Губин В.Е., Косяков С.А. Малоотходные и ресурсосберегающие технологии в энергетике

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ

ЭНЕРГИИ

111

все волны в барашках 30% проектной

6 11–14 Сильный

Раскачиваются большие

ветки деревьев, гудят

телефонные провода,

пенятся гребни волн

Мощность в

расчетном

диапазоне

близка к мак-

симальной

Приемлемы

для прочных

малогабарит-

ных установок

7 14–17 Крепкий

Все деревья раскачива-

ются, с гребней волн

срывается пена

Максимальная

мощность

Предельно до-

пустимые

Продолжение табл. 4.2

1 2 3 4 5 6

8 17–21

Очень

крепкий

Ломаются ветки де-

ревьев, трудно идти

против ветра, с волн

срываются клочья пены

Ряд ветроус-

тановок начи-

нает отклю-

чаться

Недопустимые

9 21–25 Шторм

Небольшие разруше-

ния, срываются дымо-

вые трубы

Все установки

отключаются

Недопустимые

10 25–29

Сильный

шторм

Значительные разруше-

ния, деревья вырыва-

ются с корнем

Предельные

нагрузки

Недопустимые

11 29–34

Жесткий

шторм

Широкомасштабные

разрушения

Повреждения

некоторых ус-

тановок

Недопустимые

Более

Ураган

Опустошительные раз-

рушения

Серьезные по-

вреждения,

вплоть до раз-

рушения уста-

новок

Недопустимые

Таблица 4.3

Параметры ветроэнергетических установок различной проектной мощности

при скорости ветра 12 м/с

Класс ВЭУ

Расчетная (проектная)

мощность, кВт

Диаметр

ветроколеса, м

Период

вращения, с

112МАЛООТХОДНЫЕ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Малые

6,4

0,3

0,4

Средние

100

150

0,6

0,9

1,1

Большие

250

500

1000

1,4

2,1

3,1

Очень большие

2000

3000

4000

110

130

3,9

4,8

5,7

Одно из основных условий при проектировании ветровых установок

– обеспечение их защиты от разрушения очень сильными порывами

ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а

раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5 – 10 раз превышающей

среднюю, поэтому установки приходится проектировать с большим за-

пасом прочности. Кроме того, скорость ветра очень колеблется

во вре-

мени, что может привести к усталостным разрушениям, а для лопастей

к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки.

Причиной возникновения ветров является поглощение земной атмо-

сферой солнечного излучения, приводящее к расширению воздуха и

появлению конвективных течений. В глобальном масштабе на эти тер-

мические явления накладывается эффект вращения Земли, приводящий

появлению преобладающих направлений ветра. Кроме этих общих,

или синоптических, закономерностей многое в этих процессах опреде-

ляется местными особенностями, обусловленными определенными гео-

графическими или экологическими факторами. Скорость ветров увели-

чивается с высотой, а их горизонтальная составляющая значительно

больше вертикальной. Последнее обстоятельство является основной

причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других

мелкомасштабных явлений.

По территориальному принципу можно выделить глобальные и ме-

стные ветры.

К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер.

Пассаты образуются в результате нагрева экваториальной части

Земли. Нагретый воздух поднимается вверх, увлекая за собой воздуш-

ные 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

Глава 4. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ

ЭНЕРГИИ

113

южном. Пассаты дуют в приэкваториальной области, заключенной ме-

жду 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 м характерны «рыскающие» потоки.

Потенциал атмосферы можно вычислить, зная ее массу и скорость

рассеяния энергии. Для приземного слоя толщиной в 500 м энергия вет-

ра, превращающаяся в тепло, составляет примерно 82 трлн кВт · ч в год.

Конечно, всю ее использовать невозможно, в частности, по той причи-

не,

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 100-метровой высо-

те превышают 7 м/с. Если выйти на высоту в 100 м, используя подхо-

дящую естественную возвышенность, то везде можно ставить эффек-

тивный

ветроагрегат. Если взять только нижний 100-метровый слой и

поставить установку на 100 км

, то при установленной мощности около

2 млрд кВт можно выработать за год 5 трлн кВт · ч, что в 2 раза больше

гидроэнергетического потенциала стран СНГ.

Первыми для плавания использовались местные ветры. К ним отно-

сятся бризы (бриз [фр. brise] – свежий ветер). Бризы – это легкие ветры,

окаймляющие берега материков и больших островов, вызываемые су-

точным

колебанием температуры. Их периодичность обусловлена раз-

личием температуры суши и моря днем и ночью. Днем суша нагревает-

ся 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 под-

нимается над морем, а его замещает холодный воздух с суши – берего-

вой бриз.

114МАЛООТХОДНЫЕ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

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 появле-

ние сил Кориолиса, которые отклоняют муссоны вправо. Поэтому ле-

том дуют юго-западные муссоны, а зимой – северо-восточные. Муссо-

ны достигают большой силы и вызывают в Индийском океане соответ-

ствующие местным ветрам поверхностные течения.

