Федоров С.А. Экология энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

Коэффициент использования ветра определяется как доля пер-

воначальной энергии воздушного потока, преобразованная в элек-

трическую:

=Tj&?S/2,

(8.4)

где г/— КПД преобразования механической энергии в электриче-

скую,

£— КПД преобразования энергии ветра в механическую, S —

площадь поверхности, ометаемой лопастями колеса.

Приняв ряд упрощающих

допущений, Бетц в 1926 г. до-

казал теорему, что идеальная

ветроустановка, работающая

без потерь, может преобразо-

вывать только 59 % энергии,

заключенной в воздушном

потоке, то есть достигать ве-

личины 7 = 0,59. При этом

скорость ветра снижается в 3

раза. Реально теоретическая

величина г/ зависит от конст-

рукции установки и скорости

ветра. На рис. 8.2 представле-

на зависимость г/ от скорости и для трехлопастных установок. Мак-

симум эффективности передачи достигается при скорости 9 м/с и па-

дает при повышении скорости.

Каждая ветроустановка включается в работу при некотором

минимальном значении скорости ветра (3—6 м/с) и отключается по

соображениям безопасности при скорости 20—30 м/с.

Конструкции

ветроустановок (ВЭУ)

В настоящее время наибольшее распространение получили два

основных типа промышленных ветроустановок: горизонтальные —

Рис.

8.2. Зависимость коэффициента

преобразования

г/ энергии ветра

механическую энергию

от

скорости ветра

120

с горизонтальной турбиной; вертикальные — с вертикальным рас-

положением турбины.

По мощности ВЭУ условно делят на установки малой мощно-

сти — до 100 кВт, средней мощности — от 100 до 500 кВт, большой

мощности — от 0,5 МВт и выше.

Двигатели горизонтальных ВЭУ обычно устанавливают на вы-

соких башнях, чтобы лопасти были открыты более сильным ветрам,

дующим на большей высоте. Ближе к поверхности земли дома, де-

ревья, небольшие холмы и т. п. сдерживают и ослабляют ветер. По-

этому нужны высокие мачты. Однако тяжелое оборудование (про-

пеллер, коробка передач и генератор) должно размещаться на вер-

хушке мачты, и это требует прочной конструкции (рис. 8.3).

Рис.

8.3. Схема горизонтальной ВЭУ

Скорость ветра варьируется в широких пределах, в связи с этим

меняется и число оборотов генератора в секунду, а, следовательно, и

частота тока. Поэтому на ветроустановках небольшой мощности пе-

ременный ток, вырабатываемый при вращении оси, выпрямляют, то

есть преобразуют в постоянный, идущий в одном направлении. Не-

121

большие ветродвигатели подают выпрямленный ток в большие ак-

кумуляторные батареи вместо преобразователя. Аккумуляторные

батареи необходимы для запасания электроэнергии на периоды, ко-

гда ветер слишком слаб. При больших размерах ветродвигателя этот

постоянный ток поступает в электронный преобразователь, кото-

рый производит стабильный переменный ток, пригодный для пода-

чи в энергетическую систему. При подключении ветроустановок в

единую энергосистему необходимо решить две основные задачи:

• обеспечение стабильности напряжения и частоты тока;

• компенсация колебаний мощности.

Большие пропеллерные лопасти подвержены усталости. Уста-

лость — термин металловедения, означающий уменьшение прочно-

сти металла под действием переменных нагрузок. Ветродвигатели

не рассчитывают на перехват штормовых ветров. Даже если такой

ветер обеспечивает получение намного большего количества энер-

гии, чем слабые ветры, вся машина может быть при этом разрушена.

Кроме того, продолжительность времени штормовой погоды отно-

сительно невелика, так что вклад штормовых ветров в суммарную

выработку энергии мал. Чтобы устранить проблему штормовых вет-

ров,

в случае необходимости головную часть ветроустановки можно

разворачивать вокруг вертикальной оси (при этом эффективная

площадь умножается на косинус угла поворота). Кроме того, ло-

пасть пропеллера можно поворачивать вокруг продольной оси для

снижения нагрузки на нее. При этом форма лопасти такова, что на-

чиная с определенных скоростей происходит срыв потока набегаю-

щего воздуха. Чтобы предотвратить поломку лопастей, применяют

также новые материалы, способные противостоять большим нагруз-

кам.

ВЭУ с вертикальной осью вращения (рис. 8.4) имеют важные

преимущества перед горизонтальными установками: нет необходи-

мости ориентировать их на направление ветра, кроме того, упроща-

ются монтаж и конструкция.

122

Рис. 8.4. ВЭУ с вертикальным расположением турбины

Выработка энергии ветроустановками, как и на приливных элек-

тростанциях, непостоянна. Чтобы покрыть потребности в случае про-

стоя или малой производительности генераторов ВЭУ, необходимо

увеличивать выработку тока другими электростанциями.

При строительстве системы ветроустановок важным парамет-

ром является минимальное расстояние между ними. Если площадь

для размещения системы ВЭУ задана, то уменьшение расстояния

между ними ниже предельного приведет к снижению скорости вет-

ра. Но в то же время суммарная мощность может возрасти. Считает-

ся,

что оптимальное расстояние между ВЭУ — 6—18 диаметров

ветроколеса. Это означает, что для одной ВЭУ с диаметром пропел-

лера 100 м необходимая территория составит 5—7 км

Экологические аспекты ветроэнергетики

Основным отрицательным фактором воздействия ВЭУ на среду

является шум. Он вызывается вращением пропеллеров (шум аэро-

123

динамической природы) и работой механических частей. В непо-

средственной близости от установки шум может достигать 50—

80 дБ (порог болевых ощущений — 130 дБ).

