Реферат по Физике Энергия движения воды и ветра
 Скачать 82.5 Kb.
|
|
Государственное общеобразовательное Учреждение Центр Образования №633 Калининского района г.Санкт-Петербург Реферат по Физике «Энергия движения воды и ветра» Выполнила Бойцова Полина 7 "а" Страница 1 Содержание: История использования энергии ветра Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра Использование энергии ветра Ветроэнергетика в России Страница 2 История использования энергии ветра мельница со станиной Ветряные мельницы в Ла манче, испанияветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в 13-м веке принесены в Европу крестоносцами. «мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI в. единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле» Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что её приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и её производительность. Усовершенствованные мельницы получили название шатровых. в XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо - 1526 г., Глочестер - 1542 г., Лондон - 1582 г., Париж - 1608 г., и др. Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. Отвоёванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей. Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в 19-м веке в Дании. Там в 1890-м году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 метра и четырёхлопастные роторы диаметром 2В метра, предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 метров, к 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,2 5 МВт. В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра. Страница 3 Современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью, например, турбины мощностью В МВт (V90) производства датской фирмы vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров. Воздушные потоки у поверхности Земли/моря являются ламинарными - нижележащие слои тормозят расположенные выше. Этот эффект заметен до высоты 1 км, но резко снижается уже на высотах больше 100 метров. Высота расположения генератора выше этого пограничного слоя одновременно позволяет увеличить диаметр лопастей и освобождает площади на земле для другой деятельности. Современные генераторы (2010 год) уже вышли на этот рубеж, и их количество резко растёт в мире. Ветрогенератор начинает производить ток при ветре 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при ветре 15 м/с. Отдаваемая мощность пропорциональна третьей степени скорости ветра: при увеличении ветра вдвое, от 5 м/с до 10 м/с, мощность увеличивается в восемь раз. Мощности ветрогенераторов и их размеры Параметр 1 МВт 2 МВт 2,3 МВт Высота мачты 50 м - 60 м 80 м 80 м Длина лопасти 26 м 37 м 40 м Диаметр ротора 54 м 76 м 82,4 м вес ротора на оси 25 т 52 т 52 т Полный вес машинного отделения 40 т 82 т 82,5 т Источник: Параметры действующих ветрогенераторов. Пори, Финляндия в августе 2002 года компания Епегсоп построила прототип ветрогенератора Е-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 года турбина оставалась крупнейшей в мире, в декабре 2004 года германская компания REpower Systems построила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины 126 метров, масса гондолы - 200 тонн, высота башни - 120 м. В конце 2005 года Епегсоп увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт. Диаметр ротора составил 114 метров, высота башни 124 метра. Компания Clipper Windpower разрабатывает ветрогенератор мощностью 10,0 МВт для офшорного применения, в 2009 году турбины класса 1,5 -2,5 МВт занимали 82 % в мировой ветроэнегетике. Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где ещё встречаются и двухлопастные. Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т.н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше. Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть еще несколько существенных преимуществ: они практически бесшумны, и не требуют совершенно никакого обслуживания, при сроке службы более 20 лет. Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантируют стабильную работу даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с. Страница 4 Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны, но стоимость инвестиций по сравнению с сушей выше в 1,5 - 2 раза, в море, на расстоянии 10-12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Могут использоваться и другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания, первый прототип плавающей ветряной турбины построен компанией Н Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров. июня 2009 года компании Siemens AG и норвежская Statoil объявили установке первой в мире коммерческой плавающей ветроэнергетической турбины мощностью 2,3 МВт, производства Siemens Renewable Energy. Страница 5 Использование энергии ветра В 2010 году суммарные мощности ветряной энергетики выросли во всём мире до 196,6 ГВт. Во всём мире в 2008 году в индустрии ветроэнергетики были заняты более 400 тысяч человек. В 2008 году мировой рынок оборудования для ветроэнергетики вырос до 36,5 миллиардов евро, или около 46,8 миллиардов американских долларов[16][17]. В 2010 году в Европе было сконцентрировано 44 % установленных ветряных электростанций, в Азии - 31 %, в Северной Америке - 22 % В 2007 году ветряные электростанции Германии произвели 6,2 % от всей произведённой в Германии электроэнергии[20]. В 2009 году 19,3 % электроэнергии в Дании вырабатывалось из энергии ветра [21]. В 2009 году в Китае ветряные электростанции вырабатывали около 1,3 % суммарной выработки электроэнергии в стране. В КНР с 2006 года действует закон о возобновляемых источниках энергии. Предполагается, что к 2020 году мощности ветроэнергетики достигнут 80-100 ГВт. [22] Португалия и Испания в некоторые дни 2007 года из энергии ветра выработали около 20 % электроэнергии [23]. 