Отчет - Исследование отрасли альтернативной энергетики Республики Казахстан. Том 3 Перспективные сегменты отрасли альтернативной энергетики

Подождите немного. Документ загружается.

«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»

на конце лопасти создаются высокие стартовые характеристики и установка может

работать при малых скоростях ветра.

Недостатком ветродвигателя горизонтального типа является необходимость его

постоянной ориентации в направлении ветра (на разной высоте ветер может дуть в разные

стороны - в этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру,

но и возникает опасность разрушения лопастей) и применение специального устройства

для его разворота. Традиционная компоновка ветряков – с горизонтальной осью

вращения – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей.

Вторым недостатком является большая высота конструкции, так как это необходимо для

его нормальной работы. Это создаёт сложности при монтаже и требует дополнительных

затрат на надежную фиксацию в месте эксплуатации. Таким образом, главное препятствие

на пути использовании энергии ветра все же экономическая – мощность агрегата остается

небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге

себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать

реальную конкуренцию традиционным источникам энергии.

У турбин с вертикальной осью вращения (Н-образные) (рис. 1 (1), (6)) ведущий вал

ротора расположен вертикально. Лопасти такой турбины - длинные, обычно

дугообразные. Они прикреплены к верхней и нижней частям башни. В мире существует

всего лишь несколько производителей таких ВЭУ, наиболее известный из них - компания

«Flowind». Благодаря вертикальному расположению ведущего вала ротора Н-образные

турбины, в отличие от турбин с горизонтальной осью вращения, «захватывают» ветер,

дующий в любом направлении, и для этого им не нужно менять положение ротора при

изменении направления ветровых потоков.

Рисунок 1 Типы ветродвигателей

«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»

Ветродвигатели с вертикальной осью вращения обладают тем преимуществом, что при

увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость

вращения стабилизируется. Кроме того, они тихоходны и это позволяет использовать

простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска

потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Еще более важным преимуществом

подобной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за

тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков.

Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. По

данному типу спроектирована и одна из ВЭС в Белоруссии номинальной мощностью 250

кВт. Вертикальный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его

конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и

автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы.

С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий

момент вплоть до полной остановки.

Однако на пути распространения подобных ветродвигателей стоят определенные

трудности. Среди них, в частности, проблема запуска. Чтобы ветроустановка с

вертикальной осью вращения начала производить ток, к ней сначала надо подвести

энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже

потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Это связано с тем, что

момент передачи усилия за один оборот в данных ветродвигателях достаточно мал для

создания усилия на генератор тока. Чтобы создать достаточное усилие необходимо

увеличить количество оборотов, то есть увеличить количество данных моментов, тогда

суммарный момент будет достаточен для вращения генератора. Вторым недостатком

вертикального ветродвигателя лопастного типа является то, что лопасти расположены под

углом к скорости вращения. Это приводит к тому, что при возрастании скорости вращения

ветродвигателя возрастает сопротивление воздуха находящегося между лопастями и

двигатель начинает работать как центробежный насос. То есть часть энергии ветра

расходуется на разгон воздушной массы от оси вращения. Этим объясняется тихоходность

данного типа двигателя. Вертикальные ветроустановки также характеризуются высокой

парусностью конструкции, что приводит дополнительным затратам металла на

повышение её жесткости а значит к её удорожанию.

Коэффициент использования энергии ветра у горизонтальных ветродвигателей намного

выше, чем у вертикальных. В то же время, у последних – намного больше момент

вращения. Он максимален для вертикальных лопастных агрегатов при нулевой

относительной скорости ветра. Распространение горизонтальных ветродвигателей

«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»

объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с

генератором электрического тока без мультипликатора

1.6. Ветровые электростанции в Казахстане

В Казахстане в настоящее время все большее внимание уделяется разработке ВЭС с

вертикальным расположением ветровоспринимающих элементов и низким размещением

генератора. Это объясняется значительным упрощением конструктивной схемы,

удобством монтажа и обслуживания. Одно из главных достоинств таких ветростанций –

возможность принятия ветровых течений разного направления и вообще отсутствие

необходимости учитывать направление ветра при установке и эксплуатации.

Казахстан полностью обеспечен всеми материалами для изготовления ветровых

электростанций всего диапазона мощностей, применяемых на практике – от микротурбин,

используемых для зарядки аккумуляторов яхт и пунктов радио – телефонной связи,

систем обслуживания нефте-, газопроводов, автомобильных дорог, питания объектов

сельского хозяйства и пограничных застав, до мощных ветроагрегатов, поставляющих

электроэнергию в энергосистемы для покрытия существующего дефицита и замещения

энергии, вырабатываемой тепловыми электростанциями

В Казахстане имеются специалисты, обладающие опытом разработки всего комплекса

оборудования, входящего в состав ветроэлектростанций, опытом создания, установки и

наладки ветроэлектростанций различной мощности. Подобными изобретениями

занимаются А.В. Болотов, Ш.А. Ершин, Н.С. Буктуков, В. М. Низовкин и другие.

