Энергия ветра.: masterok

masterok

Энергия ветра.

Aug 31, 2012 15:23

Давайте посмотрим на нетрадиционые варианты выработки энергии, а именно ветровые электростанции. Пока еще вопрос спорный в возможности существования этого вида энергодобычи без серьезных дотаций, возможность широкого и повсеместного применения этих устройств (а не только для специфических случаев). Однако не оспорим вопрос экологичности. Ну и это еще к тому же красиво :-)

Давайте посмотрим ...

В Европе и США огромные ветряки - привычный элемент загородного пейзажа. Эти красивые гиганты устанавливаются не только на земле, но и на водных просторах.

Идея использовать силу ветра для получения электрической энергии не нова. Она родилась ещё в конце 19 века, а именно зимой 1887-88 годов, когда один из основателей американской электрической индустрии, Чарльз Ф. Браш построил прототип автоматически управляемой ветровой турбины для производства электроэнергии. На тот момент она была гигантской - диаметр ротора равнялся 17 метрам, и состоял из 144 лопастей, изготовленных... из кедра.

В Европе первая ветряная электрическая станция была пущена в 1900 году, а к началу ІІ-ой мировой войны на планете работало несколько миллионов ветряков.

Современный ветряк - это стальная башня высотой от 70 до 125 м, на вершине которой установлены генератор и ротор с лопастями из композиционных материалов. Сегодня используют 56-метровые лопасти.

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории.

На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может "работать” зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер - это очень рассеянный энергоресурс.

Ветровая энергия практически всегда "размазана” по огромным территориям. Основные параметры ветра - скорость и направление - меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее "надежным”, чем Солнце. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность "ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом.

К решению первой проблемы привлекли специалистов самолета строения умеющих выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, для получения максимальной энергии ветра. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Это многолопастные «ромашки» и винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Такой вертикальный ротор напоминает разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку. Встречаются и оригинальные решения. Например, тележка с парусом ездит по кольцу из рельс, а ее колеса приводят в действие электрогенератор.

Кликабельно 1700 рх

Среди десятков тысяч ветряков есть огромные, а есть и маленькие, на один домик. А это как раз гигантские ветряки. Один из самых больших ветряков на сегодня построен в сентябре 2002 под Магдебургом в Германии. Его мощность - 4.5 мегаватт, каждая из трех лопастей достигает 52 метров в длину и 6 в ширину, и весит по 20 тонн. Крепится ротор на 120-метровой башне.

Последнее достижение ветроэнергетики - ветряки, диаметр ротора которых превышает размах крыла самолетов-гигантов, даже нашего «Руслана». Такая установка имеет мощность 1-2 мегаватта и способна обеспечивать электроэнергией 800 современных жилых домов.

Наиболее распространенным типом ветровых энергоустановок (ВЭУ) является турбина с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3. По оценкам различных авторов, ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. В России валовой потенциал ветровой энергии - 80 трлн. кВт/ч в год, а на Северном Кавказе - 200 млрд. кВт/ч (62 млн. т усл. топлива). Эти величины существенно больше соответствующих величин технического потенциала органического топлива. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования.

Ветровые электростанции выгодны, как правило, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топлива очень дорога.

Норвегия объявила о планах построить самый большой в мире ветряк в 2011 году. Работы уже ведутся. Высота ветряной турбины будет составлять 533 фута, а диаметр ротора - 475 футов. Как ожидается, турбина будет обеспечивать электроэнергией 2 000 домов. Рекордный опытный образец стоит $67,5 миллионов.

Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2. следует также учитывать те изменения, которые вносятся ветровыми установками в ландшафт местности, их размещение должно соответствовать не только стандартам безопасности и эффективности, но и правильного размещения на местности (мельницы ВЭУ, расположенные хаотично менее эффективны, чем те, которые расположены в определенной геометрической последовательности).

Малые ВЭУ обычно предназначаются для автономной работы. Системы, которым они выдают энергию, привередливы, требуют подачи энергии более высокого качества и не допускают перерывов в питании, например, в периоды безветрия. Поэтому им необходим дублер, то есть резервные источники энергии, например, дизельные двигатели той же, как у ветроустановок, или меньшей мощности.

