Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные источники энергии. Учебное пособие для СПО
.pdf
Рис. 5. Работа ветрогенератора без аккумулятора на сеть
Достаточно сложными и дорогостоящими в схемах ветрогенераторов являются 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.
1.8. 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 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,
21
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 расщепляет 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 на 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 [3].
1.9. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ВЭС
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 экологически безопасны.
При использовании ветряных электростанций отсутствуют какиелибо вредные выбросы, которые загрязняли бы окружающую среду.
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.
22
Но есть целый ряд минусов, которые не дали возможности историческому развитию использования данного энергоресурса. Сам
по себе ветер не постоянен. Это затрудняет возможность применения
преобразователей его энергии. Поэтому постоянно ведутся исследования и разрабатываются новые варианты устройств, компенсирующих этот недостаток [6].
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 дБ.
1.10. МОЩНОСТЬ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Известно, что при скорости ветра u, м/с, и плотности воздуха
ρ, кг/м3, ветроколесо, ометающее площадь F, м2, развивает мощность
Р, Вт, определяемую как
, (1.1)
где – коэффициент мощности, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и принимаемый
равным 0,35.
Из (1.1) видно, что мощность Р пропорциональна ометаемой
площади F и кубу скорости. Коэффициент мощности зависит от конструкции ветроколеса и скорости ветра. Так как скорость ветра непостоянна, а мощность очень сильно зависит от скорости, то выбор оптимальной конструкции ветроколеса во многом определяется требованиями потребителя энергии. Обычно среднегодовая мощность,
снимаемая с единицы площади ветроколеса, пропорциональна плотности воздуха и кубу средней скорости. Максимальная проектная
мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ) определяется
для некоторой стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость равна примерно 12 м/с, при этом снимаемая с 1 м2 ометаемой площади
мощность – порядка 300 Вт при значении от 0,3 до 0,45. В районах
23
с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 22–30 % его максимального проектного
значения. Срок службы ветрогенераторов обычно не менее 15–20 лет,
а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 долл. США за 1 кВт проектной мощности.
Одно из основных условий при проектировании ветровых установок – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату
скорости ветра, а раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5–10 раз
превышающей среднюю, поэтому установки следует проектировать
с очень большим запасом прочности. Кроме того, скорость ветра существенно изменяется во времени, что может привести к усталостным
разрушениям, а для лопастей к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки (порядка 107 циклов за 20 лет эксплуатации).
Причиной возникновения ветров является поглощение земной
поверхностью солнечного излучения, приводящее к расширению воздуха и появлению конвективных течений. В глобальном масштабе
на эти термические явления накладывается эффект вращения Земли,
приводящий к появлению преобладающих направлений ветра. Кроме
общих, или синоптических, закономерностей, многое в этих процессах определяется местными особенностями, обусловленными определенными географическими или экологическими факторами. Скорость
ветров увеличивается с высотой, а их горизонтальная составляющая
значительно больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других мелкомасштабных эффектов. Суммарная кинетическая
энергия ветров оценивается величиной порядка 0,7–10 Дж. Вследствие трения в основном в атмосфере, а также при контакте с земной и
водной поверхностями, эта энергия непрерывно рассеивается,
при этом рассеиваемая мощность – порядка 1,2–1015 Вт, что равно
примерно 1 % поглощенной энергии солнечного излучения [7].
Для анализа ветроэнергетического потенциала местности составляется ветроэнергетический кадастр, который представляет собой
24
районированную систему численных характеристик режима ветра.
Ветроэнергетический кадастр – это совокупность объективно достоверных и необходимых количественных сведений, характеризующих
ветер как источник энергии. В кадастре все характеристики обычно
представлены в табличной или графической форме с использованием
материалов многолетних наблюдений.
В большинстве прикладных задач ветроэнергетики гораздо важнее знать не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка, например, за год, а ту мощность, которую она
может обеспечивать постоянно. При сильном ветре, от 10 до 12 м/с,
ветроустановки вырабатывают достаточно электроэнергии, которую
иногда даже приходится сбрасывать в систему или запасать. Трудности возникают в периоды длительного затишья или слабого ветра.
Поэтому для ветроэнергетики является законом считать районы
со средней скоростью ветра менее 5 м/с малопригодными для размещения ветроустановок, а со скоростью 8 м/с – очень хорошими. Но
независимо от этого во всех случаях требуется тщательный выбор параметров ветроустановок применительно к местным метеоусловиям.
Для проведения анализа ветроэнергетического потенциала требуется предварительно проводить в течение года ежедневные пятикратные измерения скорости ветра с равными промежутками времени:
в 9 ч, 12 ч, 15 ч, 18 ч и в 21 ч. Возможно использование баз данных
метеоизмерений или ветроэнергетических кадастров.