РГП «Научно-производственный центр механизации сельского хозяйства» разработало и

изготовило ряд образцов установок с улучшенными свойствами и системой буревой

защиты.

Разработанные в Алматинском институте энергетики и связи опытные виндроторные

установки мощностью 2-20 кВт и турбовинтовые модульные установки мощностью 1-60

кВт были запущены в разное время в Капчагае, Чимбулаке, с. Чилике, Алаколе, Достыке.

Предложена новая система буревой защиты, принципиально отличающаяся от

зарубежных аналогов, которая основана на использовании действующего на ветроколесо

опрокидывающего момента, образуемого за счет разности в скоростях воздушного потока

в верхней и нижней частях ветроколеса. Это существенно увеличивает как эффективность

работы системы буревой защиты и повышает устойчивость ветровых установок против

опрокидывания, так и надежность их работы и срок службы в целом.

Источник: http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?wo=2007120025&IA=KZ2006000006&DISPLAY=DESC

Источник: http://www.powerexpo.kz/ru/2008/power_resources/

«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»

Получены предварительные патенты и патенты Республики Казахстан, Евразийский

патент, приоритетное извещение по международной версии PCT на принципиально новые

вертикально-осевые ветровые турбины (ВОВТ) модульного исполнения и специальный

электрогенератор для них, проведены теоретические проработки турбин и генераторов,

изготовлен ряд опытных образцов, показавших перспективность данного направления

Кокшетауский государственный университет им. Ш. Уалиханова разработал и создал

композиционную ветроэлектрогенераторную установку с диффузором – ВЭУД, которая

может обеспечить дешевой электроэнергией потребителей в труднодоступных,

отдаленных местах, лишенных централизованного электроснабжения.

Бурлаков А.Г. изобрел ветроэнергетическую установку, в которой применяется простая и

эффективная технология изготовления лопастей ротора. По предварительным подсчетам

цена ВЭУ 0,5 КВт – 40 тыс. тенге, 1,0 КВт – 65 тыс. тенге. Ивлев В.М., житель Восточно-

Казахстанской области, запатентовал ветроколесо.

По словам Алиярова Б.К., казахстанские разработчики Ершин Ш.А., Тулепбергенов А.К.,

специалисты КазНУ им. аль-Фараби, и Ершина А.К. (КазГосЖенПИ) запатентовали

ветротустановку Бидарье с аномально высоким коэффициентом использования энергии

ветра.

Источник: http://www.kazenergy.com/index.php?option=com_content&task=view&id=737&Itemid=128

«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»

Рисунок 2. Принципиальная схема Бидарье с прямыми крыльями

(одностороннее вращение): 1 - лопасти, 2 - махи, 3 – корпус, 4 - валы вращения,

5 – подшипник, α=90

Рисунок 3 Принципиальная схема Бидарье системы тропоскино

(одностороннее вращение). Обозначения те же, что и на рис.2 (α=90

«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»

Рисунок 4 Принципиальная схема конструкции ветротурбины Бидарье с

лопастями тропоскино

(вращение валов в разные стороны)

Разработками вертикально-осевой ветроэнергетической турбины (ВВТ) Болотова А.В.

заинтересовалась российская компания «Энэксис». Основным преимуществом

конструкции такой ветростанции является ее независимое «наведение на ветер».

Неограниченная скорость вращения ротора позволяет работать со всеми

встречающимися ветрами, включая штормовые. В результате использования

уникального решения системы ротор-статор, которая «форсирует» поступающий ветер,

а также грамотного решения электрической схемы и генератора стало возможным

преобразование кинетической энергии ветра в механическую на уровне 39-42 % и

преобразование механической энергии в электрическую на уровне 90-94 %

соответственно. Модульная конструкция позволяет установить необходимую мощность

для потребителя, основываясь на характеристиках ветра в месте установки. Другое

преимущество ветроэлектростанции - расположение генератора, электрической схемы

и аккумуляторов на уровне земли. Это позволяет своевременно, легко и без больших

затрат производить техническое обслуживание станции. Как результат - низкая

стоимость КВт/ч электроэнергии и удобство эксплуатации.

Источник: http://www.istc.kg/pages/events/s04doc/Ershin.doc

«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»

Отличительные особенности Вертикально - осевой Ветроэнергетической Турбины

(ВВТ) «ЭНЭКСИС»:

 рабочая скорость ветра от 3 м/с и выше без ограничений (испытана до 45 м/с);

 использование энергии шквалов, порывов и пульсаций скорости;

 работа при ветрах любого направления без каких – либо настроечных операций;

 модульный принцип конструкции ветромеханической части;

 широкодоступные конструкционные материалы;

 «утилизирует» внезапные порывы и высокочастотные пульсации скорости ветра;

 вращение ротора начинается самостоятельно;

 увеличение устойчивости конструкции при повышении скорости вращения ротора

за счет гироскопического эффекта;

 простота монтажа и технического обслуживания;

 высокие эксплуатационные свойства и устойчивость, поскольку генератор и другое

оборудование находится на уровне земли,

 экологическая чистота и бесшумность (до 30 dB на расстоянии 5 м при скорости

ветра 15 м/с), безопасность для птиц и животных;

 минимальный эффект визуального вторжения в ландшафт;

 возможность создания многорядных ветроэнергетических плотин большой

мощности;

 возможность автономной или параллельной работы с другими источниками

постоянного и переменного тока, солнечными преобразователями, аккумуляторной

батареей, дизельными станциями или энергосистемой;

 электрический генератор и система автоматики оригинальной конструкции с

высоким КПД, который согласован с ветромеханической частью ВЭС и соединен

без редуктора непосредственно с валом ротора.

