Альтернативные источники энергии - дипломная работа

Министерство образования, и молодёжной политики

Кыргызской республики

Кыргызский государственный технический

университет им. И.Раззакова

Факультет транспорта и машиностроение:

Кафедра общая физика:

Доклад

По дисциплине: Физика

На тему: Альтернативные источники энергии.

Выполнили: Долгоульский А. Сайдаматов Э.

Проверила: Аманбаева Г.М.

Бишкек 2007-04-25

ВВЕДЕНИЕ.

На пороге XXI века человек все чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Люди прошли путь от первого костра до атомных электростанций.

Существуют «традиционные» виды альтернативной энергии: энергия Солнца и ветра, морских волн и горячих источников, приливов и отливов. На основе этих природных ресурсов были созданы электростанции: ветряные, приливные, геотермальные, солнечные.

Ветряные электростанции.

Принцип действия ветряных электростанций прост: ветер крутит лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают, как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается в электрический ток.

Приливные электростанции.

Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Первая такая электростанция (Паужетская)
мощностью 5 МВт была построена на Камчатке. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн -- перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины, которые вращают генератор. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит.

Геотермальные электростанции.

Электростанции такого типа преобразуют внутреннее тепло Земли (энергию горячих пароводяных источников) в электричество. Первая геотермальная электростанция была построена на Камчатке. Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции. Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешанная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшийся в результате конденсации, удаляют не растворившиеся в ней газы.

Солнечные электростанции.

В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: солнечные электростанции  башенного типа и солнечные электростанции  распределенного (модульного) типа.

В башенных солнечных электростанциях  используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550?С, воздух и другие газы -- до 1000?С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) -- до 100?С, жидкометаллические теплоносители -- до 800?С.

Тепловые электростанции.

Тепловые электростанции работают по такому принципу: топливо сжигается в топке парового котла. Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутри расположенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь, вращает турбину, а та, в свою очередь, -- вал электрического генератора. Затем отработавший пар конденсируется; вода из конденсатора через систему подогревателей возвращается в котел.

Гидроэлектростанции.

Гидрозлектростанции преобразуют энергию потока воды в электроэнергию посредством гидравлических турбин, приводящих во вращение электрические генераторы. Наибольший КПД гидроэлектростанция имеет тогда, когда поток воды падает на турбину сверху. Для этих целей строится плотина, поднимающая уровень воды в реке и сосредотачивающая напор воды в месте расположения турбин.

Атомные электростанции.

Такие электростанции действуют по такому же принципу, что и «ТЭС, но используют для парообразования энергию, получающуюся при радиоактивной распаде. В качестве топлива используется обогащенная руда урана. Ядерный реактор работает на основе цепной ядерной реакции, когда деление одного ядра вызывает деление других ядер; таким образом, реакция сама себя поддерживает.

Термоядерные электростанции.

В настоящее время ученые работают над созданием Термоядерных электростанций, преимуществом которых является обеспечение человечества электроэнергией на неограниченное время. Термоядерная электростанция работает на основе термоядерного синтеза -- реакции синтеза тяжелых изотопов водорода с образованием гелия и выделением энергии. Реакция термоядерного синтеза не дает газообразных и жидких радиоактивных отходов, не нарабатывает плутоний, который используется для производства ядерного оружия. Если еще учесть, что горючим для термоядерных станций будет тяжелый изотоп водорода дейтерий, который получают из простой воды -- в полулитре воды заключена энергия синтеза, эквивалентная той, что получится при сжигании бочки бензина, -- то преимущества электростанций, основанных на термоядерной реакции, становятся очевидными.

ГЛАВА 1 Ветроэнергетика

§1.1.История развития

Развитие любой страны в значительной мере связано с обеспеченностью ресурсами, в том числе энергетическими. Установлено, что темпы прироста национального дохода примерно соотвецтвуют темпам роста потребление энергии.

