Иванов С.Е. ЭЭМ-20-2. Реферат. Ветроэнергетика. Ветроэнергетика
 Скачать 453.38 Kb.
|
|
НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО КАРАГАНДИНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра ЭС Реферат Дисциплина: Научно-технические проблемы возобновляемой энергетики Тема: Ветроэнергетика Выполнил: Студент группы ЭЭМ - 20-2 Иванов Степан Проверил: к.т.н. Таранов А.В. Караганда 2020 СодержаниеВведение 3 Сегодня как никогда актуальны вопросы экологии. Наиболее основными являются: сохранение многообразия животного мира, рациональное использование природных ресурсов, снижение загрязнения биосферы. Постепенно человек начал решать эти вопросы, так как бездействие в области экологии губительно для самого человечества. Достаточно много мер было принято человеком для минимизации использования исчерпаемых природных ресурсов (к ним относятся нефть и газ, уголь). В целях экономии таких ресурсов начали использовать альтернативные источники энергии. 3 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. 3 1 Энергия ветра 4 2История развития ветроэнергетики 4 3 Ветряные электростанции преимущества и недостатки 6 4 Ветроэлектростанция. Как это работает? 6 5 Типы ветродвигателей 9 6 Новые конструкции и технические решения 10 7 Ветроэнергетика в Казахстане 11 Заключение 14 Список использованных источников 15 Введение Сегодня как никогда актуальны вопросы экологии. Наиболее основными являются: сохранение многообразия животного мира, рациональное использование природных ресурсов, снижение загрязнения биосферы. Постепенно человек начал решать эти вопросы, так как бездействие в области экологии губительно для самого человечества. Достаточно много мер было принято человеком для минимизации использования исчерпаемых природных ресурсов (к ним относятся нефть и газ, уголь). В целях экономии таких ресурсов начали использовать альтернативные источники энергии. Так как энергия ветра на земле неисчерпаема. Как показала практика и опыт многих стран, использование энергии ветра крайне выгодно, поскольку, во- первых, стоимость ветра равна нулю, а во-вторых, электроэнергия получается из энергии ветра, а не за счет сжигания углеродного топлива, продукты горения которого известны своим опасным воздействием на человека. 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. Изучение и развитие этой области необходимо. 1 Энергия ветра Энергия ветра на земле неисчерпаема. Как показала практика и опыт многих стран, использование энергии ветра крайне выгодно, поскольку, во- первых, стоимость ветра равна нулю, а во-вторых, электроэнергия получается из энергии ветра, а не за счет сжигания углеродного топлива, продукты горения которого известны своим опасным воздействием на человека. В связи с постоянными выбросами промышленных газов в атмосферу и другими факторами возрастает контраст температур на земной поверхности. Это является одним из основных факторов, который приводит к увеличению ветровой активности во многих регионах нашей планеты и, соответственно, актуальности строительства ветростанций. Удаленные районы, недостаточно обеспеченные электроэнергией, практически не имеют другой, экономически выгодной альтернативы, как строительство ветроэлектростанций. Ветер обладает кинетической энергией, которая может быть превращена ветромеханическим устройством в механическую, а затем электрогенератором в электрическую энергию. Энергия ветра пропорциональна кубу скорости ветра:  (1)где d - плотность воздуха, A - площадь, через которую проходит воздух, t - период времени, S - скорость ветра. Мощность (P) пропорциональна энергии ветра, проходящей через поверхность («ометаемая поверхность») в единицу времени:  (1)где d - плотность воздуха, A - площадь, через которую проходит воздух, S - скорость ветра. История развития ветроэнергетики Впервые энергия ветра была использована, по - видимому, для передвижения парусных судов, а позднее-также для подъема воды и размола зерна. Первые ветряные двигатели, по предположению - с вертикальной осью вращения, были построены более 2 тыс. лет назад. Вавилоняне еще до нашей эры использовали их для осушения болот, в Египте, на Ближнем Востоке, в Персии строили ветряные водоподъемники и мельницы. До настоящего времени в некоторых странах бассейна Средиземного моря можно встретить ветряные мельницы с крыльями, имеющими поперечные паруса. В Европе, вначале во Франции, ветряные мельницы появились в ХII в. Ф. Энгельс писал, что «ветряная мельница была изобретена около 1000 г.». В Англии работали мельницы, однотипные по принципу действия с французскими. В Германии первая мельница была построена в 1393 г. Из Германии они распространились в другие страны. В ХIV столетии голландцы широко использовали ветряные мельницы для осушения болот и озер. В начале ХVII в. большая часть территории осушалась с помощью ветроустановок мощностью до 30 - 35 кВт. В этот же период появились усовершенствованные конструкции