно-эксплуатационной базы, отсутствием квалифицированных кадров,
низким уровнем технологических разработок и научно-информационного
сопровождения проектов.
Информационные барьеры связаны со слабой осведомленностью населе-
ния, руководства и общественности о возможностях, преимуществе и эффек-
тивности использования ВЭУ и с отсутствием системы пропаганды в СМИ.
Существенным барьером для широкомасштабного внедрения ВЭУ
является необоснованное мнение об их экономической неэффективности.
В нашей стране есть существенные предпосылки для развития этого вида
энергетики:
острой необходимостью обновления устаревших и выработавших ресурс
энергетических мощностей страны (до 5% в год от суммарных генерирующих
мощностей страны, составлявших к 2012 году около 217 ГВт);
высокой технической и экономической конкурентоспособностью
современных ВЭУ с традиционными технологиями энергопроизводства на
основе невозобновляемых видов топлива;
высоким уровнем развития ветроэнергетических технологий в мире и
возможностями быстрого и эффективного их трансферта и использования в
России;
53
богатейшим сухопутным и морским ветроэнергетическим потенциалом
wFm
2
2
wmN
22
32
wFwm
N
3уд
расп
2
wN
во многих регионах России, высоким уровнем его изученности, а также
наличием эффективных отечественных методик быстрого и экономичного
проведения технико-экономического обоснования ветроэнергетических
проектов.
3.4.Принципы расчета ветроустановок
Скоростью ветра w называют расстояние в метрах, проходимое массой
воздуха в течение одной секунды. Скорость ветра постоянно меняется по
величине и направлению. Скорость ветра является важнейшей характеристикой
технических свойств ветра.
Массовый расход воздуха m, протекающий через поперечное сечение F со
скоростью w:
,
где
плотность воздуха, кг/м3.
Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетической энергией,
мощность которой
.
В итоге, выражение для значения мощности кинетической энергии ветра
можно записать как
.
Удельная располагаемая мощность кинетической энергии ветра
(максимальная мощность на 1 м2 поверхности, которую можно использовать)
находится по формуле
.
А) Расчет ветроустановки с горизонтальной осью вращения.
При эксплуатации ветроколеса с горизонтальной осью относительный
лопаточный кпд определяется значениями следующих скоростей: абсолютной
54
скорости на входе –
1
w
1
w
1
v
2
v
ru
n2
2
вн
d
r
22
1
2
1
)()( uwv
21
vv
22
22
2
2
2
cos2)()(
vuuvw
2
2
w
2
v
2
2
1
222
1
2
2
cos)(22)()(
wuuuww
2
1
2
2
2
1
в.у.
)(
)()(
w
ww
2
1
2
2
11
в.у.
2cos112
w
u
w
u
w
u
2
корнвн
ddL
, абсолютной скорости на выходе –
, окружной
скорости u, относительной скорости на входе –
выходе –
.
, относительной скорости на
Окружная скорость вращения лопатки находится по формуле:
,
где
– угловая скорость, рад/с;
– средний радиус лопатки, м.
Относительная скорость на входе
.
Значения относительных скоростей на входе и на выходе связаны
отношением
.
Выходная скорость находится по теореме косинусов
,
где
– угол между скоростями
и
, рад.
Учитывая зависимость для нахождения относительной скорости на входе и
равенство относительных скоростей на входе и на выходе, получим:
.
Относительный лопаточный кпд ветроустановки находится как
.
Учитывая треугольники скоростей, относительный лопаточный кпд
ветроустановки будет
.
Геометрические параметры ометаемой площади для ветроколеса с
горизонтальной осью будут вычисляться по следующим формулам:
Длина лопатки:
,
55
где
вн..
d
корн..
d
LB 12,0
LBmS
в.у.
уд
расппол
SNN
ru
n2
2
вн
d
r
hdS
22
2
2
2
1пол
uw
A
uw
ASuN
21
, AA
2
3
расп
wFN
2
2
2
1
11
w
u
A
w
u
A
w
u
– внешний диаметр лопатки, м;
– корневой диаметр, м.
Ширина лопатки:
.
Тогда площадь ометаемой поверхности
,
где m– число лопаток; L– длина лопатки, м; B– ширина лопатки, м.
В итоге, полезная мощность, вырабатываемая ветроколесом, находится по
формуле
Б) Расчет роторной ветроустановки с вертикальной осью вращения.
Окружная скорость
,
где
– угловая скорость, рад/с;
– средний радиус лопатки, м.
Площадь ометаемой поверхности
,
где d– диаметр лопатки, м; h– высота ротора, м.
Полезная мощность, вырабатываемая ветроколесом, находится по формуле
,
где
– соответствующие коэффициенты аэродинамического
сопротивления ротора.
Располагаемая мощность энергии ветра
.
Тогда относительный лопаточный кпд ветроустановки:
.
56
Задания
Задача 1
Найти число оборотов многолопастной ВЭУ с горизонтальной осью
вращения, соответствующее максимальной полезной мощности, при скорости
ветра 8 м/с, при величине лопаточного угла
= 15°, среднем диаметре 6 м.
2
Задача 2
Найти максимальную полезную мощность трехлопастной ВЭУ с
горизонтальной осью вращения при скорости ветра 12 м/с, при величине
лопаточного угла
= 15°, длине лопасти 4 м, корневом диаметре 1 м. Расчет
2
вести по среднему диаметру лопасти.
Задача 3
Найти число оборотов роторной ВЭУ с вертикальной осью вращения,
соответствующее максимальной полезной мощности, при скорости ветра 4 м/с,
при коэффициенте аэродинамического сопротивления ротора 0,45 и 1,82,
диаметре ротора 4 м.