Что касается более мощных ветроустановок (свыше 100кВт), то они применяются как электростанции и включаются обычно в энергосистемы. Обычно на одной площадке устанавливаются достаточно большое количество ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одном краю (фермы) может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому (ферма) занимает много место.

Ветроэнергетика сильно зависит от капризов природы. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветра агрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветра агрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Для эффективной работы ВЭУ их размещают на открытых пространствах, реже на территориях сельскохозяйственных угодий, что повышает их продуктивность. В горных районах ветра установки работают эффективно из-за природных особенностей данных местностей, там преобладает движение воздушных масс с большой силой и скоростью, к тому же это дает энергию в труднодоступные районы.

Правильная установка влияет на КПД ветра агрегатов поэтому удельная выработка электрической энергии в течение года составляет 15 - 30% энергии ветра или даже меньше в зависимости от место положения и параметров установки.

В настоящее время рекорд по размеру и мощности (141 метр и 7 мегаватт) принадлежит ветрогенератору Enercon E-126, расположенному около немецкого городка Эмден.

Установка ветряка Enercon E-126:

Ветряные двигатели не загрязняют окружающую среду, отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствие потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.

В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто rкакую-то электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 50 - 60 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет попорота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

Одна из возникших проблем ветра агрегатов это избыток энергии в ветреную погоду и не достаток ее период без ветрея. Способов хранения ветреной энергии очень много рассмотрим наиболее простые один из способов: состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, 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 ветра агрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Ветряки ставят не только на суше, но и на водных просторах:

Самый высокий ветряк в мире находится в провинции Сан-Хуан на высоте 4 110 метров над уровням моря. Его установила самая крупная золотодобывающая компания в мире - Баррик. Ветряк занесен в книгу рекордов Гиннеса.

Ветроустановка - дорогая техника, но расходы на ее приобретение окупятся в течение первых 7 лет эксплуатации. Расчетный срок службы - 25 лет.

Европейский лидер по использованию энергии ветра - Дания. В этой стране их обычно размещают на скалистых рифах и мелководье, на расстоянии до 2 км от берега.

Кликабельно

Самым ветреным местом в Европе считают шотландские Внешние Гибриды. Северная часть этих островов продувается постоянно. Ветер там практически никогда не утихает.

В конце прошлого года компания Deepwater Wind объявила о планах создания крупнейшей в мире глубоководной ветровой электростанции.

Предполагается, что она будет возведена на протяжении от 29 до 43 км от побережья штата Род-Айленд и Массачусетс и будет производить до 1 000 мегаватт, что сопоставимо с ядерным энергоблоком. Ветряки будут установлены в океане с глубиной дна 52 м - это значительно глубже, чем любая другая современная ветроэлектростанция.

Кликабельно

А вот еще есть такой интересный ветряк

Первая в мире плавучая ветряная турбина была установлена в Северном море у побережья Норвегии. Об этом сообщила во вторник норвежская энергетическая компания StatoilHydro. Турбина, названная Hywind, достигает в высоту 65 метров и весит 5.300 тонн. Ее установили примерно в 10 километрах от острова Кармой, у юго-западного побережья страны, говорится в пресс-релизе компании.

"Ветряк" установлен на плавающей платформе, которая закреплена тремя якорями. В качестве балласта выступают вода и камни, помещенные внутрь платформы.

StatoilHydro планирует проводить испытания Hywind в течение последующих двух лет, прежде чем примет решение о производстве большего числа плавучих ветровых турбин.

По мнению специалистов StatoilHydro, данная технология может представлять интерес для Японии, Южной Кореи, американского штата Калифорния, части Восточного побережья Соединенных Штатов и Испании. Это лишь часть потенциальных рынков.

Hywind может устанавливаться на большем удалении от берега, чем статические ветровые турбины, уже находящиеся в эксплуатации. Речь идет о глубинах от 120 метров до 700 метров, что позволяет размещать новую турбину значительно дальше от берега.

В создание 2,3-мегаваттной плавающей турбины было вложено в общей сложности 400 млн. крон (46 миллионов евро), что делает ее дороже наземных аналогов. Теперь главная задача компании-производителя - удешевить свою разработку.

Ветровая энергия это огромная энергия, надо только правильно ее получать и хранить.