мельниц и новые ветряные двигатели, которые использовали для привода машин бумагоделательных фабрик, лесопилок и других устройств. В 30-х годах ХVIII в. в Голландии работали 1200 ветроустановок, которые предохраняли 2/3 страны от обратного превращения в болота. Первое изложение теории ветродвигателя относят к началу ХVIII в. В более систематизированном виде она появилась в конце ХIХ в. в Америке и Европе. К середине прошлого столетия в США эксплуатировалось почти 6 млн. маломощных ветродвигателей для подъема воды, выработки электроэнергии и выполнения других простых работ. Более 150 тыс. установок насчитывается в США и сегодня. По неполным данным ЮНЕСКО, в 1960г. в мире насчитывается более 1 млн ВЭС различных типов и назначение, в том числе более полумиллиона быстроходных ветроэлектрических агрегатов. Большинство ветродвигателей использовалось в системах сельскохозяйственного водоснабжения, для зарядки аккумуляторных батарей и питания энергией небольших объектов, на линиях радиорелейной связи и для других целей в районах с благоприятным ветровым режимом, удаленных от источников централизованного энергоснабжения, В 1968 г. только в Австралии эксплуатировалось почти 250 тыс. ветроустановок. В годы так называемого «энергетического кризиса» (начало 70-хгодов), вызванного увеличением во всем мире потребления энергии, постепенным сокращением запасов традиционных энергоресурсов и ростом цен на жидкое топливо, во многих странах резко расширились работы по использованию возобновляющихся источников энергии, в первую очередь Солнца, ветра, теплоты недр Земли и др. В соответствии с национальными энергетическими программами созданы новые более эффективные ветроустановки и станции с единичной мощностью до 2-3 Мвт, ведутся разработка новых конструкций и поиск экономичных технологий преобразования энергии ветра в электрическую, химическую энергию и теплоту. По существу ставится и решается проблема технического перевооружения этого направления энергетики на основе широкого использования результатов фундаментальных и прикладных исследований, внедрения достижений НТР.[1] Ветряные электростанции преимущества и недостатки Преимущества: - Ветряные электростанции не загрязняют окружающую среду вредными выбросами. - Ветровая энергия, при определенных условиях может конкурировать с невозобновляемыми энергоисточниками. - Источник энергии ветра — природа — неисчерпаема. Недостатки: - Ветер от природы нестабилен, с усилениями и ослаблениями. Это затрудняет использование ветровой энергии. Поиск технических решений, которые позволили бы компенсировать этот недостаток — главная задача при создании ветряных электростанций. - Качественные ветрогенераторы очень дороги и практически неокупаемы. - Ветряные электростанции создают вредные для человека шумы в различных звуковых спектрах. Обычно ветряные установки строятся на таком расстоянии от жилых зданий, чтобы шум не превышал 35-45 децибел. - Ветряные электростанции создают помехи телевидению и различным системам связи. Применение ветряных установок — в Европе их более 26 000, позволяет считать, что это явление не имеет определяющего значения в развитии альтернативной электроэнергетики. - Ветряные электростанции причиняют вред птицам, если размещаются на путях миграции и гнездования. [2] Ветроэлектростанция. Как это работает? Все ветроэлектростанции работают по одному принципу (рисунок 1): Ветроколесо (ротор), преобразует энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна. Для автономных систем с выпрямителем и инвертором - обычно переменная; Мультипликатор - промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются; Башня (ее иногда укрепляют стальными растяжками), на которой установлено ветроколесо. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 80 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни; Основание (фундамент) предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре. Кроме того, для защиты от поломок при сильных порывах ветра и ураганах почти все ВЭУ большой мощности автоматически останавливаются, если скорость ветра превышает предельную величину. [3]  Рисунок 1 – Принцип работы турбины В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно представить следующим образом. Сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток. Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора. Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти.  Рисунок 2 – Схема работы ветрогенератор Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором. Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках. Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать.  Рисунок 3 – Принципиальная схема ветрогенератора Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки. Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства дома, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию. При ветре больше 50 км/час тормоза автоматически замедляют вращение ротора. Если скорость движения воздуха доходит до 80 км/час, тормозная система полностью останавливает лопасти. Все части турбины сконструированы так, чтобы максимально использовалась воздушная энергия. Когда ветер дует, лопасти вращаются, и генератор преобразует их движение в электричество. Совершая двойное преобразование энергии, турбина производит электричество из обычного перемещения воздушных масс. Конструкцию некоторых ветрогенераторов имеет ветровой датчик. Он собирает данные о направлении и скорости воздушного потока. Генератор ветряка не может выдать больше номинальной мощности, однако, в любое оборудование заложен запас он может составлять от 10-30% от расчетных. На этот «запас» рассчитывать не стоит, так как программно и конструктивно в ветрогенератор заложена защита от перегрузок. Типы ветродвигателей В настоящее время существует множество различных концептуальных конструкций ветрогенераторов, которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два основных вида. Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной (карусельные, так называемые Н-образные турбины) (рисунок 2).   А Б Рисунок 2 – Типы ветродвигателей А – с горизонтальной, Б –вертикальной осями вращения Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения. В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей: от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения. Основным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер, так как ВЭУ использует ветер, поступающий с любого направления. Кроме того, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. Особенно эффективны такие установки в областях с переменным ветром. Вертикально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра и любых его направлениях без ориентации на ветер, но имеют малый КПД. [4] Новые конструкции и технические решения Поиск новых решений в ветроэнергетике продолжается, и уже есть оригинальные изобретения, например турбопарус (рисунок 3). Ветрогенератор монтируется в виде длинной вертикальной трубы в 100 м высотой, в которой из-за температурного градиента между концами трубы возникает мощный воздушный поток. Сам электрогенератор вместе с турбиной предлагается установить в трубе, в результате чего поток воздуха обеспечит вращение турбины. Специалисты работают над созданием специального устройства для уплотнения ветра – диффузора (рисунок 3) (уплотнителя энергии ветра). За год ветродвигатель этого типа успевает «поймать» в 4-5 раз больше энергии, чем обычный. Высокая скорость вращения ветроколеса достигается с помощью диффузора. В узкой его части воздушный поток особенно стремителен, даже при сравнительно слабом ветре.   А Б Рисунок 3 – Новые конструкции и технические решения А – турбопарус, Б – ветрогенератор с дифузором Как известно, скорость ветра с высотой увеличивается, что создает более благоприятные условия для использования ветрогенераторов (рисунок 4). Воздушные змеи были изобретены в Китае примерно 2 300 лет назад. Идея использования змея для подъема ветрогенератора на высоту постепенно находит реализацию.  Рисунок 4 – Летающий ветрогенератор 7 Ветроэнергетика в Казахстане В условиях высокого роста потребления энергии в Казахстане за счет быстрого роста населения и его социального развития, сфера ветроэнергетики становится крайне актуальной. Ветроэнергетика имеет широкий ряд преимуществ, в том числе, конкурентоспособность данного вида производства энергии, так и большой потенциал Казахстана в его развитии с точки зрения географического положения республики. Республика Казахстан является участником Рамочной конвенции ООН по изменению климата, которую она ратифицировала в 1995 г. В соответствии с Рамочной Конвенцией (РКИК ООН) Казахстан имеет обязательства по выполнению программ, связанных со снижением выбросов в атмосферу «парниковых газов», ответственных за глобальное потепление климата Земли. Одним из путей снижения выбросов парниковых газов является замещение традиционных источников энергии в виде нефти, угля и газа, возобновляемыми источниками энергии, такими как гидро, ветро и солнечная энергии, ресурсами которыми так богат Казахстан. На сегодняшний день в Казахстане имеется ветроэлектростанции представленные в таблице 1. [5] Таблица 1. Ветроэлектростанции Казахстана