Задача 4
Найти теоретическую мощность роторной ВЭУ с вертикальной осью
вращения при скорости ветра 4 м/с, коэффициентах аэродинамических
сопротивлениях ротора 0,45 и 1,82, диаметре ротора 4 м, высоте ротора 12 м.
57
Глава 4. Энергия волн
4.1. Использование энергии волн
Суммарная энергия волн составляет доли процента от энергии ветров.
Мощность источника оценивается примерно в 3 ТВт. В Мировом океане
участки с достаточно стабильным по мощности волнением встречаются редко.
Выполнение оценок для конкретных районов требует длительных наблюдений,
в целом по океану этих наблюдений еще недостаточно. Можно сказать, что
сейчас наиболее изучено Северное море (в нем ведется интенсивная добыча
нефти и газа) и вообще Северная Атлантика. Обычная волна в достаточно
бурном Северном море обладает мощностью около 40 кВт на метр гребня в
течение 30% времени существования и примерно 10 кВт/м в остальные 70%
времени. Среднегодовой энергетический потенциал волн Западного побережья
Великобритании по результатам обработки данных четырех станций,
расположенных в 30 – 40 км от берега, за период 7 – 14 лет изменяется в
пределах 31 – 44 кВт/м. Однако для точной оценки потенциала волнения, кроме
усредненных характеристик мощности, важны еще спектральные и
пространственные (направление прихода) характеристики. Кроме того,
подобные удельные характеристики не дают полного представления о
возможности получения энергии на всей акватории.
В случае непосредственного использования электроэнергии,
вырабатываемой волновой станцией, для хозяйственных нужд ее нельзя
рассматривать как самостоятельный источник. Непостоянство во времени и
пространстве, сезонный характер самого ресурса требуют иметь в резерве
какой-то дополнительный источник электроэнергии, либо подключать
волновую электростанцию к энергосети, позволяющей за счет сторонних
источников компенсировать снижение мощности из-за уменьшения волнения,
либо, наконец, использовать аккумулирование энергии.
58
Преимущества волновой энергии состоят в том, что она достаточно сильно
сконцентрирована, доступна для преобразования и на любой момент времени
может прогнозироваться в зависимости от погодных условий. По параметрам
удельной плотности энергии морские волны занимают одно из лидирующих
положений среди возобновляемых источников энергии. Создаваясь под
действием ветра, волны хорошо сохраняют свой энергетический потенциал,
распространяясь на значительные расстояния. Например, крупные волны,
достигающие побережья Европы, зарождаются во время штормов в Атлантике.
Волны, видимые на водной поверхности, образуются главным образом под
действием ветра и называются ветровыми. Однако источником возникновения
волн могут служить и другие причины. В этом случае волны называются:
приливные (образуются под действием Солнца и Луны); барические
(образуются при резких перепадах давления); сейсмические (образуются в
результате сейсмических колебаний).
Ветровые волны являются преобладающими на поверхности морей и
океанов. Ветровым волнением называется процесс формирования, развития и
распространения вызванных ветром волн на поверхности моря. Ветровому
волнению присущи две основные черты. Первая черта — нерегулярность:
неупорядоченность размеров и форм волн. Одна волна не повторяет другую, за
большой может следовать малая, а может и еще большая; каждая отдельная
волна непрерывно меняет свою форму. Гребни волн перемещаются не только в
направлении ветра, но и в других направлениях. Такая сложная структура
возмущенной поверхности моря объясняется вихревым, турбулентным
характером ветра, образующего волны. Вторая черта волнения заключается в
быстрой изменчивости его элементов во времени и пространстве и связана
также с ветром. Однако размеры волн зависят не только от скорости ветра,
существенное значение имеет продолжительность его действия, площадь и
конфигурация водной поверхности. С точки зрения практики нет
необходимости знать элементы каждой отдельно взятой волны или каждого
59
волнового колебания. Поэтому изучение волнения сводится в конечном итоге к
выявлению статистических закономерностей, которые численно выражаются
зависимостями между элементами волн и определяющими их факторами.
Наибольшее число волновых энергетических устройств разрабатывается
для извлечения энергии из волн в глубокой воде. Это наиболее общий тип волн,
существующий при условии, что средняя глубина моря превышает величину
половины длины волны. Например, при характерной длине волны около 100 м
волна ведет себя как в глубокой воде при глубине моря, превышающей 30 м.
Поверхностные волны в глубокой воде имеют характерные особенности.
1) Волны являются неразрушающимися синусоидальными с нерегулярной
длиной, фазой и направлением прихода.
2) Движение каждой частицы жидкости в волне является круговым. В то
время как изменяющиеся очертания волн свидетельствуют о распространении
волнового движения, сами по себе частицы не связаны с этим движением и не
перемещаются в его направлении.
3) Поверхностный слой жидкости остается на поверхности.
4) Амплитуда движения частиц жидкости экспоненциально уменьшается с
глубиной. На глубине около 0,5 длины волны перемещение частиц жидкости
становится пренебрежимо малым, составляя менее 5% поверхностного.
5) Существенно, что амплитуда волны не зависит от ее длины, скорости
распространения, периода, а зависит лишь от характера предшествовавшего
взаимодействия ветра с морской поверхностью. В то же время редко создаются
условия, при которых амплитуда достигает значения 10% от длины волны.
6) Разрушение волны в виде белого буруна происходит, когда наклон ее
поверхности составляет примерно 1:7. Энергетический потенциал волны при
этом рассеивается.
Для волн в глубокой воде силы трения, поверхностного натяжения и
инерции малы по сравнению с двумя доминирующими силами –
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]