Рассмотрим теперь отрицательное влияние ВЭУ на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц. Действительно крупные ВЭУ влияют на телесигнал. На расстоянии до 0.5 км, они вызывают помехи в телесигнале, это связано с тем, что лопасти ветрового колеса ВЭУ отражают сигналы, вызывая помехи при передачи телевизионного сигнала. Вследствие работы крупных ВЭУ больше 20 кВт возникает достаточное количества инфразвука, которое влияет на состояние человека и животных. При работе крупных ВЭУ возникает и естественный шум от работы ветрового колеса. Поэтому размещение ВЭУ больше 10 кВт нежелательно в переделах черты города. С этими отрицательными факторами пытаются бороться, в частности применяя новые виды материала, которые способны пропускать сигналы в большом спектре и т.д.

Ветровая энергетика вызывает все больше интерес и стремление к усовершенствованию установок для максимальной эффективности. Во многих страна начинают их применять в домах, на фермах, на небольшом производстве.

А вот такой проект :

Необычная ветровая электростанция, имеющая не три, а две лопасти, в скором времени появится у восточного побережья Шотландии. Экстравагантный ветряк, видимо, будет славен ещё и тем, что сможет принимать вертолёты.По данным Inhabitat, шотландский министр энергетики Фергюс Юинг (Fergus Ewing) на днях объявил, что правительство одобрило строительство инновационной ветровой турбины по проекту голландской компании 2-B Energy. Гигантский двухлопастный ветряк мощностью 6 мегаватт будет возведён в составе комплекса Energy Park Fife примерно в 20 метрах от берега.

Вызывающая немало вопросов вертолётная площадка присутствует только на проектных картинках в разделе «общее впечатление». В шотландском правительстве посадка геликоптеров на ветряк не обсуждается (иллюстрации 2-B Energy).
2-B Energy с нуля разработала новый тип турбин в 2007 году. Её ветряки предназначены именно для работы на воде, в прибрежной зоне, где нет строгих требований к шуму и жёстких ограничений по размеру конструкции. Что касается двух лопастей вместо трёх, то компания поясняет: чем меньше движущихся частей, тем лучше в плане ремонтопригодности.

Как сообщает BusinessGreen, 2-B Energy хотела установить в Шотландии два ветряка, но получила одобрение только на один.

«Тот факт, что инновационные компании решают проверить свои новые идеи именно в Шотландии, в лишний раз подтверждает репутацию нашей страны как места для разработки и внедрения всех типов новых „зелёных“ энергетических технологий», - заявил министр Юинг. Судя по всему, строительство экспериментальной турбины начнётся в 2014 году.

Кликабельно

Ну и еще один проектик:

Небольшая американская фирма Joby Energy разработала проект установки в виде огромного летающего змея. Змей представляет собой прямоугольный металлический каркас, несущий на себе десяток небольших лопастей. Сначала лопасти приводятся в действие моторами и, подобно пропеллеру самолета, поднимают каркас на высоту 400-500 метров.

Там в дело вступают мощные высотные ветры, которые вращают лопасти, вырабатывая электрическую энергию. Часть ее идет на поддержание каркаса в воздухе, а основная часть передается на землю по той металлической «нити», которая соединяет каркас с местом запуска. Конечно, для этого требуются прочные и легкие материалы, необходимые для создания летающего (и подвергающегося мощнейшим давлениям) гигантского, в десятки метров длиной, каркаса, и электроника, которая должна обеспечивать автоматическое управление полетом и маневрированием, и датчики, непрерывно измеряющие скорость, направление ветра и ориентацию аппарата, и компьютеры, которые по указаниям этих датчиков автоматически и непрерывно контролируют и нужным образом меняют ориентацию каркаса к ветру, чтобы обеспечить максимальный кпд, и многое другое, чего не было еще 10 лет назад.

Кликабельно 3000 рх

Новый план не просто реален. Он еще и достаточно перспективен, о чем говорит одна, но весьма красноречивая цифра: нынешняя потребность человечества в энергии составляет, по подсчетам, 17 тераватт, между тем как мощность ветров в тропосфере равна 870 тераваттам, то есть в 50 с лишним раз больше. (Напомним, что тропосферой называется приземный слой атмосферы до высоты в 20-30 километров, отделенный от выше лежащей стратосферы переходным слоем; под этим слоем образуются характерные для тропосферы постоянные «струйные потоки» (jet streams) со скоростями ветра от 100 до 400 километров в час. Для сравнения: на земле ураганной считается скорость выше 117 километров в час.) Далеко не случайно эта фирма так энергично испытывает одну систему за другой. Агентство НАСА в ближайшее время проводит нечто вроде всеамериканского конкурса на лучший проект надежной и безопасной летающей турбины мощностью в 300 киловатт. Тот факт, что на этом конкурсе фирма будет лишь одним из нескольких десятков конкурентов, свидетельствует об интересе, проявляемом к новому виду «чистой» энергии. Но еще более ярко о том же говорит интерес, проявляемый к новому плану американским правительством. Это именно оно выделило НАСА деньги для координации и проверки всех этих частных проектов.