Географическое расположение Казахстана является благоприятной для сбора энергии ветра. Наша республика находится в ветровом поясе северного полушария и имеет сильные потоки ветра, преимущественно Юго-Западного и СевероВосточного направления. В ряде регионов наблюдаются сильные перемещения воздуха, среднегодовая скорость которых составляет более 6 м/с. По экспертным оценкам, ветроэнергетический потенциал Казахстана оценивается как 1820 млрд. кВтч электроэнергии в год. Перспективными регионами является центральная часть Казахстана, а также районы на Юге, Юго-Западе и Юго-Востоке. Исследования ветроэнергетического потенциала в ряде мест по территории Казахстана, проведенные в рамках проекта Программы развития по ветроэнергетике (подготовлена в рамках совместного проекта Министерства энергетики и минеральных ресурсов РК и Программы развития ООН «Казахстан – инициатива развития рынка ветроэнергии»), показывают наличие хорошего ветрового климата и условий для строительства ВЭС в Южной зоне (Алматинская, Джамбульская, Южно-казахстанская области), в Западной зоне (Мангистауская и Атырауская области), в Северной зоне (Акмолинская область) и Центральной зоне (Карагандинская область) Наличие свободного пространства позволяют развивать мощности ВЭС до тысяч МВт. Исследования распределения ветроэнергетического потенциала по территории Казахстана должны быть продолжены с целью определения перспективных площадок для строительства ВЭС. Однако, в условиях существующего рынка электроэнергии ветроэнергетические ресурсы Казахстана практически не осваиваются. Основной причиной является неконкурентность ветроэнергетики на рынке электроэнергии. Стоимость электроэнергии от ВЭС с учетом возврата инвестиций может составлять порядка 8-12 тг/кВтч. Стоимость электроэнергии на шинах энергопроизводящих организаций составляет в настоящее время – 2-4,5 тг/кВтч. Прогнозируемая стоимость электроэнергии у энергопроизводящих организаций ближайшие годы может составить: в Южном зоне – 5,5-8,5* тг/кВтч, Западной зоне – 5-6 тг/кВтч, Акмолинской области – 5,5-7,9* тг/кВтч, Карагандинской области – 6-7,5* тг/кВтч (*стоимость электроэнергии у энергопроизводящих организаций Павлодарской области с учетом транспорта по сетям КЕГОК). Необходимо отметить, что после возврата инвестиций, ветроэнергетика вполне может быть конкурентной на рынке электроэнергии [6]. Алматинская область обладает уникальными площадками потенциального строительства ВЭС. Это Джунгарские ворота и Шелекский коридор. Так, в Джунгарских воротах: среднегодовая скорость ветра на высоте 50 м. – 9,7 м/с, плотность потока – 1050 Вт/м2 , количество часов работы ВЭС с полной нагрузкой – 4400 ч/год. Соответственно, в Шелекском коридоре: среднегодовая скорость ветра на высоте 50 м. – 7,8 м/с, плотность потока – 310 Вт/м2 , количество работы ВЭС с полной нагрузкой – 3100 ч/год. Общепризнано, что Джунгарские ворота по ветровым характеристикам являются самой перспективной площадкой строительства ВЭС. [7]. Заключение Несмотря на массовое производство, стоимость строительства современной ветряной электростанции велика. Однако, следует отметить, что ничтожна стоимость ее эксплуатации. Экологические и экономические выгоды зависят от правильного расположения. Требует это детального и всестороннего анализа как технических аспектов, так и экологических, а также финансовых. Ветряная энергетика соответствует всем условиям, необходимым для причисления ее к экологически чистым методам производства энергии. Основные преимущества электростанции это: отсутствие загрязнения окружающей среды - производство энергии из ветра не приводит к выбросам вредных веществ в атмосферу или образованию отходов, использование возобновляемого, неисчерпаемого источника энергии, экономия на топливе, на процессе его добычи и транспортировки, территория в непосредственной близости может быть полностью использована для сельскохозяйственных целей, стабильные расходы на единицу полученной энергии, а также рост экономической конкурентоспособности по сравнению с традиционными источниками энергии, минимальные потери при передаче энергии – ветряная электростанция может быть построена как непосредственно у потребителя, так и в местах удаленных, которые в случае с традиционной энергетикой требуют специальных подключений к сети, простое обслуживание, быстрая установка, низкие затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию. Несмотря на все преимущества, ветряки имели серьезные недостатки. Эффект их работы зависел от погодных условий, поэтому в безветренные дни и дни, когда ветер очень сильный, ветряки не могли работать. Однако, энергия всех видов была, есть и будет нам нужна. Ветроэнергетика на территории Казахстана является одним из самых перспективных видов возобновляемых источников энергии и может быть вполне конкурентоспособной на рынке электроэнергии только после возврата инвестиции. Список использованных источников https://studbooks.net/1857108/matematika_himiya_fizika/vetroenergetika https://manbw.ru/analitycs/wind-stations.html https://ewp.kz/ru/company/i3058 ec.cfuv.ru/arkhiv-statej/127-tipy-vetrodvigatelej-novye-konstruktsii-i-tekhnicheskie https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_электростанций_Казахстана Национальная программа развития ветроэнергетики до 2015 г. с перспективой до 2024 г. (проект) (Подготовлена в рамках совместного проекта Министерства энергетики и минеральных ресурсов РК и Программы развития ООН «Казахстанинициатива развития рынка ветроэнергии»). – Астана, 2007. В. Ф. Говорун, С. М. Бабашев «Развитие ветроэнергетики в Казахстане» |