 безопасность, обусловленная отсутствием внешних вращающихся лопастей;

 высокая надежность конструкции.

Источник: http://www.autobuilding.ru/articles/view/1506.html

«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»

Таблица 3 Параметры ВВТ «ЭНЭКСИС»

Установленная мощность, кВт 5

Диаметр статора, м 0.9

Скорость вращения вала, min-1 < 600

Количество модулей, шт. 4

Высота, м 18

Вес, т 1.5

Конструкционные материалы алюминий, оцинкованное железо, сталь

Рабочий диапазон скорости ветра, м/с 3 - 50

Электрические генераторы по патентам РК оригинальной схемы и конструкции в

объеме малой серии изготовлены Сафоновским электромашиностроительным заводом

по технической документации «Ветроэнергоинвест», разработанной Алматинским

институтом энергетики и связи. С учетом технических решений АИЭС

электрогенераторы для ВЭС малой мощности выпускают Сарапульский ЭМЗ, фирма

«Инкар» в составе РКЦ им. Хруничева, ООО «Элмаш» при Московском энергетическом

институте. Все эти наработки являются существенным фундаментом для создания в

Казахстане собственного производства ветроагрегатов всего диапазона мощностей для

внутреннего потребления и на экспорт и развития ветроэнергетики Казахстана.

Согласно открытым источникам, внимания также заслуживает установка Буктукова Н.С.,

которая может работать при любом направлении ветра и скорости от 3 до 60-80 м/с

круглогодично. В комплект ветроустановки входит генератор, мультиплексор, прибор

управления аппаратурой, зарядка и устройство защиты аккумулятора. Ветростанция

Буктукова проста в изготовлении, и более того, модель не издает при работе шума, так как

у нее нет лопастей. При увеличении скорости ветра ее лопасти сжимаются и приобретают

форму трубы. Казахстанский ученый разработал свою станцию на основе

ветроэнергоустановки отечественного изобретателя Майлибаева

Источник: http://www.enecsis.ru/techdescr.htm

Источник: http://www.megapolis.kz/show_article.php?art_id=1362

«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»

2. Солнечная энергетика

2.1. Современное состояние и тенденции развития

Солнечная энергия преобразуется в полезную энергию и косвенным образом,

трансформируясь в другие формы энергии, например, энергию биомассы, ветра или воды.

Энергия Солнца «управляет» погодой на Земле. Большая доля солнечной радиации

поглощается океанами и морями, вода в которых нагревается, испаряется и в виде дождей

выпадает на землю, «питая» гидроэлектростанции. Ветер, необходимый ветротурбинам,

образуется вследствие неоднородного нагревания воздуха. Другая категория

возобновляемых источников энергии, возникающих благодаря энергии Солнца - биомасса.

Зеленые растения поглощают солнечный свет, в результате фотосинтеза в них образуются

органические вещества, из которых впоследствии можно получить тепловую и

электрическую энергию. Таким образом, энергия ветра, воды и биомассы является

производной солнечной энергии.

Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт/ч

секунду. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну

миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов

(1,5 x 1018) кВт/ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее

атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700

квадрильонов (7 x 1017) кВт/ч, достигает поверхности Земли.

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно

солнечного излучения, чрезвычайно велики. Стоит отметить, что использование 0,0125 %

энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой

энергетики, а использование 0,5 % - полностью покрыть потребности на перспективу. На

сегодняшний день суммарная мощность всех фотоэлектрических станций в странах

Европейского союза - 2 ГВт

Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от

cреднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0,8 кВт/ч на кв.м. в день на

Севере Европы и более чем на 4 кВт/ч кв.м. в день в летнее время в этом же регионе.

Различие уменьшается по мере приближения к экватору

Примечание: Киловатт час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания

мощностью 100 ватт в течение 10 часов

Источник: http://www.energy-bio.ru/suncoll.htm

Источник: http://www.mfd.ru/news/print.asp?id=1117968

«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»

Карта 1 Карта солнечного излучения

Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка:

чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное

излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе,

Средней Азии и Канаде - приблизительно 1000 кВт/ч на кв. м; в Средиземноморье -

приблизительно 1700 кВт/ч на кв. м; в большинстве пустынных регионов Африки,

Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт/ч на кв. м.

Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости

от времени года и географического положения.