Энергия ветра проект энергия ветра в коробке


Энергия ветра — это кинетическая энергия движущегося воздуха. Ветер, обладающий энергией, появляется из-за неравномерного нагрева атмосферы солнцем, неровностей поверхности земли и вращения Земли. Скорость ветра определяет количество кинетической энергии, которая может быть преобразована в механическую энергию или электроэнергию. Механическая энергия может использоваться, например, для помола зерна и перекачивания воды. Механическая энергия может также использоваться для работы турбин, которые производят электричество. Данная работа сосредоточена именно на ветровой электроэнергии, а не на других неэлектрических формах энергии ветра.

Существует два основных способа, с помощью которых энергия ветра может быть преобразована (как для механических, так и для электротехнических целей): использование либо силы «аэродинамического сопротивления», либо «подъема». Способ аэродинамического сопротивления означает простое размещение одной стороны поверхности против ветра, в то время, как другая сторона находится с подветренной стороны. Движение за счет аэродинамического сопротивления происходит в том же направлении, что и дует ветер. Способ подъема несколько изменяет направление ветра и создает силу, перпендикулярную направлению ветра. Способ аэродинамического сопротивления менее эффективен, чем способ подъема.


Концентрация энергии ветра колеблется в широких пределах от 10 Вт/м-2 (при легком ветерке 2,5 м/сек) и до 41000 Вт/м-2, во время урагана со скоростью ветра 40 метров в секунду (м/с) или 144 км/час. В общем, энергия ветра пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что электрическая мощность чрезвычайно чувствительна к скорости ветра (при удвоении скорости ветра мощность увеличивается в восемь раз).

Глобальное распределение ветра

Карта на этой странице показывает глобальные ресурсы ветра. Видно, что регионы с высоким потенциалом (около 9 м/с) находятся в средних и высоких широтах (Антарктида, южная Латинская Америка, Гренландия, Северная и Западная Европа), а также в районе огромных равнин и пустынь центральной части Северной Америки, России, Центральной Азии и Северной Африки (примерно 6 м/с).

Скорость ветра необходимая для выработки электроэнергии должна быть, по крайней мере, 2,5–3 м/с и не более 10–15м/с. Многие районы Земли не пригодны для размещения ветровых установок, и почти такое же количество районов характеризуется средней скоростью ветра в диапазоне (3–4,5м/с), что может быть привлекательным вариантом для производства электроэнергии. Однако значительная часть поверхности Земли характеризуется среднегодовой скоростью ветра, превышающей 4,5 м/с, когда энергия ветра наверняка может быть экономически конкурентоспособной.


Оценка ветровых ресурсов конкретной территории является сложной задачей, которая требует многообъемлющих данных. В целом, доступность и надежность данных о скорости ветра крайне низка во многих регионах мира. В общих чертах, потенциал производства ветровой электроэнергии зависит от следующих четырех факторов:

  • широта и преобладающие режимы ветра
  • рельеф и высота
  • водоемы
  • растительность и застройка территории

Скорость ветра, преобладающую в регионе, можно определить исходя из глобальной модели (низко- и высокоширотные восточные, среднеширотные западные, и маловетреные тропические зоны конвергенции). Кроме того, в прибрежных районах часто наблюдаются морские и наземные бризы, а высотные районы могут усиливать воздушные возмущения, вызванные тепловыми циклонами.

На рисунке приведена карта ветровых ресурсов мира (высота — 80 м, разрешение — 15 км) с указанием установленной мощностью и данными о производстве ветровой электроэнергии ведущими странами мира

Глобальные тенденции


Энергия ветра, с ее зарождением в конце 1970-х гг., стала глобальной отраслью, в которой участвуют энергетические гиганты. В 2008 году новые инвестиции в ветроэнергетику достигли 51,8 млрд. долларов США (35,2 млрд. евро) (ЮНЕП, 2009).

Согласно статистическим данным, опубликованным Европейской Ассоциацией Ветровой Энергетики (EWEA, 2011), преуспевающие рынки существуют в местах с надлежащими условиями размещения. В 2008 году ветроэнергетические установки обеспечили производство около 20% всей электроэнергии Дании, более 11% в Португалии и Испании, 9% в Ирландии и почти 7% в Германии, более 4% всей электроэнергии Европейского союза (ЕС) и почти 2% в США (МЭА Энергия ветра, 2009).

SНачиная с 2000 года, совокупная установленная мощность выросла в среднем на 30% в год (см. рисунок). В 2008 году более 27 ГВт электрической мощности были установлены в более чем 50 странах, в результате чего глобальный наземный и морской потенциал достиг 121 ГВт. В 2008 году Мировой Совет Энергии Ветра подсчитал, что было выработано около 260 миллионов мегаватт часов (260 тераватт часов) электроэнергии.

Беларусь: ветровые ресурсы

«Генеральный план развития ветроэнергетики СССР до 2010 года» 1989 года включал карту ветров каждой республики. Ресурсный потенциал оценивался по скорости ветра на высоте 30 м. Согласно этой ветровой карте скорость ветра на высоте 30 м не достигала 5 м/с. Исходя из этих данных, потенциал ресурсов энергии ветра Беларуси невысок.


Однако, на высоте 80 м показатели ветровых ресурсов улучшаются. Так средняя скорость ветра в Дзержинском районе составляет 8,6 м/с. Большинство стран согласно нижеприведенной карте располагают скоростью ветра около 5 м/с на высоте 80 метров. По данным официальной статистики, потенциал производства электроэнергии Беларуси за счет энергии ветра составляет 6,5 млрд. кВт/ч (при потенциале установленной мощности около 1600 МВт). Наиболее перспективные участки для ветроустановок находятся в Минской области, в западной части страны, а также в городах Витебске и Полоцке, в южной части страны.

При планировании размещения ветроэнергетических установок, желательно иметь больше информации о скорости ветра, а не только национальную карту, так как особенности местности, такие как рельеф, высота, водоемы и растительность оказывают существенное влияние на ветровые ресурсы.

