Материал: Ветровые установки

Ветровые установки

Ветровые установки

ветродвигатель энергия крыльчатый колесо

1. Энергия ветра и возможности её использования

ветер ветродвигатель энергия

Уже очень давно, видя, какие разрушения могут приносить бури и ураганы, человек задумывался над тем, нельзя ли использовать энергию ветра.

Ветряные мельницы с крыльями-парусами из ткани первыми начали сооружать древние персы свыше 1,5 тыс. лет назад. В дальнейшем ветряные мельницы совершенствовались. В Европе они не только мололи муку, но и откачивали воду, сбивали масло, как, например в Голландии. Первый электрогенератор был сконструирован в Дании в 1890 г. Через 20 лет в стране работали уже сотни подобных установок.

Энергия ветра очень велика. Ее запасы по оценкам Всемирной метеорологической организации, составляют 170 трлн кВт·ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломают ветряки.

Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается электрический ток.

Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку; некое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру.

Чтобы как-то компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные «ветреные фермы». Ветродвигатели там стоят рядами на обширном пространстве и работают на единую сеть. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком близко, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше.

Чтобы снизить зависимость от непостоянного направления и силы ветра, в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы. Чаще всего они электрические. Но применяют также воздушные (ветряк нагнетает воздух в баллоны; выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором) и гидравлические (силой ветра вода поднимается на определенную высоту, а, падая вниз, вращает турбину). Ставят также электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на кислород и водород. Их запасают в баллонах и по мере необходимости сжигают в топливном элементе (т.е. в химическом реакторе, где энергия горючего превращается в электричество) либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанного с капризами ветра.

Сейчас в мире работает более 30 тыс. ветроустановок различной мощности. Германия получает от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена воздушного электричества падает. Так, в 1993 г. во Франции себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизилась в 1,5 раза. Правда энергия АЭС обходится всего в 12 сантимов за 1 кВт·ч.

2. Состояние и перспективы использования ВИЭ в мире по основным видам

Динамика исследования по видам ВИЭ в мире характеризуется следующими данными.

Установленная мощность ветроустановок в мире увеличилась с 6172 МВт в 1996 г., до 12000 МВт в 1999 г. и до 23000 МВт в 2001 г. Прогноз на 2006 г. - около 3600 МВт. Страны-лидеры: Германия - 4444 МВт, США - 1819 МВт; Дания - 1752 МВт; Испания - 1539 МВт; Индия - 1100 МВт.

Оборот ветроэнергетической индустрии в мире в 1998 г. составил 1,7 млрд долларов и по сравнению с 1997 г. увеличился на 31 %.

В Германии, например, только за первую половину 2001 г. введены в эксплуатацию ветроэнергетические установки (ВЭС) мощностью 800 МВт, что на 50 % больше, чем за весь 2000 г., а всего в стране на 2001 г. установлено почти 10000 МВт ВУ. Их доля в выработке электроэнергии составила более 2,5 %.

3 Классификация ветроустановок

Ветроустановки классифицируется по следующим признакам:

положению ветроколеса относительно направления ветра;

геометрии ветроколеса;

по мощности ветроустановки.

В настоящее время технические средства включают два основных типа промышленных ветроустановок: горизонтальные - с горизонтально осевой турбиной (ветроколесом), когда ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку; вертикальные - с вертикально осевой турбиной (ротором), когда ось вращения перпендикулярна воздушному потоку.

Ветроколесо с горизонтальной осью делятся на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные; с вертикальной осью различают следующие конструкции роторов: чашечный анемометр, ротор Савониуса, ротор Дарье, также имеются конструкции с концентратами (усилителями) ветрового потока, такие, как ротор Масгрува, ротор Эванса, усилители потока специальной конструкции.

Следует отметить, что ветроколесо с вертикальной осью вращения, в отличие от с горизонтальной, находятся в рабочем положении при любом направлении ветра, однако их принципиальным недостатком являются большая подверженность усталостным разрушениям из-за возникающих в них автоколебательных процессов и пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветрогенераторв выполнено по горизонтально-осевой схеме, хотя продолжаются всесторонние проработки различных типов вертикально-осевых установок.

По мощности ветроустановки делятся на: малой мощности - до 100 кВт, средней - от 100 до 500 кВт, и большой (мегаваттного класса) - 0,5-4 МВт и более.

Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.

Первый класс включает ветродвигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми.

Быстроходностью называется отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра:

Крыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656-44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности, разделяются на три группы (рисунок 3).

− ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Zn ≤ 2.

− ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Zn > 2 .

− ветродвигатели малолопастные, быстроходные, Zn ≥ 3.

Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы:

− карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются шир-мой, либо располагаются ребром против ветра;

− роторные ветродвигатели системы Савониуса.