Человек всегда стремился использовать силы природы, развитие производственных процессов потребовало перехода от применения мускульной силы к использованию новых источников энергии. Прежде всего человек обратился к силе воды и ветра, которые использовались в промышленном производстве, но главным образом в сельском хозяйстве.

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 ХХII 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.

Конструкции первых ветряных мельниц в России были, по-видимому, заимствованы в Германии, и их называли немецкими. К началу ХVIII в. число мельниц стало значительным, и их применение приобрело государственное значение. Многое для их распространения в России сделал Петр 1. В ХVIII - ХIХ вв. мельницы сооружались практически повсеместно, и к началу первой мировой войны в России эксплуатировалось более 200 тыс. мельниц, которые ежегодно перемалывали 2/3 всего товарного зерна.

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.

В России наряду с кустарными мельницами в начале прошлого столетия началось изготовление в заводских условиях ( в мастерских) тихоходных многолопастных деревометаллических ветродвигателей системы инж. В.П. Давыдова, которые применяли главным образом для механизации подъема воды. Некоторое число ветродвигателей завезли из Германии, Франции и США, где их производство было налажено несколько раньше. В основном выпускалось многолопастные двигатели, но они уже были снабжены системами автоматического регулирования скорости вращения и мощности, механизмами ориентации ветроколеса по направлению потока. Суммарный годовой выпуск в основных промышленно развитых странах составлял сотни тысяч двигателей. Позднее, в начале нашего столетия, ряд стран ( США, Франция, Германия, Австралия, Великобритания и .др.) начал в значительных количествах выпускать на заводах также и более совершенные по конструкции и экономичные быстроходные ветроагрегаты, предназначенные в первую очередь для получения электрической энергии. Их использовали для освещения небольших и удаленных объектов и зарядки аккумулярных батарей.

В нашей стране широкое развитие научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области ветроэнергетики началось буквально с первых дней Советской власти. Уже в 1918 г. В.И.Ленин считал необходимым поручить Академии наук включить в план реорганизации промышленности и экономического полъема России наряду с другими проблемами водные силы и ветряные двигатели вообще и в применении к земледелию. Через 3 года он снова возвращается к этому вопросу и в письме к А.П. Серебровскому подчеркивает важность использования ветродвигателей в Азербайджане. В.И. Ленин указывал на необходимость использования непервоклассных сортов топлива для получения электрической энергии с наименьшими затратами на добычу и перевозку горючего. Именно поэтому он придавал большое значение таким энергетическим источникам , как ветер.

Первый этап развития ветроэнергетики в нашей стране ( до середины 30-х годов) характеризуется в основном теоретическими исследованиями. Н.Е. Жуковским и его учениками Г.Х. Сабининым, В.П. Ветчинкиным и др. была разработана теория идеального и реального ветродвигателей, которойпользуются во всем мире. В тот же период созданы аэродинамические профили высокого качества для лопастей ветроколес, спроектированы опытные установки и проведены продувки моделей в трубах, изучены характеристики ветродвигателей. Проводились испытания различных конструкций ветроагрегатов и установок, совершенствовались методы их расчета и проектирования.

Параллельно велись работы по созданию новых моделей и типовветродвигателей. Уже в 1924 году под руководством Н.В. Красовского в отделе ветродвигателей (ОВД) ЦАГИ был разработан быстроходный двигатель мощностью до 50 л.с. с новой системой регулирования частоты вращения колеса, предложенной Г.Х. Сабининым. Она получила название стабилизаторной. С целью расширения работ по созданию ветродвигателей и использованию энергии ветра в 1930 г на базе ОВД ЦАГИ был организован Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ), единственный в мире в то время научно исследовательская оргонизация такого профиля.