Состояние на данный момент

В настоящее время технически возможное использование ветрового потенциала не превышает 5% от теоретического потенциала. Пока в Беларуси существует четыре важные ветроэнергетические установки.


Ветряная электростанция Дружная, расположенная в западной части страны, имеет полную установленную мощность 0,85 МВт. Она состоит из установки NORDEX (250 кВт), построенной в 2000 году, и систем Repower и турбины Jacobs (600 кВт), построенных в 2002 году. Эти установки производят электроэнергию примерно 1,3–1,4 ГВтч/год, которая поставляется примерно 700 жителям.

В Кореличском регионе работает установка 3×77 кВт, а в Дзержинском районе построена ветротурбина мощностью 250 кВт. Ветряная электростанция, расположенная около Минска имеет мощность 1,08 МВт, и, по оценкам специалистов, ее годовое производство составляет 2 ГВтч электроэнергии. Расположенная в центральной части страны, эта электростанция в состоянии обеспечить электричеством 900 жителей.

Программой развития ВИЭ Беларуси предполагается строительство нескольких ветряных парков, но пока строительные работы практически не начинались. В программе говорится о 1840 объектах, с установленной мощностью 1600 МВт и годовым производством энергии 3,3 млрд. кВт/ч, в том числе в Гродненской области (1,5 МВт), в регионах Новогрудка (15,5 МВт), Лиозно (60 МВт), Ошмян (25 МВт), Дзержинска (60 МВт) и Сморгони (15 МВт).

На рисунке приведена карта ветрового потенциала Беларуси на высоте 80м.

Технология ветротурбин


Возможность производства электроэнергии определяется конструкцией ветровых турбин. Все ветровые турбины состоят из лопастей, которые вращают ось, соединенную с генератором, который и производит электрический ток.

Ветровые турбины могут быть расположены практически везде, где есть ветер, например, на море, на суше и в застроенном месте.

Ветровые турбины имеют различные размеры и номинальную мощность. Самая большая турбина имеет лопасти с размахом большим, чем длина футбольного поля, высоту 20-этажного здания и производит электроэнергию достаточную для электроснабжения 1400 зданий. И, наоборот, ветровая турбина размером с небольшой дом имеет лопасти диаметром от 8 до 25 футов, высоту — свыше 30 футов, и может обеспечивать электроэнергией полностью электрифицированное здание или малое предприятие.

Размер и мощность ветровых турбин колеблется в широких пределах. Выделяются три основных типа ветровых турбин: с горизонтальной осью, с вертикальной осью и канальные.

Турбины с горизонтальной осью (Пропеллерные ветровые турбины)

Пропеллерные ветровые турбины (сокращенно ПВТ) в настоящее время доминируют. Этот вид похож на ветряную мельницу с лопастями в виде пропеллера, которые вращаются вокруг горизонтальной оси.

Пропеллерные ветровые турбины имеют основную ось ротора и электрический генератор в верхней части мачты.


ь ротора должна быть направлена в сторону ветра. Малые турбины ориентируются по ветру с помощью простых направляющих, установленных перпендикулярно лопастям ротора, в то время как в больших турбинах обычно используется датчик ветра, управляющий поворотным двигателем. Большинство крупных ветровых турбин имеют редуктор, который преобразует медленное вращение ротора в быстрое вращение генератора, что важно для выработки электроэнергии.

Лопасти ветряных турбин изготавливаются жесткими, для того чтобы предотвратить удар лопастей о мачту при сильном ветре. Кроме того, лопасти расположены на значительном расстоянии от мачты и иногда немного наклонены.

Так как за мачтой создается турбулентность, турбины, как правило, располагаются с той стороны, откуда дует ветер. В противном случае, турбулентность может привести к авариям из усталостных напряжений, что снижает надежность установки. Тем не менее, несмотря на проблемы турбулентности, построены установки с расположением турбины по направлению ветра, так как они не нуждаются в дополнительном механизме для их ориентации по ветру, и, во время сильного ветра, их лопасти могут сгибаться, что уменьшает зону скольжения и таким образом сопротивление ветру.

Ветровые турбины с вертикальной осью (Виндроторные ветровые турбины)

Виндроторные ветровые турбины (ВВТ) бывают разных типов, но все они имеют общую черту: основной вал ротора расположен вертикально (а не горизонтально).


Различные модели (см. ниже) разрабатываются специально для мест, где направление ветра очень изменчиво или беспокойно. ВВТ, как правило, считаются более легкими в установке и обслуживании, так как генератор и другие основные компоненты могут быть размещены близко к земле (нет необходимости в том, чтобы мачта держала компоненты турбины, а компоненты становятся более доступны).

ВВТ, как правило, менее эффективны, чем ПВТ, по следующим причинам:

  • Они часто создают сопротивление при вращении.
  • Часто установлены на более низкой высоте (земля или крыша здания), где скорость ветра меньше.
  • Наличие проблем, связанных с вибрацией, например, шум и более быстрый износ и разрыв опорной конструкции (так как воздушный поток имеет большую турбулентность на низкой высоте).

Таблица. ПВТ и ВВТ: преимущества и недостатки

ВВТ Дарье

Запатентованная французским авиационным инженером Жоржем Жан-Мари Дарье в 1931 году, ветряная турбина Дарье часто называется «венчиком для взбивания яиц» из-за ее внешнего вида. Она состоит из нескольких вертикально направленных лопастей, которые вращаются вокруг центральной оси.

Разница между ПВТ и ВВТ Дарье состоит в том, что ось пропеллерной турбины всегда сталкивается с ветром, а турбина Дарье представляет собой цилиндр перпендикулярный воздушному потоку. Таким образом, часть турбины работает, а другая часть просто крутиться по кругу.


Разница между ПВТ и ВВТ Дарье состоит в том, что ось пропеллерной турбины всегда сталкивается с ветром, а турбина Дарье представляет собой цилиндр перпендикулярный воздушному потоку. Таким образом, часть турбины работает, а другая часть просто крутиться по кругу.

Лопасти позволяют турбине достигать скоростей, которые выше, чем фактическая скорость ветра, что делает их подходящими для выработки электроэнергии, а не для откачки воды, например. Турбина Дарье может работать при скорости ветра до 220 км/ч и при любом его направлении.