Суммарная кинетическая энергия ветров оценивается величиной по-

рядка 0,7⋅10

Дж. Вследствие трения, в основном в атмосфере, а также

при контакте с земной и водной поверхностями эта энергия непрерывно

рассеивается, при этом рассеивается мощность – порядка 1200 ТВт

(1,2⋅10

Вт), что равно примерно 1% поглощенной энергии солнечного

излучения.

Достоверно оценить, какая доля энергии ветра может быть исполь-

зована, вряд ли возможно, так эта оценка очень сильно зависит от уров-

ня развития ветроэнергетики и ее потребителей. Тем не менее офици-

альные оценки возможной доли ветроэнергетики в энергетике в целом,

например в Великобритании

и Германии, не предполагающие каких-

либо серьезных изменений в сложившейся инфраструктуре энергопо-

требления, дают не менее 20%.

При определенных изменениях инфраструктуры доля ветроэнерге-

тики может быть существенно большей. Автономные ветровые энерго-

установки весьма перспективны для вытес-

нения дизельных электростанций и отопи-

тельных установок, работающих на нефте-

продуктах, особенно в отдаленных районах

и на островах.

4.2.3. Классификация ветроустановок

Принцип действия всех ветродвигателей

один: под напором ветра вращается ветроко-

лесо с лопастями, передавая крутящий мо-

мент через систему передач валу генератора,

вырабатывающего электроэнергию, водяно-

му насосу. Чем больше диаметр ветроколеса,

тем больший воздушный поток оно захваты-

Рис. 4.5. Крыльчатый

ветродвигатель

Глава 4. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ

ЭНЕРГИИ

115

вает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для

конструкторского творчества, но только на первый взгляд ветроагрегат

представляется простой конструкцией.

Традиционная компоновка ветряков – с горизонтальной осью вра-

щения (рис.4.5) – 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 исполь-

зовании энергии ветра все

же экономическая – мощность агрегата оста-

ется небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значи-

тельной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с гори-

зонтальной осью составить реальную конкуренцию традиционным ис-

точникам энергии.

Значительные успехи в создании ВЭС были достигнуты за рубежом.

Во многих странах Западной Европы построено довольно большое

ко-

личество установок по 100 – 200 кВт. Во Франции, Дании и в некото-

рых других странах были введены в строй ВЭС с номинальными мощ-

ностями свыше 1 МВт (табл. 4.4).

Таблица 4.4

Наиболее крупные ветроэнергетические установки

Страна

Название

установки

Диаметр рабочего

колеса, м

Мощность, МВт

США WTS-4 78 4

Канада Eole 64 4

ФРГ Growian 100 3

Великобритания LSI 60 3

Швеция WTS-3 78 3

Дания Elsam 60 2

По прогнозам фирмы Боинг (США) на текущее столетие, длина ло-

пастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 м, что позволит

116МАЛООТХОДНЫЕ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

создать ветроагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 МВт.

Сегодня самые крупные из них вдвое «слабее». В большой ветроэнерге-

тике только при массовом строительстве можно рассчитывать на то, что

цена киловатт-часа снизится до десяти центов.

Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию примерно

втрое более дорогую. Для сравнения отметим, что серийно выпускав-

шийся в 1991 г

. НПО «Ветроэн» крыльчатый ветродвигатель имел раз-

мах лопастей 6 м и мощность 4 кВт. Его киловатт-час обходился в 8 –

10 коп.

Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основ-

ным признакам – геометрии колеса и его положению относительно на-

правления ветра.

Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 4.6.

Они делятся на две группы:

1) ветродвигатели с горизонтальной

осью вращения (крыльчатые) (2 – 5);

2) ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: ло-

пастные (1) и ортогональные (6)).

123

456

Рис. 4.6. Типы ветродвигателей

Глава 4. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ

ЭНЕРГИИ

117

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством

лопастей.

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность кото-

рых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плос-

кости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматиче-

ского поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-

стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимущест-

вом, что могут работать при любом направлении

ветра, не изменяя сво-

его положения.

Коэффициент использования энергии ветра (см. рис. 4.7) у крыльча-

тых (2 – 5) ветродвигателей намного выше, чем у карусельных (1, 6). В

то же время, у карусельных намного больше момент вращения. Он мак-

симален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относи-

тельной скорости ветра.

Распространение крыльчатых

ветроагрегатов объясняется величиной

скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с гене-

ратором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения

крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству

крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех прак-

тически не используются.

681

0,4

0,3

0,2

0,1

0,2

0,4

0,6

Рис. 4.7. Коэффициенты использования энергии ветра

и вращающие моменты различных типов ветродвигателей

118МАЛООТХОДНЫЕ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам (рис.4.8)

преимущество по сравнению с традиционными ветряками. При увели-

чении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего

скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели ти-

хоходны, и это позволяет использовать простые электрические схемы,

например с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при

случайном порыве ветра

. Тихоходность выдвигает одно ограничиваю-

щее требование – использование многопо-

люсного генератора, работающего на малых

оборотах. Такие генераторы не имеют широ-

кого распространения, а использование

мультипликаторов (мультипликатор [лат.

multiplicator – умножающий] – повышающий

редуктор) неэффективно из-за низкого КПД

последних.

