Нетрадиционные возобновимые источники энергии
ка 20 века открыла
совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала
другой -получение электроэнергии. В начале века Н.Е. Жуковский разработал
теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы
высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого
слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно
более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах
используются достижения многих отраслей знания. В наши дни к созданию
конструкций ветроколеса - сердца любой ветроэнергетической установки-
привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее
целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе.
Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции
современных ветровых установок.
Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус.
Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и
тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что
парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром
колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим
коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует
энергию ветра для движения.
Рис.5.Ветродвигатель каруснльного типа
[pic]
Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели (двигатели
карусельного типа см. рис. 5.), возрождается сейчас, прежде всего, в
наземных установках.В США уже построены и эксплуатируются коммерческие
установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета.
Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой
энергии.
Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать ветродвигатель в
качестве движителя для перемещения по воде. Пятилопастное ветроколесо,
установленное на треноге, должно было приводить в движение гребные колеса.
Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного
направления может двигать судно в любом направлении .
Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский
заинтересовался ветряками и авиацией одновременно. Он начал создавать
полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько теоретических положений,
которым должна отвечать ветроустановка.
В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам не был
обособлен от общих тенденций времени – использовать ветер, где это только
возможно. Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили
в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых
механизмов. На всемирно известном «Фраме» («Фрам» [фр. frum вперед] –
исследовательское судно Ф. Нансена, исследователя Арктики ) он вращал
динамомашину. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные
механизмы.
В России к началу нынешнего века вращалось около 2500 тысяч ветряков
общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без
хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать
энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году вблизи
Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая
установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5000
кВт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики,
занимавшийся этой проблемой, был закрыт.
Сложившаяся ситуация отнюдь не обусловливалась местным головотяпством.
Такова была общемировая тенденция. В США к 1940 году построили
ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей
получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать – экономисты
подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную электростанцию.
Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее создатель и
владелец П. Путнэм изложил свой горестный опыт в прекрасной книге
«Энергия ветра», которая не потеряла до сих пор своей актуальности.
Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной
энергетике сороковых годов не были случайны. Нефть оставалась
сравнительно дешевой, резко снизились удельные капитальные вложения на
крупных тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда
казалось, гарантирует и низкие цены и удовлетворительную экологическую
чистоту.
Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во
времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов.
Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных
ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии
других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И,
наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую
энергию.
ВЕТЕР
Ветер дует везде – на суше и на море. Человек не сразу понял, что
перемещение воздушных масс связано с неравномерным изменением температуры и
вращением земли,
но это не помешало нашим предкам использовать ветер для мореплавания.
Глобальные ветры
К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер.
Пассаты образуются в результате нагрева экваториальной части земли.
Нагретый воздух поднимается вверх, увлекая за собой воздушные массы с
севера и юга. Вращение земли отклоняет потоки воздуха. В результате
устанавливаются дующие круглый год с постоянной силой северо-восточный
пассат в северном полушарии и юго-восточный – в южном. Пассаты дуют в
приэкваториальной области, заключенной между 25 и 30° северной и южной
широтами соответственно. В северном полушарии пассаты охватывают 11%
поверхности океанов, а в южной – 20%. Сила пассатного ветра обычно
составляет 2-3 балла. Западный ветер дует круглый год с запада на восток
в полосе от 40 до 60° южной широты вдоль кромки дрейфующих льдов
Антарктиды. Это самый сильный постоянный ветер. Его сила достигает 8-10
баллов и редко бывает менее 5 баллов.
В глубине материка нет постоянного направления ветра. Так как разные
участки суши в разное время года нагреваются по-разному можно говорить
только о преимущественном сезонном направлении ветра. Кроме того, на разной
высоте ветер ведет себя по-разному, а для высот до 50 метров характерны
«рыскающие» потоки.
Потенциал атмосферы можно вычислить зная ее массу и скорость
рассеяния энергии. Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия
ветра, превращающаяся в тепло, составляет примерно 82 триллиона киловатт-
часов в год. Конечно, всю ее использовать невозможно, в частности, по той
причине, что часто поставленные ветряки будут затенять друг друга. В то же
время отобранная у ветра энергия, в конечном счете, вновь превратится в
тепло.
Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте
превышают 7 м/с. Если выйти на высоту в 100 метров, используя подходящую
естественную возвышенность, то везде можно ставить эффективный
ветроагрегат. На рис. 6 показаны области энергии среднегодовых потоков
ветра Европейской части стран СНГ. Если взять только нижний 100-метровый
слой и поставить установку на 100 квадратных километров, то при
установленной мощности около двух миллиардов киловатт можно выработать за
год 5 триллионов киловатт-часов, что в 2 раза больше гидроэнергетического
потенциала стран СНГ.
Местные ветры
Первыми для плавания использовались местные ветры. К ним относятся
бризы. ( Бриз [фр. brise] – свежий ветер.) Бризы – это легкие ветры,
окаймляющие берега материков и больших островов, вызываемые суточным
колебанием температуры. Их периодичность обусловлена различием
температуры суши и моря днем и ночью. Днем суша нагревается быстрее и
сильнее, чем море.
Теплый воздух поднимается над береговой полосой, а на его место
устремляется прохладный воздух с моря – морской бриз. Ночью берег
охлаждается быстрее и сильнее, чем море, поэтому теплый воздух поднимается
над морем, а его замещает холодный воздух с суши – береговой бриз.
Вторыми, постоянно дующими ветрами, являются муссоны.(Муссон [арабск.
мавсим] – время года) Эти ветры дуют в Индийском океане и связаны с
сезонным изменением температуры материка и океана. Летом солнечные лучи
сильнее нагревают сушу и ветер дует с моря на сушу. Зимой муссон дует с
суши на море. Вращение земли вызывает появление сил Кориолиса, которые
отклоняют муссоны вправо. Поэтому летом дуют юго-западные муссоны, а зимой
– северовосточные. Муссоны достигают большой силы и вызывают в Индийском
океане соответствующие местным ветрам поверхностные течения. .
[pic] Рис.6. Среднегодовые потоки энергии ветра
на стометровой высоте
УПРЯЖЬ ДЛЯ ВЕТРА
Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра
вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему
передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу.
Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно
захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.
Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для
конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат
представляется простой конструкцией.
Рис.7. Крыльчатый ветродвигатпель
[pic]
Традиционная компоновка ветряков – с горизонтальной осью вращения
(рис.7) – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей.
Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась
неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом
случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и
возникает опасность разрушения лопастей.
Кроме того, концы лопастей крупной установки двигаясь с большой скоростью
создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра
все же экономическая – м
| |  скачать работу |
Нетрадиционные возобновимые источники энергии |
