Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
5.7. Классификация ветродвигателей по принципу работы Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса. Первый класс ветродвигателей это ветродвигатели, у которых ось вращения горизонтальна и параллельна потоку ветра. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми (рис. 5.6).  а б в Рис. 5.6. Крыльчатые ветродвигатели: а – двухлопастной, б – трехлопастной, в – многолапостной Крыльчатые ветродвигатели характеризуются коэффициентом быстроходности, который равен отношению окружной скорости конца лопасти u к скорости ветра  ,где – угловая частота вращения ветроколеса, R – радиус ветроколеса. В зависимости от быстроходности крыльчатые ветродвигатели разделяются на тихоходные (Z< 3) и быстроходные (Z ≥ 3). Быстроходные ветродвигатели малолопастные (с числом лопастей до 4, (рис. 5.6, а, б)), а тихоходные – многолопастные (с числом лопастей от 4 до 24 (рис. 5.6, в)). Чем меньше лопастей, тем при прочих равных условиях ветроколесо имеет большее число оборотов. Для лучших быстроходных двигателей коэффициент использования энергии ветрового потока 0,42–0,46, а для тихоходных – 0,27–0,33. С другой стороны тихоходные ветродвигатели имеют рабочий момент в несколько раз больший, чем у быстроходных, что позволяет им эффективно работать при более низких скоростях ветра. Второй класс ветродвигателей это ветродвигатели с вертикальной осью вращения ветрового колеса (рис. 5.7). По конструктивной схеме они разбиваются на группы: − роторные ветродвигатели системы Савониуса (рис. 5.7, а); – карусельные, у которых подвижные нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра (рис. 5.7, б, в).  а б в Рис. 5.7. Ветроколесы с вертикальной осью вращения: а – Савониуса, б, в – карусельные Третий класс ветродвигателей это барабанные ветродвигатели, у которых ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра (рис. 5.8). Они работают по принципу водяного мельничного колеса: когда лопасть находится на верху барабана она воспринимает лобовую силу воздействия ветра, а когда лопасть находится внизу она прижимается к барабану и не воспринимает лобовую силу ветра. С  ущественное преимущество вертикальноосевых установок то, что они не нуждаются в механизме поворота в направлении ветра и в сложной конструкции ротора. Другое их преимущество заключается в том, что такие основные компоненты, как редуктор и генератор, располагаются в близи земли и легко доступны. Таким образом, не требуется дорогостоящих мачтовых конструкций и значительно облегчаются техническое, эксплутационное обслуживание и ремонт, что ведет к снижению эксплуатационных расходов.Основные недостатки вертикальноосевых установок и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра, а именно: 1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочерёдно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 30%. 2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра. 3. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесённый к единице установленной мощности ветродвигателя. У роторных ветродвигателей системы Савониуса максимальные коэффициент использования энергии ветра 25%, у карусельных 30%, у барабанных 18%. Крыльчатые ветродвигатели свободны от перечисленных выше недостатков карусельных и барабанных ветродвигателей. Хорошие аэродинамические качества крыльчатых ветродвигателей, конструктивная возможность изготовлять их на большую мощность, относительно лёгкий вес на единицу мощности – основные преимущества ветродвигателей этого класса. Коммерческое применение крыльчатых ветродвигателей началось с 1980 года. За последние 14 лет мощность ветродвигателей увеличилась в 100 раз: от 20–60 кВт при диаметре ротора около 20 м в начале 1980 годов до 5000 кВт при диаметре ротора свыше 100 м к 2003 году. Некоторые прототипы ветродвигателей имеют еще большие мощность и диаметр ротора. За тот же период стоимость генерируемой ветряками энергии снизилась на 80%. 5.8. Причины недостаточной эффективности работы ветроустановок и способы ее повышения Основная причина недостаточного использования ветровой энергии состоит в особенностях работы лопастных (самых распространенных) ветроустановок. Плоская форма лопасти достаточно эффективна только в ограниченном диапазоне скоростей ветра – около 5–25 м/с. При скоростях более 25 м/с лопасти могут разрушаться из-за больших растягивающих напряжений и должны останавливаться путем поворота лопасти в безопасное флюгерное положение. Это практически полностью исключает возможность работы ветровой установки в штормовых условиях. При скоростях менее 5 м/с подъемная сила лопасти и соответственно крутящий момент ветрового колеса малы, вследствие чего ветровое колесо останавливается и трудно запускается вновь. Следовательно, учитывая периодичность и низкую среднегодовую скорость ветра использование лопастных ветроустановок в РБ малоэффективно. К отмеченному следует добавить также экологическую и эксплутационную опасность лопастных ветроустановок, связанную с довольно высокой скоростью вращения концов лопастей ветроколеса (в 4–6 раз выше скорости ветра), что может приводить к разрушению лопастей и гибели птиц. Все это создает необходимость разработки новых типов ветродвигателей, в которых такие недостатки отсутствуют. Существуют следующие способы повышения эффективности работы ветроустановок: увеличение скорости ветра за счет удаления ветроколеса от земной поверхности, увеличение диаметра ветроколеса, применение