В те годы удалось быстро разработать конструкции тихоходных ветродвигателей ВД-5 и ВД-8 для серийного производства. После модернизации эти двигатели, предназначенные для подъема воды, а также для работы с некоторыми сельскохозяйственными машинами (мельницами, дробилками кормов, силосорезками и др.), начали выпускать в больших количествах под марками ТВ-5 и ТВ-8. Была также создана конструкция и освоено производство быстроходного ветродвигателя Д-12 со стабилизаторной системой регулирования, который использовался в сельском хозяйстве, в Арктике, на зимовках, на метеостанциях и для энергоснабжения других объектов.

В связи с началом электрофикации сельского хозяйства были организованы работы по созданию ветроэлектрических станций (ВЭС). В 1930 году была спроектирована, а в 1931 году сооружена в Крыму самая крупная в мире ВЭС Д-30 мощностью 100 кВт. Станция работала до 1942 года и давала электроэнергию в сеть Севастопольэнерго напряжением 6300 В. Среднегодовая выработка энергии ВЭС превышала 270 МВт.ч. Во время Великой отечественной войны она была разрушена. К этому же периоду относится создание в нашей стране проектов самых крупных в мире ВЭС мощностью 1000 и 5000 кВт, которые не смогли быть реализованы из-за войны.

С 1936 г. основные проектные и следовательские работы по использованию энергии ветра, в первую очередь для нуждсела, были переданы Всесоюзному НИИ механизации сельского хозяиства (ВИМ). В 1938 г. в составе Всесоюзного научно- исследовательского института сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ) было организовано конструкторское бюро по серийным ветродвигателям. Ряду предприятий поручили выпуск установок. За 4 предвоенных года только в колхозах и совхозах было построено более 8000 ветросиловых установок, с помощью которых механизировали трудоемкие процессы на фермах, в первую очередь водоснабжение животных.

В этот период и в первые послевоенные годы был принят ряд партийных и правительственных постановлений о развитии ветроиспользования. ХVIII съезд партии в резолюции по 3-му пятилетнему плану (1938-1942 гг.) указал на необъходимость в целях экономии топлива широко развить строительство небольших ветроэлектростанций, организовать массовое производство ветродвигателей и широко развернуть сооружение колхозных ветросиловых установок.

В годы Великой Отечественной войны, когда не хватало топлива, в деревне широко развернулось строительство ветряных мельниц. Сразу после окончания войны было организовано промышленное производство модернизированных ветродвигателей типов ТВ-5, ТВ-8, УНДИМ-Д-10, электрических зарядных ветроагрегатов небольшой мощности и других установок, созданы и выпущены опытными партиями ветроэлектрические станции Д-18 и 1Д-18 ЦАГИ мощностью 30кВт. В законе о 4-м пятилетнем плане развития народного хозяйства страны записано: « Обеспечить массовое строительство ветростанций».

В годы, предшествовавшие второй мировой воине, и вплоть до середины 50-х годов во многих странах нарядус расширением масштабов производства и применения ветродвигателей небольшой и средней мощности большое внимание начали уделять созданию и строительству крупных ВЭС. Так, в начале 1941г. в США была построена станция 1,25 МВт с двухлопастным ветроколесом. Несколько лет она успешно работала, вырабатывая энергию, которая поступала в местную электрическую сеть. В марте 1945 г. ее эксплуатация была прекращена вследствии повреждения одной из лопастей, вызванного вибрацией.

После войны датчане создали три типа ВЭС мощностью 12,45 и 200 кВт для работы на электрическую сеть. Великобритания построила для испытаний несколько демонстрационных 100 киловатных ветроэлектростанций, в том числе одну установку принципиально нового типа системы Андро с пневматической передачей мощности от ветроколеса генератору,установленному вместе с воздушной турбиной в нижней части машины.

Под руководством проф. У.Хюттера в Германии был осуществлен ряд усовершенствований ВЭС. Самая крупная из них имела расчетную мощность 100 кВт. Наиболее совершенными из них были установки фирмы Allgaier .