Порядок обработки результатов измерений следующий.
1. Результаты измерений скорости ветра u1, м/с, объединяются
в группы с интервалом Δu. Определяется общее число измерений N.
2. Поскольку измерения скорости могут проводиться на высоте
h1, а для оценки энергетического потенциала нужна скорость ветра
u, м/с, на высоте предполагаемой установки ветротурбин h, определе-
ние скорости ветра на высоте h выполняется с помощью известной
аппроксимационной зависимости
, (1.2)
где h определяется из предварительных расчетов (если известен диаметр колеса ветроагрегата, например).
25
3. Определяется величина вероятностного распределения скоро-
сти ветра
, (1.3)
где число измерений в i-том скоростном интервале.
Строится зависимость = f(u). Произведение ФuΔu может быть
интерпретировано как часть времени года, в течение которого скорость ветра имеет значения, заключенные в интервале от u до u+ Δu.
4. Среднее значение скорости ветра uc, м/с, определяется соотно-
шением
, (1.4)
где – сумма всех измеренных значений скорости.
5. Определяется вероятность Ф
появления ветра со скоростью
u>u'
u, большей некоторой заданной скорости u′, для чего складываются
вероятности всех скоростных интервалов, в которых и > и'.
Вероятность Ф
может быть интерпретирована как часть вре-
и>и’
мени года, в течение которого ветры дуют со скоростью, большей u'.
Строится зависимость Ф
и>и’
= f(и).
6. Мощность ветрового потока единичного сечения Рu, Вт, опре-
деляется по формуле
, (1.5)
где ρ – плотность воздуха, принимается равной 1,3 кг/м3.
Произведение РФu представляет собой функцию распределения
энергии ветра. Строится зависимость РФи = f(u).
7. Строится зависимость Рu = f(Ф
), позволяющая определить
и>и’
вероятность ожидания ветрового потока заданной мощности.
Все расчеты удобно выполнять в Excel.
После выполнения обработки измерений и расчетов проводится
анализ полученных результатов. Обычно акцентируются следующие
моменты.
1. Пользуясь построенной зависимостью Фи = f(u), необходимо
сравнить среднее значение скорости ветра с наиболее вероятным значением скорости ветра в данной местности, а также с расчетной скоростью, принимаемой для проектирования ВЭУ (u = 10–12 м/с).
26
2. При помощи построенной зависимости РФи= f(и) определяется
значение скорости, при которой функция распределения энергии ветра имеет максимум и сравнивается с наиболее вероятным значением
скорости ветра в данной местности.
3. С помощью построенной зависимости Ри = f(Ф
) определяет-
и>и’
ся вероятность ожидания ветрового потока определенной мощности.
Исследования показывают, что наиболее точно статистические
данные метеорологических измерений описываются теоретической
зависимостью распределения Рэлея.
Таким образом, для определения вероятности скорости ветра
имеется аналитическое выражение, соответствующее экспериментальным данным. В этом случае, во-первых, возможно резко сократить необходимое количество измерений скорости ветра, во-вторых,
возможен аналитический расчет характеристик ветроустановок.
Для распределения Рэлея справедливы следующие равенства:
, (1.6)
где Ф
– вероятность появления ветра со скоростью u, м/с, большей
и>и’
некоторой заданной скорости u’, м/с; ū – среднее значение скорости, м/с;
. (1.7)
Для распределения Рэлея также справедливы утверждения, что
вероятность скорости Фu максимальна при значении скорости
(1.8)
и функция Фu·u3 максимальна при значении скорости
. (1.9)
При определенных изменениях инфраструктуры доля ветроэнергетики в энергетическом комплексе страны может быть существенно
увеличена. Автономные ветровые энергоустановки весьма перспективны для вытеснения дизельных электростанций и отопительных установок, работающих на нефтепродуктах, особенно в отдаленных
районах и на островах.
27
ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ К РАЗДЕЛУ 1
h, м
10
15
20
25
30
35
40
45
50
u, м/с
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
1.1. Определить вертикальный профиль ветра, если известно,
что на высоте h, м, скорость ветра составила u, м/с.
1.2. Определить диаметр ветроколеса, необходимый для ветро-
установок мощностью 11, 22, 55, 100, 225, 550, 1000, 1200, 3500,
5000 кВт при скорости ветра u = 10 м/с; коэффициенте использования
энергии ветра = 0,3; плотность воздуха принять равной ρ = 1,2 кг/м3.
1.3. На какой высоте целесообразно размещать ветродвигатели,
если известно, что на высоте h = 2,5 м скорость ветра составила
u = 5,5 м/с. Потребность в энергии составляет 100 кВт. Сколько по-
требуется установок, если диаметр ветроколеса равен D = 2; 4; 8; 15;
30; 50; 100 м?