Основной недостаток турбины Дарье — невозможность самостоятельного включения. Для пуска турбины требуется внешний привод (например, небольшой двигатель или набор маленьких турбин Савониуса). При достаточной скорости вращения, ветер создает достаточный крутящий момент, и ротор начинает вращаться вокруг оси с помощью ветра.

Тип турбины Дарье теоретически так же эффективен, как и пропеллерный тип, если скорость ветра постоянная, но на практике эта эффективность редко реализуется из-за возникающих физических напряжений, конструкционных особенностей и изменяемости скорости ветра.


Особым типом турбины Дарье является «Тип Н» (или «Gyromill»). Для получения энергии ветра он работает по тому же принципу, что и ветряная турбина Дарье, но вместо изогнутых лопастей применяются 2 или 3 прямые лопасти, индивидуально прикрепленные к вертикальной оси.

Три основных вида ВВТ Дарье (включая «Gyromill»)

ВВТ Савониуса

Турбина Савониуса является простым видом турбины, который был придуман в его современном виде финским инженером Сигурдом Джоханесом Савониусом в 1922 году. Она обычно применяется в случаях, требующих высокой надежности, а не высокой эффективности (например, в вентиляции, в анемометрах, во внутреннем микропроизводстве).

Турбины Савониуса гораздо менее эффективны, чем ПВТ и ВВТ Дарье (около 15%, см. ниже «Расчет энергии ветра»), но в отличие от первых, они хорошо работают при турбулентном ветре и, в отличие от последних, они самостоятельно включаются. В структурном плане они являются устойчивыми, могут хорошо противостоять сильным ветрам и остаются без повреждений и работают тише по сравнению с другими типами.

В отличие от турбины Дарье, которая работает под действием силы «подъема», турбина Савониуса работает за по принципу «аэродинамического сопротивления». Она состоит из 2–3 «ковшей»: изогнутые элементы испытывают меньшее сопротивление при движении против ветра, чем при движении по ветру из-за изогнутой формы ковшей. С точки зрения аэродинамики именно это дифференциальное сопротивление заставляет турбину Савониуса вращаться.

Таблица: Дарье или Савониус

tabl11

Расчет энергии ветра

Мощность энергии ветра (P в ваттах) при известной скорости ветра рассчитывается по следующей формуле:

P = ½ x «плотность воздуха» x «площадь охвата» x («скорость ветра»)3

Над уровнем моря «плотность воздуха» составляет примерно 1,2 кг/м3, «скорость ветра» является скоростью ветра (м/сек) и «площадь охвата» относится к площади пространства, покрываемая ротором ветровой турбины. Она может быть рассчитана исходя из длины лопасти турбины:

A = π x («длина лопасти»)2

Однако, как только важные технические требования к ветровым турбинам принимаются во внимание (например, прочность и износостойкость, передаточное число редуктора, требования к подшипникам, генератору), предел количества энергии, которая может быть получено за счет энергии ветра уменьшается до 10–30% от фактической энергии ветра. Этот предел называется «коэффициент мощности», который является уникальным для каждого вида ветровой турбины. Для расчета количества извлекаемой энергии этот коэффициент мощности («Cp») должен быть введен в приведенную выше формулу:

P доступная = ½ x «плотность воздуха» x «площадь охвата» x («скорость ветра»)3x Cp

Коэффициент мощности Cp зависит от типа ветровой турбины, и изменяется от 0,05 до 0,45.

 

 

Источник: re.energybel.by

comments powered by HyperComments

Источник: geoenergetics.ru



В данной статье рассматривается перспектива развития ветровой энергетики, её проблемы и роль в мировой электроэнергетики. Также приведён обзор видов ветровых электростанций и принцип действия ветровых установок.

Ключевые слова: ветровая электростанция, энергетика, электроэнергетика, перспектива развития.

In this article the perspective of development of wind energy, its problems and role in the world electric power industry is considered. Also given is an overview of the types of wind farms and the operation of wind installations.

Keywords: wind power station, power, electric power, perspective of development.

Известно, что основная часть электроэнергии в наше время вырабатывается с помощью трех основных видов электростанций: атомных, тепловых и гидравлических. На долю же всех альтернативных источников энергии приходится около двух процентов. Несмотря на это нетрадиционная энергетика развивается и распространяется в мире. Одним из направлений альтернативной энергетики является ветровая энергетика.

За последние годы ветроэнергетика начала бурно развиваться. Все из-за того, что энергия ветра является неисчерпаемой, а преобразование кинетической энергии ветра в электрическую является экологически чистой. Помимо этого важную роль играет и то, что некоторые страны не имеют достаточно энергоресурсов для удовлетворения собственных энергетических потребностей, поэтому они зависят от импорта электроэнергии, а в связи с политической нестабильностью и вооружёнными конфликтами в странах поставщиках, создаются риски для стран-импортеров. Именно эти факторы подталкивают развитие ветроэнергетики.

Ветровая электроэнергетика прошла долгий путь от 18-ого века до нашего время. Сейчас для строительства ветровых электростанций используются дешёвые и эффективные материалы, а мощность электроустановок возрастает, это сокращает издержки и увеличивает конкурентоспособность.

Конструкция электрогенератора такова: электроустановка состоит в первую очередь из ротора с лопастями, которые преобразовывают кинетическую энергию ветра о вращательную, дальше идёт редуктор, задача которого заключается в повышении скорости вала, потом следует генератор, преобразующий полученную энергию в электрическую. Так же в состав электроустановки входят флюгер и анемометр их задача собирать информацию о ветре, а также направлять лопасти в направлении максимальной силы ветра, башня, которая нужна что б поднять ветрогенератор а достаточную высоту и трансформатор, преобразующий напряжение.

Выделяют четыре вида ветровых электростанций, которые в основном основаны на их местоположении: прибрежные, наземные, плавающие и оффшорные [1].

Прибрежные располагаются около прибрежной линии, такое расположение обуславливается бризами, которые дают некую постоянность в ветровом потоке.