Кроме того, крупные ветродвигатели могут мешать приему теле-

и радиопередач. При использовании лопастей из стекловолокна, ко-

торые оказались дешевле металлических, расстояние помех уменьша-

ется примерно вдвое.

Лопасти ветродвигателей могут препятствовать полету птиц. Бы-

ло замечено, что стаи перелетных птиц изменяют маршрут движения

и огибают зоны расположения ветроустановок.

Развитие ветроэнергетики

Крупные ВЭУ. Вследствие низкой плотности и рассеянности

потока энергии использование ветра в промышленном масштабе

идет по пути строительства крупных ВЭУ, так называемых ветровых

парков, распределенных на местности.

Первая ветроустановка мощностью 100 кВт в России была по-

строена в 1930-х годах в Крыму.

Построенные в 1981 г. фирмой «Boeing Engineering)), установки

были рассчитаны на выработку 25 МВт при скорости ветра 44 км/ч.

Башни высотой 61 м были сооружены так, чтобы выдерживать на-

пор ветра со скоростью 200 км/ч. Лопасти рабочего колеса имели

суммарную длину 92 м и весили каждая 80 т.

Современные ветроустановки могут достигать КПД порядка

40%.

Малые и средние ВЭУ. Модернизированные частные ветровые

системы включают машины на

8—40

кВт, которые могут быть ис-

пользованы на фермах, в сельских и пригородных жилищах и даже в

городских домах. Хотя сейчас только сравнительно отдаленные

фермы полагаются на маломощную ветровую энергию. Навигаци-

онные маяки на морских островах тоже часто получают питание от

таких генераторов. Ветровые генераторы могут использоваться для

зарядки аккумуляторных батарей автомобильного типа, которые за-

124

тем можно использовать для освещения или для питания бытовых

приборов при отсутствии ветра.

В районах с благоприятными ветровыми условиями среднего-

довое производство электроэнергии ветроэнергетическими установ-

ками составляет 25—33 % их номинальной мощности.

В настоящее время энергия ветра наиболее широко использует-

ся в Германии, Нидерландах, США, Дании и Англии.

125

Библиографический список

Инженерная экология: Общ. курс: В 2 т. / Под общ. ред. ИИ. Мазура.

М., 1996.

Клименко В.В., Клименко А.В., Андрейченко Т.Н., Довгалюк В.В., Мику-

шина О.В., Терешин А.Т., Федоров М.В. Энергия, природа и климат. М, 1997.

Кормилицын

В.

И. Экологические аспекты сжигания топлива в паровых

котлах. М., 1998.

Маргулова ТХ. Атомные электрические станции. М, 1994.

5. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир: В 2 т. Пер. с

англ.

Т. 2. М.: Мир, 1993.

6. Пал MX. Энергия и защита окружающей среды. Падеборн, 1996.

7. Расчет ресурсов ветровой энергетики: Учеб. пособие по курсам «Теорет.

основы энергетики возобновляемых источников» и «Проектирование и экс-

плуатация СЭС и ВЭС» / Виссарионов

В.

И., Дерюгина ТВ., Кузнецова В

А.

др.;

Под ред. В.И. Виссарионова. М., 1997.

8. Расчет ресурсов солнечной энергетики: Учеб. пособие по курсам «Тео-

рет. основы энергетики возобновляемых источников» и «Проектирование и

эксплуатация СЭС и ВЭС» / Виссарионов В.И., Дерюгина ТВ., Кривенко-

ва СВ. и др.; Под ред. В.И. Виссарионова. М., 1998.

9. Ревешь П., Ревешь Ч. Среда нашего обитания: В 4 кн. Кн. 3: Энергети-

ческие проблемы человечества. М.: Мир, 1995.

10.

Экологические аспекты устойчивого развития теплоэнергетики Рос-

сии / В.И. Резуненко, КА. Степанов, АД. Седых и др.; Под общ. ред.

Р. И. Вяхирева.

11.

Экология и безопасность: В 2 т. / Под ред. Н.Г. Рыбальского. М., 1995.

12.

Экология, охрана природы и экологическая безопасность: Учеб. посо-

бие:

В 2 т. / Под ред. Данилова-Данильяна В.И. М., 1997.

13.

Ядерная и термоядерная энергетика будущего / Под ред. Чуянова В

А.

М., 1987.

126

Оглавление

Энергия и ее передача 3

Потоки энергии, ее производство и потребление 19

3. Тепловые электростанции 34

Техника и методы очистки выбросов угольных ТЭС 53

Гидроэнергия. Энергия приливов 64

Атомная энергия 77

Солнечная энергия 99

Энергия ветра 115

Библиографический список 126

127

Учебное издание

Сергей Анатольевич ФЕДОРОВ

Экология энергетики

Учебное пособие

Редактор

В. В.

Труба

Технический редактор Г.А. Володина

Компьютерная верстка Е.Э. Шаманина

Подписано в печать 28.03.2003.

Формат 60x84/16. Компьютерная верстка

Гарнитура «Times». Усл. печ. л. 7,44. Уч.-изд. л. 5,9

Тираж 100 экз. Заказ № ^

Отпечатано на ризографе в Международном университете природы, общества и человека «Дубна»

141980 г. Дубна Московской обл., ул. Университетская, 19