1.4. На острове в Северном море проживают 80 человек. Суще-
ствуют определенные трудности в снабжении его углем, нефтью,
бензином. Однако на острове постоянно дуют ветра со средней скоростью 9 м/с. Определите число и мощность ветроустановок, которые
могут обеспечить энергией потребителей, проживающих на этом острове. Структура энергопотребления следующая: освещение, бытовые
приборы – 3,5 кВт; отопительные установки, электроплиты – 35 кВт;
теплицы – 5 кВт; зарядка электромобилей – 7 кВт. Диаметр ветроколеса D = 2,5; 3,2; 5;10; 18 м.
1.5. В немецкой деревне в Саксонии на высоте 98 м установлены
18 ветротурбин. Определить их установленную мощность, если их
диаметр составляет 12 м. Известно, что на высоте h = 2 м скорость
ветра u = 6,3 м/с.
1.6. Строятся 15 ветротурбин, мощностью 4–5 МВт каждая. Оп-
ределить их теоретический диаметр при скорости ветра u = 15 м/с.
28
1.7. Для условий предыдущей задачи планировалось общую
мощность увеличить до 1000 МВт. Сколько потребуется установить
еще таких турбин?
1.8. Турбина Е 112 имеет установленную мощность 4,5 МВт. Ее
диаметр составляет 70 м. Определить высоту, на которой должна работать турбина в номинальном режиме, если известно, что в данной
местности на высоте h, м, скорость ветра составила u, м/с (из задачи 1.1)
1.9. Постройте зависимость снимаемой мощности с турбины.
1. От диаметра турбины D = 2; 4; 8; 15; 30; 50; 100 м. Принять
скорость ветра u = 15 м/с; коэффициент использования = 0,3; плотность ρ = 1,2 кг/м3.
2. От скорости ветра u = 6; 8; 10; 12; 14 м/с. Принять диаметр ветроколеса D = 15 м; коэффициент использования = 0,3; плотность
ρ = 1,2 кг/м3.
3. От высоты установки ветроколеса турбины h = 20; 30; 40; 60;
80; 100; 120 м. Принять диаметр ветроколеса D = 15 м; коэффициент
использования = 0,3; плотность ρ = 1,29 кг/м3, если известно, что
в данной местности на высоте h = 8 м скорость ветра составила u, м/с
(из задачи 1.1).
1.10. Вопросы.
1. В чем заключаются достоинства и недостатки ветроэнергетики
в России?
2. Сравните способы получения электроэнергии от ВЭУ и ФЭС.
ВЫВОД К РАЗДЕЛУ 1
Таким образом,
доход
в данной главе
заказ
рассмотрены
доход
вопросы, касающие-
ся
доход
использования
доход
энергии ветра, история развития ветроэнергетики,
приведены теоретические основы данной тематики. Для
воения
доход
материала
доход
важно
заказ
разобрать каждый контрольный
решить задачи.
29
заказ
проверки
доход
вопрос и
доход
ус-
заказ
Раздел 2. ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
То, из чего состоят растения и животные, принято называть био-
массой. Основа биомассы – органические соединения углерода, которые в процессе соединения с кислородом при сгорании или
в результате естественного метаболизма выделяют тепло. Посредством
химических или биохимических процессов биомасса может быть
трансформирована в такие виды топлива, как газообразный метан,
жидкий метанол, твердый древесный уголь. Первоначальная энергия
системы биомасса – кислород – возникает в процессе фотосинтеза под
действием солнечного излучения, являющегося естественным вариантом преобразования солнечной энергии. При сгорании энергия биотоплива рассеивается, но продукты сгорания могут вновь преобразовываться в биотопливо путем естественных экологических или сельскохозяйственных процессов. Таким образом, использование промышленного биотоплива, будучи хорошо увязанным с природными экологическими циклами, может не давать загрязнений и обеспечивать непрерывный процесс получения энергии. Подобные системы называются
агропромышленными. Для них наибольшие успехи достигнуты в отраслях, перерабатывающих сахарный тростник и древесину [3].
В пересчете на сухую массу образование биологических материалов в биосфере идет со скоростью около 250·109 т/год. При этом
ежегодно связывается примерно 100·109 т углерода. Энергия, потребляемая при фотосинтезе, составляет 2·1024 Дж/год (0,7·1014 Вт).
Промышленное использование энергии биомассы может быть
весьма значительным, например, на единице площади суши ее образуется примерно в 2 раза больше, чем на единице площади моря. За
счет отходов производства сахара в поставляющих его странах покрывается до 40 % потребностей в топливе. Применение биотоплива
в виде дров, навоза и ботвы растений имеет первостепенное значение
в домашнем хозяйстве примерно 50 % населения планеты, обеспечи-
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]