22 марта 2008 года в Испании из энергии ветра было выработано 40,8 % всей электроэнергии страны [24]. Страница 6 Ветроэнергетика в России В середине 1920-х годов ЦАГИ разрабатывал ветро-электрические станции и ветряки для сельского хозяйства. Конструкция «крестьянского ветряка» могла быть изготовлена на месте из доступных материалов. Его мощность варьировалась от 3 л.е., 8 л.с. до 45 л.с. Такая установка могла освещать 150-200 дворов или приводить в действие мельницу. Для постоянства работы был предусмотрен гидравлический аккумулятор. Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд кВт-ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт-ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России. Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, черного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале. Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период - период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % - в Северном экономическом районе, около 16 % - в Западной и восточной Сибири. Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17-18 МВт. Самая крупная ветроэлектростанция России (5,1 МВт) расположена в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Зеленоградская ВЭУ состоит из 21 установки датской компании SEAS Energi Service A.S. На Чукотке действует Анадырская ВЭС мощностью 2,5 МВт (10 ветроагрегатов по 2 50 кВт) среднегодовой выработкой более 3 млн кВт-ч, параллельно станции установлен ДВС, вырабатывающий 30 % энергии установки. в Республике Башкортостан действует ВЭС Тюпкильды мощностью 2,2 МВт, располагающаяся около одноимённой деревни Туймазинского района[26]. ВЭС состоит из четырёх ветроагрегатов немецкой фирмы Hanseatische AG типа ET 550/41 мощностью по 550 кВт. Годовая выработка электроэнергии в 2008-2010 гг. не превышала 0,4 млн кВт■ч. в Калмыкии в 20 км от Элисты размещена площадка Калмыцкой ВЭС планировавшейся мощностью в 22 МВт и годовой выработкой 53 млн кВт-ч, на 2006 год на площадке установлена одна установка «Радуга» мощностью 1 МВт и выработкой от 3 до 5 млн кВт-ч. в Республике Коми вблизи Воркуты недостроена Заполярная ВДЭС мощностью 3 МВт. На 2006 действуют б установок по 2 50 кВт общей мощностью 1,5 МВт. Страница 7 На острове Беринга Командорских островов действует ВЭС мощностью 1,2 МВт. Успешным примером реализации возможностей ветряных установок в сложных климатических условиях является ветродизельная электростанция на мысе Сеть-Наволок Кольского полуострова мощностью до 0,1 МВт. В 17 километрах от неё в 2009 году начато обследование параметров будущей ВЭС работающей в комплексе с Кислогубской ПЭС. Существуют проекты на разных стадиях проработки Ленинградской ВЭС 75 МВт Ленинградская область, Ейской ВЭС 72 МВт Краснодарский край, Калининградской морской ВЭС 50 МВт, морской ВЭС 30 МВт Карелия, Приморской ВЭС 30 МВт Приморский край, магаданской ВЭС 30 МВт Магаданская область, Чуйской ВЭС 24 МВт Республика Алтай, Усть-Камчатской ВДЭС 16 МВт Камчатская область, Новиковской ВДЭС 10 МВт Республика коми, дагестанской ВЭС б МВт Дагестан, Анапской ВЭС 5 МВт Краснодарский край, Новороссийской ВЭС 5 МВт Краснодарский край и Валаамской ВЭС 4 МВт Карелия. Ветряной насос «Ромашка» производства СССРКак пример реализации потенциала территорий Азовского моря можно указать Новоазовскую ВЭС, действующей на 2010 год мощностью в 21,8 МВт, установленную на украинском побережье таганрогского залива. В 2003-2005 годах в рамках РАО ЕЭС проведены эксперименты по созданию комплексов на базе ветрогенераторов и двигателей внутреннего сгорания, по программе в посёлке Тикси установлен один агрегат. Все проекты начатые в РАО, связанные с ветроэнергетикой переданы компании РусГидро. В конце 2008 года РусГидро начала поиск перспективных площадок для строительства ветряных электростанций. Предпринимались попытки серийного выпуска ветроэнергетических установок для индивидуальных потребителей, например водоподъёмный агрегат «Ромашка». В последние годы увеличение мощностей происходит в основном за счет маломощных индивидуальных энергосистем, объем реализации которых составляет 250 ветроэнергетических установок (мощностью от 1 кВт до 5 кВт). Страница 8 Энергия ветра и воды Ветряная мельница и водяное колесо - древнейшие двигатели, водяные колеса использовались в Древнем Риме в 70-е гг. до н.