Print this page

Энергия ветра

Энергия ветра в автономных системах

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.

Источник: Международное энергетическое агентство (МЭА, 2009)

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.

Ветроэнергетические ресурсы Украины

Основное влияние на климат и ветровой режим территории Украины оказывают Атлантический и Северный Ледовитый океаны. Большую роль в формировании климата играют высота и направление расположения гор. В зависимости от этих условий, формируется климат в Карпатах, Подольской, Волынской и Приднепровской возвышенностях, Донецком кряже и Крымских горах. Что касается других регионов, то для них имеет решающее значение близость Черного и Азовского морей, и равнинный характер местности.

Современные ВЭУ могут работать в районах со среднегодовыми скоростями ветра не менее 5 м/с, на высоте флюгера, составляющей 10 м. Оценка ветровых характеристик регионов Украины далее делается, исходя из этих критериев. Анализируя данные многолетних наблюдений 214 метеостанций Украины, можно сделать вывод, что в нашей стране преобладают ветры от 0 до 5 м/сек (70-90%).

Общая мощность украинских ветроэлектростанций, которые планируется соорудить, оценивается в 16000 Мвт. Они будут вырабатывать около 30 млрд. квт/час электроэнергии за год. При этом подразумевается, что мощность ВЭС, входящих в энергетическую систему, не будет превышать величины генерирующего резерва (около 7500 Мвт).

Среднегодовую скорость ветра более 5м/с в Украине имеют 7 регионов и 2 зоны. К регионам относятся Карпатский, Причерноморский, Приазовский, Донбасский, Западно-Крымский, Восточно-Крымский. К зонам относятся Харьковская и Полтавская.

В карпатском регионе данные можно получать с двух метеостанций. Таковыми являются Пожежевская (среднегодовая скорость 5,9 м/с ) и Плай (среднегодовая скорость 5,8м/с). И та и другая расположены на территории с очень высокими отметками, 1451 м и 1330 м. По данным, среднегодовые скорости ветра в этом регионе небольшие (1,4-3,4 м/с).

По данным причерноморского региона, в этой полосе среднегодовые скорости ветра составляют более 5 м/с. В приазовском регионе наивысшие показатели среднегодовой скорости ветра зафиксированы метеостанцией в г. Мариуполе, и составляют 6,1м /с.

Донбасский регион начинается от Луганска (среднегодовая скорость 5,7 м/с) и до соединения с Приазовским регионом. Западно-Крымский регион расположен вдоль западного побережья Крыма, где по данным метеостанций средняя скорость ветра составляет 5,4 м/с.

В восточно-Крымский регион входят Керченский полуостров, восточное предгорье Крымских гор и часть Арабатской стрелки. По данным трех находящихся в регионе метостанций, среднегодовые скорости ветра здесь составляют 6,2 м/с.

Данные метеостанций горного Крыма дают довольно разнообразные данные, что естественно для горной местности. Однако, можно считать, что среднегодовые скорости здесь составляют около 5 м/с.

Харьковская зона имеет одну метеостанцию, находящуюся в г. Харьков. Анализ данных и орографии данной местности позволяет говорить о возможности сооружения площадок возле города. Особо эффективно это будет в северо-восточном направлении, где скорости ветра составляют больше 5 м/с.

Полтавская зона имеет одну метеостанцию в г. Полтаве. По данным этой метеостанции, среднегодовая скорость ветра здесь составляет 5 м/с.

Из выше изложенного материала можно сделать следующий вывод. Районирование территорий размещения ветроэлектростанций и оценка ветроэнергетических ресурсов в Украине ведется на основании среднегодовых скоростей ветра, с проведением общего орографического анализа. Особо стоит выделить Крым, который является наиболее удобным и эффективным для развития ветроэнергетики. По инициативе Совета министров Автономной Республики Крым в рамках программы TACIS, проводимой Европейской Комиссией, был создан ветроатлас Крыма. В данном атласе были определены наиболее перспективные площадки для строительства ВЭС в Крыму.

Можно с уверенностью сказать, что территориальные особенности регионов Украины и ветровые условия довольно благоприятны для сооружения ветроэлектростанций.

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. Ось 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

 ПВТВВТ
Техническое обслуживание   ВВТ могут быть расположены ближе к земле, что облегчает техническое обслуживание подвижных компонентов.
Производительность – Высокая производительность, так как лопасти всегда двигаются перпендикулярно ветру, получая энергию от вращения.

– Высокая башня позволяет получить доступ к большему ветру в местах со сдвигом ветра. В ряде мест со сдвигом ветра, каждые десять метров высоты скорость ветра может увеличиваться на 20% и вырабатываемая мощность на 34%.

– Все ВВТ, и большинство видов воздушных ветровых турбин включают различные типы возвратно-поступательных движений, требующих аэродинамических поверхностей для изменения направления ветра для части цикла. Изменение направления ветра приводит к снижению производительности.

– Большинство ВВТ в среднем имеют уменьшенную производительность в отличие от обычной ПВТ, главным образом, из-за дополнительного сопротивления, которое имеют ВВТ, так как их лопасти вращаются по ветру. Виды, у которых снижено сопротивление, производят больше энергии, особенно те, которые закручивают ветер в область коллектора.

– Роторы расположены близко к земле, где скорость ветра ниже, и они не устанавливаются выше, где и скорость ветра больше.

Скорость пуска   ВВТ имеют более низкую пусковую скорость ветра, чем обычные ПВТ.
Местоположение   – ВВТ могут быть построены в местах, где строительство высоких сооружений запрещено.

– ВВТ, расположенные близко к земле, дают большую выгоду там, где крыши домов, столовые горы, холмы, хребты и ущелья пропускают ветер и увеличивают его скорость.

Механизмы – Для турбин, устанавливаемые по ветру, характерны издержки от усталостных неисправностей и поломок конструкции, вызванных турбулентностью образующейся, когда лопасть проходит через аэродинамическую тень мачты (по этой причине, большинство ПВТ устанавливают против ветра, т.е. с ротором в передней части мачты, направленным против ветра).

– ПВТ требуют дополнительного механизма контроля отклонения от направления движения, для того чтобы поворачивать лопасти навстречу ветру, а также останавливать вращение, разрушение или повреждение турбины.

Никакого механизма против отклонения от направления движения не требуется.
Эстетика Их высота делает их навязчиво видимыми на больших расстояниях, нарушая пейзаж, а иногда и создавая контраст местности.  
Установка Строительство мачты требует поднятия на высоту тяжелых лопастей, редуктора и генератора.  

Источник: Centurion Energy

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»)

Источник: eolienne.comprendrechoisir.com

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.

Источник: ITV

Таблица: Дарье или Савониус

 ДарьеСавониус
Установка

Легкое (по сравнению с ПВТ), так как компоненты могут быть размещены невысоко от земли

Обслуживание
Механизмы Легко встраивается в здания Простая конструкция
Работа Пуск сложнее в сравнении с ветровой турбиной Савониуса Самозапуск (при наличии 3 лопастей)
Производитель-ность Низкая производительность (по сравнению с ПВТ) Низкая производительность (по сравнению с Дарье)

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: buckville.com

Read 2124 times