Еще более важным преимуществом кару-

сельной конструкции стала ее способность

без дополнительных ухищрений следить за

тем «откуда дует ветер», что весьма сущест-

венно для приземных рыскающих потоков.

Ветродвигатели подобного типа строятся в

США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуа-

тации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запус-

ке ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной

скорости вращения в процессе работы. С увеличением

нагрузки умень-

шается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до

полной остановки.

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспек-

тивны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ор-

тогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в

частности, проблема запуска.

В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что

и в дозвуковом самолете

(см. рис. 4.6, 6). Самолет, прежде чем «опереть-

ся» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело

и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести

энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических па-

раметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим

генератора.

Рис. 4.8. Однолопастной

карусельный двигатель

Глава 4. НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ

ЭНЕРГИИ

119

Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номи-

нальная мощность достигается при скорости 14 – 16 м/с. Предваритель-

ные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диа-

пазоне от 50 до 20 000 кВт. В реальной установке мощностью 2000 кВт

диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 м.

У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако

можно обой-

тись и малыми – взять числом, а не размером. Снабдив каждый элек-

трогенератор отдельным преобразователем, можно просуммировать

выходную мощность, вырабатываемую генераторами. В этом случае

повышается надежность и живучесть ветроустановки.

При взаимодействии потока с лопастью возникают:

1) сила сопротивления, параллельная вектору относительной скоро-

сти набегающего потока;

2) подъемная сила, перпендикулярная силе

сопротивления;

3) завихрение обтекающего лопасти потока;

4) турбулизация потока, т.е. хаотические возмущения его скорости

по величине и направлению;

5) препятствие для набегающего потока.

Препятствие для набегающего потока характеризуется параметром,

называемым геометрическим заполнением и равным отношению пло-

щади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к

ометаемой ими площади.

Основные классифицирующие признаки ветроэнергетических

уста-

новок можно определить по следующим критериям.

1. Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку,

установка будет горизонтально-осевой, если ось вращения ветроколеса

перпендикулярна воздушному потоку – вертикально-осевой.

2. Установки, использующие в качестве вращающей силы силу со-

противления (драг-машины), как правило, вращаются с линейной ско-

ростью, меньшей скорости ветра, а установки

, использующие подъем-

ную силу (лифт-машины), имеют линейную скорость концов лопастей,

существенно большую скорости ветра.

3. Для большинства установок геометрическое заполнение ветроко-

леса определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим

заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при отно-

сительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при неболь-

ших оборотах колеса. ВЭУ с

малым заполнением достигают макси-

мальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот

режим. Поэтому первые установки используются, например, в качестве

120МАЛООТХОДНЫЕ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ

водяных насосов и даже при слабом ветре сохраняют работоспособ-

ность, вторые – в качестве электрогенераторов, где требуется высокая

частота вращения.

4. Установки для непосредственного выполнения механической ра-

боты часто называют ветряной мельницей или турбиной, установки для

производства электроэнергии, т.е. совокупность турбины и электроге-

нератора, называют ветроэлектрогенераторами, аэрогенераторами, а

также установками с

преобразованием энергии.

5. У аэрогенераторов, подключенных напрямую к мощной энерго-

системе, частота вращения постоянна вследствие эффекта асинхрониза-

ции, но такие установки менее эффективно используют энергию ветра,

чем установки с переменной частотой вращения.

6. Ветроколесо может быть соединено с электрогенератором напря-

мую (жесткое сопряжение) или через промежуточный преобразователь

энергии, выполняющий роль буфера. Наличие

буфера уменьшает по-

следствия флуктуации частоты вращения ветроколеса, позволяет более

эффективно использовать энергию ветра и мощность электрогенерато-

ра. Кроме того, существуют частично развязанные схемы соединения

колеса с генератором, называемые мягкосопряженными. Таким обра-

зом, нежесткое соединение наряду с инерцией ветроколеса уменьшает

влияние флуктуаций скорости ветра на выходные параметры электро-

генератора. Уменьшить

это влияние позволяет также упругое соедине-

ние лопастей с осью ветроколеса, например с помощью подпружинных

шарниров.

Рассмотрим подробнее принцип действия ветроколес различных

типов.

Ветроколесо с горизонтальной осью. Рассмотрим горизонтально-

осевые ветроколеса пропеллерного типа. Основной вращающей силой у

колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветро-

колесо в рабочем положении может

располагаться перед опорной баш-

ней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь

аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство,

удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении

башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на

него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические

нагрузки, повышенный шум

и флуктуация выходных параметров вет-

роустановки. Направление ветра может изменяться довольно быстро, и

ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