Сейчас на предварительном испытании находятся самые разные варианты летающих турбин - в виде воздушного змея, подвесного аэростата, летающего крыла, парашюта и так далее. Отбор поручен НАСА, уже имеющему опыт такой работы. Предстоит прежде всего найти наиболее эффективный вид носителя турбины. Для этого все они будут проверяться в одинаковых условиях полета на высоте до 600 метров - это предел, который для начала установило федеральное правительство.

Даже на этой высоте летающие турбины вполне могут показать свои преимущества перед наземными, ведь сила ветра, как уже говорилось, растет с высотой, а мощность ветряков, как уже выяснила практика, пропорциональна кубу силы ветра. Это значит, что даже при удвоенной за счет высоты силе ветра летающая турбина может дать в 8 раз больше мощности, чем наземная, а при утроенной - даже в 27 раз больше. Как полагают расчетчики, в будущем, когда такие турбины будут летать на высоте 8-9 километров, на уровне самых низких «струйных течений» с их средней скоростью ветра 240 километров в час, они смогут давать 20 000-40 000 ватт на квадратный метр лопастей вместо 500 ватт, которые дают нынешние наземные ветряки.

Кроме того, у них есть еще то преимущество, что установка запуска, где крепится нанотрубочная «нить» (она же - кабель для приема тока), занимает очень малую площадь. Да и стоимость турбины-змея много меньше, чем, скажем, того норвежского гиганта, который сейчас готовится выплыть в море. С другой стороны, летающие ветряки, конечно, уступают таким гигантам по максимальной мощности каждой отдельной установки. Чтобы сравняться с мощностью норвежского плавучего ветряка, летающий ветряк должен иметь рабочую площадь в несколько сот квадратных метров, а это ставит перед конструкторами очень трудные - и пока неразрешимые - технические задачи (в смысле прочности, подъемной силы и так далее.) Так что перегнать наземные ветряки по суммарной мощности можно только за счет я количества, и поэтому энтузиасты нового плана говорят сегодня о создании огромной сети таких летающих ветряков, пусковые установки которых будут собраны на определенных участках той или иной страны - нечто вроде проекта «Дезертек», предлагающего покрыть Сахару сплошными солнечными зеркалами.

В отличие от «Дезертека», в данном случае возникает, однако, сложный вопрос о воздушном пространстве. Каждая летающая турбина требует своей нити, а поскольку эта турбина не стоит на одном месте, а под воздействием ветра и нити описывает определенные траектории в небе, ей нужен также свой «воздушный коридор» - этакий колодец, на дне которого находится ее пусковая установка, а «стены» заданы границами беспрепятственного перемещения этой турбины под действием ветра. Но ведь в воздухе сегодня летают самолеты: частные - на малой высоте, военные, грузовые и пассажирские - на большой, и каждому из них требуется свой воздушный коридор. Система этих коридоров устанавливается в национальном и международном масштабе, и наличие множества «нитей» и самих летающих турбин может создать огромную опасность. В силу этого развитие сети летающих турбин требует сложных диспетчерских расчетов и системы международных соглашений. Поэтому НАСА предполагает провести свои конкурсные испытания уже существующих проектов летающих турбин и проверку проектов их дальнейшего совершенствования в одном единственном месте - на побережье Калифорнии (с тем, чтобы нити проходили над морем) и не выше 600 метров, чтобы не мешать рейсам обычной авиации.

И все же, несмотря на все эти трудности, можно сказать, что план добычи энергии из воздуха начинает обретать реальные очертания. Свой и, возможно, весьма существенный со временем вклад в освобождение мира от нефтяной удавки и опасности глобального потепления летающие ветряки будущего, наверное, внесут.