Наземные находятся на возвышенностях, самый распространенный вид.

Оффшорные строятся в море, где постоянно дуют морские ветра.

Плавающие, располагаются примерно на таком же расстоянии от берега, как и оффшорные, но на плавающей платформе.

Отметим же теперь преимущества ветровых электростанций. Первое это же, конечно, неисчерпаемые ресурсы, на которых работает установка, второе- это чистота вырабатываемой энергии, нет ни парникового эффекта, ни вредных выбросов, третье- это малая площадь занимаемая под электростанцию, так как она поднята на достаточное расстояние от земли, четвертое- это дешевизна получаемой энергии и пятое- это возможность установить электроустановку в любых местах, где дует ветер.

Теперь перейдём к минусам: главный минус ветровых установок заключается в том, что сила ветра и его направление меняется, бывает и так, что ветра нет вообще, из-за чего происходит сбой в подаче электроэнергии. Для компенсации этого недостатка использую системы хранения большой емкости или комбинированную систему «ветро-дизель» в которых есть специальные устройства, распределяющие нагрузки между ветроэнергетической установкой и дизелем [1].

Второй минус, это то, что стартовый этап строительства станции требует достаточно больших материальных вложений. Иногда привлекаю инвестиции целой области. В среднем стоимость 1 кВт установленной мощности составляет $1000 [2].

К последним минусам отнесем не такие значительные недостатки, такие как нарушение естественного вида ландшафта, шумы, вырабатываемые станцией, которые могут причинять неудобства людям, но это решается установкой электростанции на определённом расстоянии от жилья. Ну и последнее это небольшая вероятность столкновения птиц с лопастями ветряка [2].

В заключение можно сказать, что ветровая электроэнергетика, является перспективной в развитии, и из рисунка 1 виден рост устанавливаемой мощности в мире, что свидетельствует о её потенциале.

http://www.dw.com/image/16072717_304.jpg

Рис. 1. Доля ветроэнергетики в мире

Литература:

1. Электростанции ветряные: планирование и типы ветряных электростанций // [Электронный ресурс]. — Режим доступа https://businessman.ru/new-elektrostancii-vetryanye-planirovanie-i-tipy-vetryanyx-elektrostancij.html (Дата доступа 12.03.2018)

2. Энергия ветра: преимущества и недостатки// [Электронный ресурс]. — Режим доступа http://electricalschool.info/energy/1539-jenergija-vetra-preimushhestva-i.html (Дата доступа 12.03.2018)

Источник: moluch.ru

Самый «старый» источник энергии

Ветер — это поступательное движение воздушных масс в горизонтальном направлении. Причиной появления ветра на нашей планете является неравномерный нагрев воздуха в различных ее частях. Так, экваториальные воздушные массы нагреваются сильнее, чем воздух в тропиках, в умеренном и полярном климатических поясах. Поскольку ветер связан с перемещением газовой субстанции, то он представляет собой механическую энергию.

Как человек использует ветер? Следует сказать, что эта энергия применяется с незапамятных времен. Можно привести пример ветряных мельниц, которые мололи зерно или выкачивали большие объемы воды. Согласно данным исторических архивов, первые ветряные мельницы конструировались еще в Персии в VII веке нашей эры. Интересно отметить, что лопасти этих изобретений, в отличие от современных аналогов, располагались горизонтально. Из Персии мельница попала на Ближний Восток и в Китай. В XII веке начали строить первые ветряные мельницы во Франции и Англии. Как уже было сказано, применялись они в основном для перемалывания зерна либо перекачивания воды. Так, известно, что голландцы их использовали для откачивания воды из отвоеванных у океана территорий суши.

Использование энергии ветра также связано с морскими путешествиями прошлых веков, которые были бы невозможны без нее, поскольку до XIX века многие корабли являлись парусными. Здесь стоит привести пример ветров пассатов, которые дуют в западном направлении. Они использовались европейскими державами для путешествия в Южную и Северную Америки через Атлантический океан.

Преимущества и недостатки ветровой энергии

Раскрывая вопрос, как человек использует ветер, следует сказать, что этот энергетический источник обладает рядом преимуществ, которые приводятся ниже:

  • Неиссякаемость. Сколько будет светить Солнце над нашей Землей, столько будет на ней ветер. По некоторым оценкам энергия последнего составляет 2% от всего солнечного тепла, которое достигает поверхности земли.
  • Экологичность. Использование ветра не подразумевает выброс отравляющих веществ и парниковых газов в атмосферу, как это происходит в случае таких энергетических источников, как нефть или уголь.
  • Простота использования. В настоящее время достаточно установить так называемый аэрогенератор, который представляет собой устройство для преобразования механической энергии в электрическую, и ветер можно использовать для различных хозяйственных нужд как крупных предприятий, так и частных домов.

Среди недостатков этого вида энергии можно назвать его непостоянство (ветер может стихать или усиливаться). Кроме того, аэрогенераторы не везде можно установить ввиду климатических особенностей местности.

Как люди используют силу ветра в настоящее время?

Главным образом, современное использования этого экологически чистого источника энергии заключается в создании парков аэрогенераторов, которые выполняют роль электростанций. Коэффициент использования энергии ветра в настоящее время невелик, так, всего 3% мирового потребления электроэнергии вырабатывается аэрогенераторами. Тем не менее, к 2040 году, по оценкам экспертов, эта цифра возрастет до 9% в мире и до 20% в Европе.

Мировым лидером в развитии и распространении систем получения экологически чистой возобновляемой энергии является испанская фирма «Acciona», которая в 2014 году из ветра выработала 17,5 ГВт*ч электроэнергии, что достаточно для удовлетворения энергетических нужд 5 млн. человек.

В каких странах вырабатывается больше всего ветровой энергии?

Завершая вопрос, как человек использует ветер, следует привести список стран, где она играет важную роль для экономики:

  • Китай (138 ГВт);
  • США (71 ГВт);
  • Германия (44 ГВт);
  • Индия (25 ГВт);
  • Испания (23 ГВт).