концентраторов (диффузоров или конфузоров) воздушного потока, использование генераторов вихревых потоков, использование многоступенчатых генераторов, обеспечивающих переменную выработку мощности в зависимости от скорости ветра, применение установок использующих эффект Магнуса. Поднятие ветроколеса малоэффективно, так как скорость увеличивается с высотой незначительно, при этом повышаются требования к надежности опоры. Увеличение диаметра ветроколеса так же ограничено прочностными характеристиками и обычно не превышает 30–40 м (имеется несколько ветроустановок с диаметром ветроколеса 60–80 м). Использование диффузоров и конфузоров для ветроэлектрических установок пока считается экономически невыгодным. Использование вихревых потоков дает увеличение скорости действующего на ветроколесо потока в несколько раз, при этом достигается увеличение мощности в 100 и более раз. Это позволит использовать ветроэлектрические установки с низкими среднегодовыми скоростями ветра, что особенно интересно для РБ. Однако стоимость ветроустановки при этом значительно возрастает. 5.9. Эффект Магнуса Если цилиндр привести во вращение вокруг своей оси, то из-за сил трения и вязкости воздуха через некоторое вблизи поверхности цилиндра молекулы воздуха начнут вращаться со скоростью поверхности цилиндра u. Если на вращающийся круглый цилиндр набегает поток воздуха со скоростью в направлении, перпендикулярном к оси цилиндра (рис. 5.9), то вокруг него возникает циркуляция  . При этом возникает избыточное давление воздуха на поверхности цилиндра, обусловленная взаимодействием двух потоков, которое определяется из уравнения Бернулли: . Рис. 5.9. Эффект Магнуса Циркуляция вокруг цилиндра создает силу, действующую на цилиндр в направлении, перпендикулярном к направлению потока, и называемую поперечной силой. Значение этой силы определяется путем интегрирования проекции удельной силы давления на вертикальную ось по контуру:  .Направлена поперечная сила всегда к той стороне вращающегося тела, на которой направление вращения и направление потока совпадают. Это явление называется эффектом Магнуса, по имени ученого, впервые открывшего его в 1852 г. До изобретения нарезных артиллерийских орудий часто случалось, что шаровые снаряды после вылета из ствола значительно отклонялись в сторону от той траектории, по которой они должны были бы лететь. Магнус показал, что причиной такого поведения снаряда служило вращение вокруг поперечной оси, которое шаровой снаряд получал вследствие случайных причин. На основании сказанного выше это создавало условия, необходимые для возникновения поперечной силы, которая и вызывала нежелательное отклонение снаряда от намеченной траектории. Такие же боковые отклонения, часто очень значительные, наблюдаются и при полете «крученного» мяча при игре в теннис. Позднее в Италии были построены суда, которые перемещались от действия ветра на вращающиеся цилиндры. Испытания показали техническую пригодность такого роторного корабля, но в экономическом отношении он оказался менее выгодным обычных моторных судов и поэтому не получил дальнейшего применения. Схема роторной ветроустановки на основе эффекта Магнуса представлена на рис. 5.10.  Рис. 5.10. Роторная установка на основе эффекта Магнуса На концах цилиндров 1 помещаются выступающие круглые диски, так как иначе воздух, проходящий за торцами цилиндра, засасывается в область потока с пониженным давлением и, возмущая поток, уменьшает поперечную силу. Затраты энергии на вращение цилиндров составляют 5–15% мощности ветроустановки. На рисунке 5.11. представлены зависимости коэффициентов использования мощности ветрового потока для трехлопастной 1 и роторной 2 ветроустановок, повторяемости скоростей ветра для РБ 3 от скорости ветра. Видно, что для наиболее характерных скоростей ветра для РБ (3–5 м/с) коэффициент использования мощности ветрового потока для роторных ветроустановок максимален (0,2 – 0,25) и больше чем у лопастной ветроустановки. Максимальный коэффициент использования мощности ветрового потока лопастной ветроустановки (0,38 – 0,42) соответствует скоростям ветра 6 – 9 м/c редко наблюдаемым на территории РБ.  Рис. 5.11. Зависимости коэффициентов использования мощности ветрового потока для трехлопастной 1 и роторной 2 ветроустановок, повторяемости скоростей ветра для РБ 3 от скорости ветра Однако из-за несовершенства качества выполнения конструкции современные роторные установки имеют достаточно низкий коэффициент механических потерь (60–80%), что снижает их итоговую эффективность и они пока не имеют широкого распространения на территории РБ. Перспективным направлением считается совмещение лопастной и роторной ветроустановок, когда на одном махе установлен и ротор и лопасть. Это позволит увеличить величину крутящего момента, снизить частоту вращения ротора и расширить рабочий диапазон скорости ветра – от 2 до 40 м/c. 5.10. Целесообразность использования энергии ветра в РБ Учитывая географические и климатические особенности, ветроэнергетику в Беларуси согласно классификации работы можно отнести к частично перспективному направлению. В соответствии с этой классификацией регионы республики с постоянной удельной мощностью ветрового потока выше 150 Вт/м2, которые перспективны для ветроэнергетики, составляют небольшую долю от общей площади. Страна не обладает высоким потенциалом по скоростям ветра, которого было бы достаточно для строительства мощных ветроэлектростанций (ВЭС). Хотя такие