К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

- многолопастных; 2-4 - малолопастных

Рисунок 3. Схемы ветроколес крыльчатых ветродвигателей

. Принцип действия ВЭУ

Принцип действия ветровых турбин такой же, как у других турбин (паровой, газовой, водяной турбины). На рисунке 3 приведены принципиальные схемы основных ветровых турбин.

Двухлопастное ветроколесо обеспечивает большую экономичность, чем трехлопастное, однако, первое в ряде случаев подвержено значительным вибрационным нагрузкам, отсутствующим во втором случае. Центростремительную силу, действующую на лопасть, можно свести к минимуму, уменьшив ее массу. Для изготовления лопастей пригодны дерево, пластик и, в особенности, армированное стекловолокно, обладающее хорошими прочностными характеристиками. Стекловолокно выдерживает штормы, рабочие нагрузки и, кроме того, исключительно технологично. Защита от разрушения лопастей при чрезмерной силе ветра осуществляется с помощью поворотного механизма, который при заданной предельной скорости ветра разворачивает лопасти во флюгерное положение. Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, параллельной потоку, разработаны лучше, чем второй тип двигателей с вертикальной осью.

У ветродвигателей с горизонтальной осью имеется один главный недостаток: для получения оптимальной мощности они должны быть установлены на башне. Это связано не только с обеспечением свободного пространства для лопастей, а главным образом с тем, что скорость ветра с ростом высоты, как правило, возрастает. Необходимость строительства башни становится при этом важнейшим фактором, влияющим на экономическую целесообразность установки ветродвигателя в том или ином месте. Ветродвигатель с вертикальной осью вращения в этом смысле имеет преимущество, однако, и у него есть ряд своих недостатков.

- однолопастной ротор; 2 - двухлопастной ротор; 3 - трехлопастной ротор; 4 - много-лопастной ротор; 5 - ротор типа "велосипедное колесо"; 6 - ротор Дарье; 7 - с горизонталь-ной осью вращения; 8 - с пневмопередачей мощности; 9 - парусного типа; 10 - с диффу-зором; 11 - с концентратором; 12 - многороторная; 13 - двухроторная; 14 - вихревые.

Рисунок 3. Принципиальные конструкции основных типов ветровых

турбин

Для повышения эффективности ВЭУ целесообразно объединение их в автономную малую энергосистему. При этом автономная ветроэнерге-тическая система будет иметь плавающую частоту напряжения из-за изменения скорости ветра. В данном случае целесообразно не жесткое, посредством линии электропередачи, а гибкое объединение автономных нетрадиционных источников энергии с централизованной системой энергоснабжения, т.е. создание гибких управляемых связей между энергосистемами.

5 Работа поверхности при действии на нее силы ветра

Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетической энергией, определяемой выражением:

Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоростью V, равна:

Мощность Т определяется произведением силы Р на скорость V:

Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы, при малой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот, за счёт малой силы, а, следовательно, и малой поверхности, но при соответственно увеличенной скорости её перемещения.

Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения его поверхностью получит подпор, и будет обтекать ее и производить давление силой Рх. Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направлении потока с некоторой скоростью U (рисунок 4); работа при этом будет равна произведению силы на скорость U, с которой перемещается поверхность F, т. е.:

где Рх - сила сопротивления, которая равна :

где Сх - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления;- поверхность миделевого сечения теля, т.е. проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока.

В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоростью, равной :

Подставив значение Рх получим:

Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхностью к энергии ветрового потока, имеющего поперечное сечение, равное этой поверхности:

Величину ξ называют коэффициентом использования энергии ветра.

Из уравнения мы видим, что ξ зависит от скорости перемещения поверхности в направлении ветра. При некотором значении скорости U коэффициент £ получает максимальное значение. В самом деле, если скорость перемещения поверхности равна нулю U = 0, то работа ветра также равна нулю. Если U = V, т.е. поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так как нет силы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заключено в пределах между U = 0 и U = V.

Установлено, чтобы получить максимальное ξ, поверхность должна перемещаться со скоростью:

Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может быть больше ξ = 0,192.

Наибольший коэффициент использования энергии ветра у роторных ветродвигателей системы Савониуса - 18 %.

Рисунок 4. Действие силы ветра на поверхность

. Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя

Крыльчатые ветроколеса работают за счет косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае. Устройство такого колеса показано на рисунке 5.

На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от 2 и больше. Крыло ветроколеса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она образует с плоскостью вращения некоторый угол φ. Этот угол называют углом заклинения лопасти (рисунок 6). При этом на ее элементы набегает воздушный поток с относительной скоростью W под углом ά, который называют углом атаки, и действует с силой R. Углы φ и ά в значительной мере определяют эффективность крыльев. Силу R раскладывают на силы Рх и Ру (рисунок 6, а). Силы Рх производят давление в направлении ветра, которое называется лобовым давлением. Силы Ру действуют в плоскости у-у вращения ветроколеса и создают крутящий момент.