Если же говорить о том, как люди используют силу ветра, относительно их потребностей, то здесь на первые позиции выходят страны Европы. Например, в испанской провинции Наварра 20% потребляемой электроэнергии получают из ветра, в Шлезвиг-Гольштейне (Германия) — 15%. В то же время 10% энергопотребностей всей Дании покрывают парки аэрогенераторов. Правительство Дании планирует увеличить этот процент до 50% к 2030 году.

Источник: www.syl.ru

Принцип работы ветряной электростанции

Всем известно, что ветер, как источник энергии, используется в мире довольно давно. На рынок стран постсоветского пространства он пришел в начала 2010-х годов, однако завоевал огромную популярность не только у фермеров и других бизнесменов, но и у обычных людей, которые проживают в частных домах.

Но мало кто понимает, каким образом работает данное устройство.

Первым, что необходимо для использования данного устройства – это, естественно ветер. Если его не будет, вы можете сам крутить лопасти, чтобы получить электричество в дом.

Итак, основные составляющие любой ветряной электростанции:

  1. лопасти;
  2. первичный вал;
  3. тормоз;
  4. коробка передач;
  5. генератор;
  6. вал генератора;
  7. поворотный механизм с мотором;
  8. числовое программное управление;
  9. ротор.

Принцип работы ветряной электростанцииВетер приводит в действие лопасти, которые, в свою очередь начинают вращать первичный вал. Для чего нужна коробка передач? Она позволяет минимизировать нагрузку на детали, что помогает избегать преждевременного изнашивания всего механизма, так как скорость дуновения ветра бывает разной, а постоянно ветер не дует.

Самым главным предметом в данном устройстве является числовое программное управление. Именно оно, в содействии с датчиком ветра определяют направление всего механизма, что позволяет вам, без никаких механических вмешательств, наблюдать за работой ветряной электростанции.

Генератор – этот тот прибор, который, собственно, и создает электричество за счет вращения лопастей. Его устройство – это более сложная тема, поэтому говорить о ней мы не будем.

ветряная электростанция в домашних условияКак вы можете подумать, собрать такую ветряную электростанцию в домашних условия, если вы хоть что-то понимаете в технике, довольно не сложно, но. Оснастить ее специальным числовым программным управлением, которое будет упрощать использование, у вас получится вряд ли.

К тому же, не стоит забывать, что любое устройство, которое позволяет добывать электричество альтернативным путем, не может быть подключено к сети без соответствующего разрешения от местных органов, контролирующих деятельность данной отрасли. Мы очень сомневаемся, что вам позволят добывать ток при помощи несертифицированной продукции.

К тому же, стоит заметить, что установка данной техники требует больших физических усилий, и людей, которые имеют соответствующую квалификацию. Люди, у которых нет опыта в установке такой техники, могут привести ее в негодность за считанные секунды.

Берегите свои средства, и добывайте энергию правильно!

Источник: altenergiya.ru

Что такое Энергия ветра?

 

Энергия ветра является одной из форм Солнечной энергии.

Вследствие неравномерности состава грунта, рельефа местности, а также толщины атмосферного слоя Солнце нагревает поверхность Земли с разной интенсивностью. Нагретая Солнцем поверхность передает тепло воздушным массам, расположенным над ней. Поскольку плотность воздуха зависит от его температуры, образуются зоны с разными атмосферными давлениями (т.к. тёплый воздух легче, холодный — тяжелее). По мере того как горячий воздух поднимается вертикально к Земной поверхности, более холодный воздух перемещается вдоль Земли (горизонтально) чтобы заполнить образовавшуюся пустоту.

Таким образом, определим «Ветер» как процесс выравнивания давления путем перемещения воздушных масс из области высокого давления в область низкого давления, рождаемый вследствие неравномерного прогрева Земной поверхности.

Образование ветра

Энергия ветра — наряду с энергией падающей воды — один из самых легкодоступных и используемый с древних времён вид преобразованной энергии Солнца. Люди начали использовать такой вид энергии несколько столетий назад, когда появились первые ветряные мельницы, которые качали воду или мололи зерно.Термин «Энергия ветра» можно определить как энергию, с помощью которой движение воздушных масс (ветер) преобразовывается в другие виды энергий.

Энергия ветра может быть преобразована в:

  • кинетическую энергию (движение парусных кораблей, полет воздушного змея или воздушного шара);
  • механическую энергию (ветряные установки для помола муки или перекачивания воды);
  • электрическую энергию (ветрогенераторы для производства электрической энергии).

 Энергия ветра

 

Потенциал Энергии ветра

 

Потенциал ветроэнергетики

Потенциал Энергии ветра в сравнении с другими альтернативными источниками энергии

Ключ: 

  1. — излучение Солнца доступное человечеству 23 000 ТВт ежегодно (в 25 раз превышает энергетический запас всего угля на планете).
  2. — уголь — глобальный запас 900 ТВт.
  3. — уран — глобальный запас от 90 до 300 ТВт (по разным оценкам).
  4. — нефть — всего 240 ТВт.
  5. — природный газ — всего 215 ТВт.
  6. — энергия ветра — 25 — 700 ТВт ежегодно.
  7. — энергия океана (течения) — 3-4 ТВт ежегодно.
  8. — биомасса — 2-6 ТВт ежегодно.
  9. — гидроэнергетика — 3-4 ТВт ежегодно.
  10. — геотермальная энергетика — 0,3-2 ТВт ежегодно.
  11. — энергия приливов и отливов — 0,3 ТВт/ежегодно.

 

Основные характеристики ветра

 

Такое природное явление как «Ветер» принято характеризовать следующими показателями:

Скорость ветра — скорость, с которой происходит перемещение воздушных масс в горизонтальном направлении.

Продолжительность ветра — это время перемещения воздушных масс в каком-либо определенном направлении. Для примера отметим, что некоторые грозы могут длиться всего несколько минут; утренний/вечерний бриз — несколько часов; сезонные ветры, вызванные сезонными изменениями температуры — дуют месяцами; пассаты (глобальные ветры), вызванные разницей температур в разных широтах, дуют постоянно.