возможности не исключаются в перспективе с использованием ВЭУ нового поколения. В республике ветроэнергетика может быть перспективной с номинальной мощностью ветроагрегатов до 50 кВт для автономных потребителей в сельской местности, удаленных от основных энергоисточников. Такие ВЭУ могут быть использованы по всей территории Беларуси со среднегодовой скоростью ветра ниже 4,5 м/с. Для эффективного использования агрегата его тип и характеристики необходимо выбирать, учитывая ветровые, гидрологические и хозяйственные условия зоны. Если, например, в районе с сильными ветрами установить ветроагрегат с тихоходным двигателем (многолопастной), то он может выйти из строя вследствие больших аэродинамических нагрузок на ветроколесо. С другой стороны, использование быстроходных (малолопастных) агрегатов без пусковых устройств в зонах с малой среднегодовой скоростью ветра (меньше 3,5 м/с) может привести к снижению выработки. В связи с периодичностью и непостоянством ветровых потоков может быть реализовано несколько режимов работы ВЭУ. Наибольший интерес представляют ветроэлектрические станции, которые могут быть подключены к электрической сети, что обеспечивает стабильность энергоснабжения. В случае выработки излишней энергии она передается в сеть, а при ее недостатке она заимствуется из электрической сети. Автономные ВЭС могут быть снабжены резервными дизельгенераторами и аккумуляторами. В последнем случае отпадает необходимость в поддержании нормированной частоты электрического тока. Все эти меры позволяют обеспечить бесперебойное электроснабжение потребителей и рационально использовать генерируемую энергию ВЭС. Области и цели эффективного применения ветроустановок: выработка электроэнергии – для локальных объектов (лесной кордон, пост ГАИ, контролирующие и т.д.), для освещения участков дорог; выработка механической энергии – водоподъем на пастбищах, аэрация воды на рыбоводных прудах, озонирование и ионизация зерно- и овощехранилищ, привод стационарных сельскохозяйственных машин (мельниц, сепараторов и др.); выработка тепловой энергии – отопление и горячее водоснабжение небольших объектов (бытовки, теплица, сушилка и др.). Широкое применение находят ветронасосные установки. Вода в основном используется для полива и водоснабжения скотных дворов. Энергозатраты в сельском хозяйстве на водоподъем и орошение составляют не менее 10% от общего потребления энергии. Для подъема воды лучше использовать поршневые насосы, так как привод от ветронасосной установки обеспечивает низкую частоту вращения. Ветронасосные установки при благоприятных ветровых условиях не только обеспечивают текущие потребности потребителей, но и накапливают воду для ее использовании в случаях снижения мощности или прекращения работы ветронасосной установки. Ветровая энергия может непосредственно быть преобразована в тепло. Эффективность превращения механической энергии ветра в тепло в процессе ее диссипации составляет 100%. Однако турбулизирующие ветроустановки для получения тепла непосредственно путем преобразования механической работы на самой установке создают повышенный шум. Выгодней для этих целей использовать теплонасосные установки. Сдерживающим фактором внедрения ветровых установок является более высокая себестоимость вырабатываемой энергии по сравнению с традиционными способами. Постепенно эта разница сокращается. 6. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Под геотермикой (от греческих слов «гео» – земля и «термо» – тепло) понимается наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и целого ряда других факторов. Геотермальная теплота представляет собой самый крупный постоянный во времени (ее мощность не зависит от суточных, годовых и других периодов) и относительно равномерно распределенный по поверхности Земли источник энергии, которым располагает человечество. Причем это энергия в чистом виде, т. к. она уже существует как теплота, и поэтому для ее получения не требуется сжигать топливо или создавать реакторы. Геотермальные месторождения подразделяются на три типа: месторождения сухого пара, месторождения горячей воды, месторождения нагретых пород. К сожалению, на Земле редко встречаются выходы природного пара или перегретых вод, вскипающих в атмосфере с достаточным образованием пара. Гораздо более распространенными являются естественные подземные бассейны термальных вод с температурами, меньше температуры кипения. В настоящее время термальные воды с экономической выгодой применяют для обогрева домов, теплиц, курортов, а иногда целых заводов, рудников и даже городов. Также люди пользовались теплыми источниками для медицинских и бытовых целей. Энергией тепла грунта человечество стало пользоваться очень давно, раньше, чем другими видами возобновляемых источников энергии. С древних времен люди рыли, землянки, погреба и ямы для хранения овощей и фруктов. На практическом опыте была получена информация о наличии источника тепла внутри Земли. К сожалению, пока не существует даже демонстрационных установок, извлекающих энергию из сухих пород. Однако запасы тепла грунта столь обширны и доступны, что, в конце концов, привлекут к себе внимание энергетиков. Республика Беларусь не обладает месторождениями сухого пара и перегретой горячей воды. Однако, имеются небольшие запасы низкопотенциальных источников минерализованной воды в Припятской впадине и обширные запасы теплых грунтов (1% этих запасов до глубины 6 км обеспечит все потребности республики в энергии). |