э. для помола зерна, а ветряные мельницы впервые появились в Персии в 644 г. н. э. Современное водяное колесо в виде гидротурбин для привода электрогенераторов сейчас широко используется, а ветряные двигатели только возрождаются. От водяного колеса до турбины Водяное колесо или турбина преобразуют энергию потока воды во вращательное движение. Первые водяные колеса были подливными, т. е. нижняя половина колеса просто погружалась в поток. Кпд таких колес составлял только 30%. Наливные колеса, в которых поток воды натекает на верхнюю часть колеса, имеют кпд 70-90%, что близко к кпд современных турбин. Во второй половине XIX в. водяные колеса сменились турбинами. Турбины бывают: активные, реактивные и осевые, для активных турбин требуется высокий напор воды, падающая вода направляется в сопло и истекает из него в виде высокоскоростной струи, с силой ударяющей в «ковши» на внешней стороне колеса. Реактивная турбина работает по принципу сегнерова колеса, которое вращается за счет реакции вытекающей струи; осевая турбина имеет рабочее колесо с поворотными лопастями, расположенное внутри трубы большого диаметра. Гидроэлектрические схемы и энергия приливов Большая часть гидротурбин приводится в действие энергией воды перекрытых плотинами рек, протекающих по гористой местности. Турбины вращают генераторы электрического тока, в гористых странах гидроэлектростанции производят дешевую энергию, не загрязняя окружающую среду, в США четвертая часть электрической энергии производится гидроэлектростанциями, тогда как в Великобритании гидроэлектростанции производят существенное количество электроэнергии только на севере Шотландии. Значительные ресурсы гидроэнергии остаются неиспользованными: например, р. Фрейзер в Канаде может давать 8700 МВт, а р. Брахмапутра в Индии - 20 000 МВт. Система pp. Енисей - Ангара в СССР в настоящее время вырабатывает 11 000 МВт, а неиспользованные ресурсы этой системы составляют 5В 000 МВт. Гидротурбины могут также работать при малом напоре воды, создаваемом приливом. Единственная промышленная приливная станция работает в устье р. Ране на севере Франции. Перепад уровней, создаваемый приливом, колеблется очень широко: от 2 см на Таити до 15 м в заливе Фёнди на востоке Канады. Если перепад уровней приближается к верхнему пределу, то строительство приливной гидроэлектростанции целесообразно. необходимо как-то увязывать время приливов и пики нагрузки, иначе приливные электростанции будут достигать полной мощности в полночь, когда электрическая нагрузка минимальна. Чтобы избежать этого, можно разделить водохранилище станции на два: верхнее водохранилище, которое наполняется от среднего до высокого уровня Страница 9 прилива, и нижнее водохранилище, которое опорожняется от среднего до нижнего уровня прилива. Такая схема позволяет непрерывно поддерживать разность уровней. Другой путь состоит в использовании верхнего водохранилища в качестве резервной питающей системы, в этом случае, когда потребление энергии уменьшается, электроэнергия, производимая обычными электростанциями, затрачивается на перекачивание воды из нижнего водохранилища в верхнее. Когда же потребление электроэнергии возрастает, вода перепускается из верхнего водохранилища в нижнее и электроэнергия вырабатывается, как в обычной гидроэлектростанции, в такой схеме помимо генерирования электроэнергии производится ее накопление в больших количествах. Использование энергии ветра Использование ветра для производства электроэнергии пока малоэффективно. Несмотря на огромные ресурсы такой энергии (Великобритания смогла бы удовлетворить большую часть потребности в электроэнергии только за счет части своих ветроэнергетических ресурсов), проблема экономичного ее использования еще не решена. Энергия, поступающая на ветряные мельницы, пропорциональна кубу скорости ветра и площади, ометаемой крыльями мельницы. Предельный кпд составляет 59%, на практике же он достигает лишь 45%. Подсчитано, что производство электроэнергии с использованием энергии ветра может конкурировать с ядерной энергией только в том случае, если средняя скорость ветра будет выше 32 км/ч. Но на Земле немного мест с такими ветрами (на Британских островах их около 30), поэтому, преобразуя энергию ветра, можно удовлетворить не более 1% потребности в электрической энергии. В этой связи предпочтительнее, как показывает практика, использовать энергию морских волн, образуемых ветром. Ветры, дующие на пространствах океана, вызывают волны, обладающие большим запасом энергии. Волны могут служить источником энергии. Перспективная конструкция с поплавками разработана С. Солтером в Эдинбургском университете. Поплавки, двигаясь вверх-вниз при прохождении волны, приводят в движение насосы, которые нагнетают воду, а та поступает в турбину, вырабатывающую электроэнергию. Количество энергии волн огромно. В Великобритании мощность, приходящаяся на 1м побережья, составляет 80 кВт, а в сумме по всему побережью 120000 МВт - втрое больше максимальной потребности в электроэнергии в этой стране в 1975 г. Ресурс энергии выше зимой, когда потребность в энергии максимальна. Но создание и эксплуатация таких станций чрезвычайно сложны. Страница 10 Ветроэнергетика - отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими. Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием деятельности солнца, ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,6 гигаватт. в том же году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии), некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2009 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 20 % всего электричества, в Португалии - 16 %, в Ирландии - 14 %,, в Испании - 13 % и в Германии - 8 %.В мае 2009 года 80 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе. Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики, в частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Для решения подобных проблем используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии Страница 11 |