Сила ветра — это величина комплексно оценивающая скорость ветра и его воздействие на наземные предметы или по волнению в открытом море. Существует шкaлa для оценки силы ветра в баллах. Подробно со шкалой и ее параметрами можно ознакомиться тут.

Направление ветра — это параметр, который указывает на сторону части горизонта с которой дует ветер. Параметр определяют по компасу. Направление ветра может быть южное, юго-западное, северо-восточное, восточное и т.д.

Порывистость ветра — кратковременные либо значительные отклонения скорости и направления ветра от средних значений на определенной местности.

Повторяемость ветров — преобладающее направление ветра в данном месте в определенный период (год, сезон, месяц). Для изучения цикличности ветров различных направлений на местности строят график, называемый розой ветров.

Турбулентность ветра – это параметр характеризует многочисленные беспорядочно движущиеся вихри и струи разных размеров в общем потоке движения воздушных масс. Такое явление возникает вследствие различия скоростей ветра в смежных слоях воздуха. Так отдельные количества воздуха, увлекаемые этими вихрями и струями, еще называемые элементами турбулентности, движутся по всем направлениям, в том числе перпендикулярно к среднему направлению ветра и даже против него. Таким образом, на общий перенос воздуха в определенном направлении и с определенной скоростью налагается система хаотических, беспорядочных движений отдельных элементов турбулентности по сложным переплетающимся траекториям.

характеристики ветра

 

Экскурс в историю развития ветроэнергетики

 

Скорее всего, первый механизм, который использовал энергию ветра, был простым устройством с вертикальной осью вращения лопастей, который использовался для размола зерна. Около 200 лет до н.э. в Персии появились первые мельницы с горизонтальной осью вращения. Подобный примитивный тип ветряной мельницы применяется до наших дней во многих странах Средиземноморья.

Первое письменное описание устройства для выполнения механической работы при использовании ветра — работа Герона, который в 1 веке н.э. описал принцип работы ветряной мельницы.

В Средневековой Европе ветряные мельницы начали строиться после завершения крестоносцами Крестовых походов и их возвращения из Средней Азии.

Ветряная мельница

В Х столетии во многих городах Европы начинают строить ветряные мельницы с использованием гидродвигателя.

Уже XIV столетии по всей Европе начинается повсеместное использование ветряных мельниц для орошения полей в засушливых областях, для откачивания воды с земель, огражденных дамбами, а также для осушения болот и озер. Так, к примеру, в середине XIX столетия в Голландии уже использовалось для разных целей около 9 тыс. ветродвигателей.

В начале ХХ столетия резко возрос интерес к использованию энергии ветра для нужд промышленности и сельского хозяйства. В 1890 году в Королевстве Дания была построена первая ветряная электростанция, а к 1908 году (через 18 лет) их уже насчитывалось 72, установленной мощностью каждая от 5 до 25 кВт.

К началу ХХ столетия в Российской империи функционировало около 2,5 тысяч ветряных мельниц общей мощностью 1 млн. кВт.

В 1931 году недалеко от Ялты была построена самая крупная на том время ветроэнергетическая установка общей мощностью около 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата уже на 5000 кВт. Но реализовать и запустить проект полностью не удалось.

В период с 40-х по 70-е годы прошлого столетия предпринимались неудачные попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике. Причиной этому было интенсивное строительство мощных тепловых-, гидро- и атомных электростанций, а также распределительных электросетей, обеспечивающих независимое от погодных условий энергоснабжение. Также способствовали невысокие цены на добываемую нефть.

Возрождение интереса к ветроэнергетике, как и ко многим другим альтернативным видам энергетики (в частности солнечной), началось в 1970-х после нефтяного кризиса. Переломный период явно показал сильную зависимость множества стран и их отраслей экономики от импорта нефти, что стало причиной поиска возможных вариантов для снижения этой зависимости.

В настоящий момент ветроэнергетика является быстро развивающейся и перспективной отраслью. К началу 2015 года установленная мощность всех ВЭУ мира составила 369 ГВт.

 

 Преимущества и недостатки ветроэнергетики

 

Поговорим о недостатках и преимуществах использования энергии вера и ветроэнергетики в целом.

  1. Энергия ветра – это возобновляемый источник энергииЭнергия ветра является общедоступным и возобновляемым ресурсом. Пока будет светить Солнце и независимо от того, сколько энергии ветра используется сегодня, в будущем она по-прежнему будет доступна в тех же объемах.
  2. Стоимость строительства и эксплуатации ветроустановокОтметим, что за последние 10 лет себестоимость 1 кВт электроэнергии, полученной при использовании энергии ветра, резко сократилась.Вместе с тем для старта работы ветрогенератора и начала генерации электроэнергии в сеть требуются значительные первоначальные инвестиций. Так около 80% начальных капиталовложений – это стоимость оборудования и его монтаж на подготовленную площадку. Однако эксплуатационные расходы на содержание установки в течение всего срока эксплуатации практически сведены к минимуму.
  3. О воздействии на окружающую средуЭнергия ветра является источником относительно чистого электричества.Ветряные электростанции не выделяют в окружающую среду загрязняющих веществ и их влияние на экологию не так значительно, как энергоустановок, работающих на ископаемом топливе. Но все же они создают некоторые проблемы. Так лопасти ветрогенераторов создают шум, визуально они могут портить ландшафт, о них разбиваются птицы и летучие мыши. Большинство из этих проблем решаются в той или иной мере за счет применения различных технологий и разумного размещения ветроустановок.
  4. Другие проблемные вопросы, связанные с вентроэнергетикой

Основная проблема, связанная с использованием энергии ветра – прямая и сильная зависимость вырабатываемой энергии от природных и метеорологических факторов.

Так, в некоторых местностях, наиболее пригодных для проживания и ведения хозяйственной деятельности, ветра дуют очень слабо. Следовательно, там экономически невыгодно строить и использовать ветрогенераторы. И наоборот, местности с сильными ветрами часто бывают не очень удобны для заселения.

Также ветроэнергетические установки могут создавать проблемы для обработки и эксплуатации земли, скотоводства, например, ветряные турбины могут мешать выпасу скота или занимать место под посевы.

 

 Как работает ветрогенератор

 

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.

Вращения внутреннего вала ветрогенератора происходит за счет кинетической энергии ветра, возникающей при воздействии ветра на лопасти ветряной станции. Внутренний вал, соединенный с редуктором, увеличивает скорость вращения и подключен к генератору, который осуществляет выработку электроэнергии.

ветрогенератор

Для оптимизации использования энергии ветра большинство современных ветрогенераторов оснащаются оборудованием автоматического поворота в направлении ветра, а также возможностью изменять угол наклона лопастей.Мощность ветрогенератора находится в зависимости от мощности воздушного потока определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью.

Мощности ветрогенератора N рассчитывается по формуле:

N = pSv3/2,

где

v – скорость ветра;

p — плотность воздуха;

S — ометаемая площадь.

Расчет ориентировочного значения мощности ветряка можно получить с помощью ветрокалькулятора тут или провести самостоятельный расчет по примеру как указано тут.

Следует отметить, что ощутимое влияние на мощность ветрогенератора оказывает высота размещения его над поверхностью от земли, т.к. в верхних слоях атмосферы скорость ветра значительно выше, за счёт снижения потерь на трение с подстилающей поверхностью (уменьшение турбулентности). Высота расположения генератора выше пограничного слоя в 100 метров одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности.

Заметим, что ветряки имеют максимальный теоретический порог своей эффективности.

В 1919 году немецкий физик Альберт Бецем теоретическим образом определил максимальную энергию, которую можно получить от ветрогенератора. Так, согласно Закону Беца — ветрогенератор может произвести не более 59,3 % от кинетической энергии ветра.

Поясним: если считать, что вся энергия от движения ветра посредством воздействия на лопасти передается турбине и преобразуется в полезную энергию, то скорость ветра на выходе из ветрогенератора должна была бы быть равна нулю. Но если бы воздушная масса полностью останавливалась за турбиной, то поступающая свежий ветер в турбину уже не смог попасть. Поэтому необходимо некоторое движение воздуха за турбиной, для создания движения воздушной массы в самой турбине.

Устройство ветрогенератора

 

 Устройство ветрогенераторов

 

Самая распространенная конструкция ветрогенератора состоит из следующих обязательных элементов:

  • мачта. Обычно мачты полые и изготавливаются из металла или бетона;
  • гондола. Крепится на самом верху мачты. В гондоле находятся следующие элементы конструкции: вал, редуктор, генератор, котроллер и тормоз;
  • флюгер. Размещен на корпусе гондолы. Служит для определения направления ветра и ориентирует гондолу в заданном направлении;
  • анемометр. Определяет скорость ветра и передает данные в контроллер;
  • ротор. На роторе с разных сторон крепятся лопасти ветряка и ступицы;
  • низкоскоростной вал. Этот элемент приводится в движение ротором;
  • высокоскоростной вал. Подсоединен непосредственно к электрогенератору;
  • редуктор. Механически соединяет низкоскоростной и высокоскоростной валы, увеличивая скорость вращения последнего;
  • электрогенератор.
  • контроллер. Интеллектуальный программируемый элемент установки, который управляет работой ветрогенератора;
  • тормоз. Используется для остановки ротора в штатных и критических ситуациях.

 

 Типы ветрогенераторов

Типы ветрогенераторов

 

Все существующие на сегодняшний день ветрогенераторы по своим конструктивным особенностям делятся на следующие типы и подтипы:

  • по количеству установленных лопастей (3 лопастные, 5 лопастные и т.д.);
  • по расположению оси вращения:

— с вертикальной осью вращения (роторные и лопастные конструкции Дарье);

— с горизонтальной осью вращения (как в традиционных ветряных мельницах, или мельницах, используемых для откачки воды) – отметим, что большинство современных ветрогенераторов имеют именно горизонтальную ось вращения;

  • по используемым технологическим приёмам и материалам конструкции (металлические аэродинамические лопасти; текстильные парусные лопасти и др.);
  • по виду вырабатываемой энергии (электроветрогенераторы, с использованием водяного насоса, пневматические – сжимают воздух для дальнейшего его использования или преобразования в другие виды энергии, др.);
  • по сфере применения:

— промышленные (выработка энергии для производственных нужд предприятия);

— коммерческие (выработка электроэнергии для продажи в сеть);

— бытовые (для частного использования в домашнем хозяйстве).

 

Основные характеристики ветрогенераторов

 

Работу всех ветрогенераторов описывают следующими параметрами:
Объем вырабатываемой энергии — это основной параметр ветрогенератора.Зависит от среднегодовой скорости ветра в месте установки, размера ветрогенератора (имеется в виду ометаемая площадь или диаметр ветротурбины) и некоторых конструктивных особенностей установки.Рассчитать ожидаемый объем выработки энергии можно с помощью ветрокалькулятора тут.

Номинальная мощность ветрогенератора — мощность, развиваемая ветроустановкой при выбранной расчётной скорости ветра. Величина пропорциональна квадрату диаметру ветротурбины и кубу выбранной расчетной скорости.Этот параметр часто принимается основным при выборе и сравнении различных вариантов ветрогенераторов между собой. Однако реальная мощность ветрогенератора не равна номинальной мощности и зависит от множества дополнительных параметров.При сравнении ветрогенераторов по их номинальной мощности корректно их сравнивать только при равных всех расчетных параметрах: скорости ветра, диаметру ветротурбины и др.

Размер ветрогенератора — обычно указывается диаметр ветротурбины.Ометаемая площадь ветротурбины пропорциональна квадрату её диаметра, а номинальная мощность ветрогенератора и объем выработанной энергии пропорционален площади ветроприемного устройства.Т.е. если диаметры ветроустановок различаются в 1.5 раза, то их энергетические возможности различаются в 2.25 раза.

Расчетная скорость ветра для ветрогенератора — скорость ветра, при которой ветроустановка достигает своей номинальной мощности. При превышении расчетной скорости ветра начинает работать система регулирования, которая ограничивает дальнейший рост оборотов и мощности установки.

Стартовая скорость ветра — скорость ветра при которой ветроустановка начинает вращаться и заряжать аккумуляторы. Обычно этот параметр находится в диапазоне между 2.5-3.5 м/с. Но может варьироваться для машин с жестко установленными лопастями.

Максимальная эксплуатационная скорость ветра — скорость ветра, которая может привести к разрушению работающей ветроустановки. Для стационарного ветряка принимается не более 45-50 м/с. В ином случае ее эксплуатация становится небезопасной.

Способ регулирования ветрогенераторов – механизмы и методы, позволяющие регулировать основные параметры работы ветроустановки. Наиболее эффективный способ регулирования — изменение угла установки лопастей (изменение «шага турбины»). Компромиссным вариантом являются системы с выводом ветротурбины из-под ветра. Они проще реализуются, но имеют и ряд существенных недостатков.

Высота мачты — часто для снижения общей стоимости комплекта ветроустановки предлагаются очень низкие мачты. Такая экономия может оказаться неоправданно дорогой, так как скорость и равномерность ветрового потока сильно зависит от высоты размещения турбины.Для примера: если принять скорость потока на высоте 10 м за 1, то на других высотах его скорость составит: 5 м — 0.87; 10 м — 1; 15 м — 1.08; 20 м — 1.15; 25 м — 1.20. При этом если учесть кубическую зависимость мощности ветрогенератора от скорости ветра, то объем вырабатываемой энергии распределиться следующим образом: на 5 м — 0.66; на 10 м — 1; на 15 м — 1.28; на 20 м — 1.52; на 25 м — 1.73.Таким образом, при в сравнении 2 ветроустановок с высотой размещения мачты 5 и 20 метров, то разница в выработке электроэнергии будет составлять 1.52/0.66 = 2.3 раза.Дополнительным положительным элементом более высокого размещения турбины есть тот факт, что ветряк на более высокой мачте создает меньше шума.

Шум — является немаловажным параметром ветрогенератора.

Выделяют две разновидности шума от работающих ветрогенераторов:

  • механический шум — шум от работы механических и электрических компонентов установки. В современных ветроустановоках такой шум практически отсутствует, но является значительным в устаревших конструкциях.
  • аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки.

В некоторых Европейских странах законодательно ограничены уровни максимального шума от работающей ветряной энергетической установки.

 

Преимущества и недостатки разных типов ветрогенераторов

 

Благодаря своей эффективности и технической надежности наибольшее распространение получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения.

В тоже время в местностях с малой скоростью и переменным направлением ветров, а также с небольшими потребностями в электроэнергии (бытовые хозяйства) популярность набирают ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Учитывая невысокую скорость ветров в нашем регионе (обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с), производители ветрогенераторов малой энергетики (для нужд частного использования), в последнее время уделяют этому виду все большее внимание.

Дело в том, что для эффективной работы ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения необходима постоянная ориентация по ветру. Так как обычные континентальные ветра малой интенсивности постоянно изменяют свое направление, то приходится регулярно изменять ориентацию установки. При частой смене ветра возникает эффект «болтания» ветряка из стороны в сторону и, конечно, происходит частичная потеря эффективности его работы.

Ветряки с вертикальной осью вращения, в силу своей конструкционной особенности, являются всенаправленными — т.е. у них процесс ориентации отсутствует, а значит, при постоянной смене направления ветра они будут обладать большей эффективностью.

Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть ещё несколько существенных преимуществ:

  • они практически бесшумны;
  • не требуют совершенно никакого обслуживания;
  • имеют гарантированный срок службы более 20 лет.

Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу таких устройств даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.

К недостаткам ветрогенераторов с вертикальной осью вращения можно отнести очень низкое значение ветроиспользования — около 20-30%, в то время как классические ветрогенераторы с горизонтальной осью — больше 40%.

Вертикальный ветрякСовершенствование работы ветрогенераторов в основном идет на основе инноваций в способах приема энергии ветра. Создаются различные профили лопастей, парусов, профилей. Источник энергии, ветер — как естественное явление, воспринимается как элемент системы, который не поддается управлению. И в технической системе «ветер-ветроустановка», обе составляющие имеют одинаковую силу. Управление обоими элементами позволяет получить высокую эффективность ее работы и отдачи.

Так, на сегодняшний день предпринимаются попытки повышения эффективности использования ветрогенераторов с вертикальной осью вращения путем увеличения скорости воздушного потока при обтекании цилиндра.

Обновленная конструкция ветрогенератора позволяет:

  1. Предотвратить потери энергии воздушного потока, за счет отсутствия взаимодействия с ним лопастей ротора на противоходе;
  2. Организовать однонаправленное движение лопастей и внутреннего объема воздуха, за счет эжекции последнего разгоняющимся воздушным потоком после обтекания полуцилиндра. Это также снижает потери энергии воздушного потока.

Ветрогенератор башняВдобавок предлагается к использованию новые конструкции ветроустановок, которые позволяют управлять процессом сбора энергии от ветра для концентрации этой энергии на генераторе – так называемая «ветроустановка-башня» (разработка Станислава Гусака с Днепропетровщины).

Данная установка позволяет управлять энергией воздушного потока путем ее концентрации на лопастях генератора. Отпадает необходимость настраивать лопасти генератора «на ветер». Настраивается только система приема ветра в нижней части башни.

Система концентрации энергии позволяет повышать скорость воздушного потока во внутреннем канале и увеличивать мощность. Проведенные эксперименты в аэродинамической трубе показали увеличение производимой генератором энергии в 4 раза, а для малых скоростей воздуха более чем в 10 раз.

Следует отметить еще один интересный факт: КПД использования ветрогенератора незначительно возрастает зимой. В условиях более плотного, холодного воздуха и повышенного давления. При одинаковых скоростях ветра, генерируемая мощность увеличивается на 7 — 10%. Отсутствие листвы и более гладкая, за счёт снежного покрова, поверхность земли также способствует снижению турбулентности и увеличению скорости ветра.

 

 Ознакомьтесь с ветряными установками >>

Источник: alteco.in.ua


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.