Французские ученые и конструкторы создали несколько ветроэлектрических станций мощностью от 130 до 800 кВт с синхронным и асинхронными генераторами. Они работали на электрические сети совместно с другими, в основном тепловыми, электростанциями. В этот же период велись работы в области ветроэнергетики в Швеции,Австралии, Канаде, Нидерландах, Аргентине, Мексике и в ряде других стран.

В нашей стране 50-е годы явились новым этапомдальнейшего расширения работ в области использования энергии ветра. В августе 1954 г. Совет Министров СССР принимает развернутое постановление о дальнейшем развитии ветроэнергетики и расширение масштабов использования ресурсов ветра, которым были определены задания по организации исследований, разработке новых конструкций ветроагрегатов, их производству и внедрению в народное хозяйство, улучшению эксплуатации. Была создана Центральная научно-исследовательская лаборатория по ветродвигателям (ЦНИЛВ), группы или лаборатории ветроэнергетики в ряде республиканских научно-исследовательских и проектных институтов. Основное внимание в этот период уделялось использование энергии ветра в сельскохозяиственном производсте.

Уже в середине 50-х годов резко возрос выпуск ветроэнергетического оборудования различных типов только в 1956 г. было произведено 9 тыс. ветродвигателей. Одновременно во Всесоюзном НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) расширились исследования в области эксплуатации ветроустановок, их агрегатирования с рабочими машинами и генераторами по вопросам аэродинамики расширились работы в ЦАГИ. Разработками ветроэнергетического кадастра, вопросов аккумулирования энергии, новых методов расчета конструкции и оптимизации сфер применеия, исследованиями в области повышения надежности и эффективности эксплуатации был занят ряд центральных и республиканских институтов и организаций. Были изобретены новые системы регулирования ветродвигателей, разработаны эффективные методы использования ВЭС, конструкции ветроагрегатов различного назначения, в том числе для пастбищного водоснабжения «Беркут» с электронасосом повышенной частоты, УВЭУ-(1-4)-6 (ныне АВЭУ-6), снабженный погружным электронасосом с двигателем промышленной частоты, ВБ-3Т с насосом вибрационного типа и ряд других. В Казахстане была сооружена многоагрегатная ВЭС мощностью 400кВт, построены и испытаны образцы агрегатов и станций мощностью от 0,2 до 30 кВт.В 1971 году на ряде заводов был организован выпуск опытных партий агрегатов четырёх типов и проведена их эксплуатационная проверка на пасдбищах Чёрных земель Кизлярских степей ив других зонах. Продолжались работы над созданием ветрооогрегата Вихрь с пневмотическим насосом, электрических агрегатов Сокол и УВЕУ-(8-16)-12 мощностью 15 кВт а так же разрабатывались проекты более мощных экспериментальных ВЭС до 100кВт предназначенных для комплексного использование.

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 пмиания 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 «энергитического 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 преоброзования 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.

Дальнейшее развитие ветроэнергетики как отрасли науки и техники, разрабатывающей теоритические основы , методы и средства использования энергии ветра для производства механической, электрической энергии и теплоты, является важной народнохозяйственной проблемой. Одна из задач отрасли- на каждом из этапов развития страны определять масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве.Из двух составных частей ветроэнергетики- ветротехники и ветроиспользования - первая призвана разрабатывать теоретические основы и совершенствовать практические приемы проектирования технических средств, вторая - обосновывать и решать теоретические и практические вопросы оптимального использования ресурсов ветровой энергии, рациональной эксплуатации установок, определения их технико- экономических показателей, обобщения и распространения опыта применения ветроустановок в различных отраслях, зонах и условиях, чтобы решить главную задачу - обеспечить потребность страны в энергии.

§1.2ВЕТЕР КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ.

Ветер в приземном слое образуется вследствие неравномерного нагре-ва земной поверхности Солнцем. Поскольку поверхность Земли неодно-родна, то даже на одной и той же широте суша и водные пространства, горы и лесные массивы, пустыни и болотистые низины нагреваются по-разному. В течение дня над морями и океанами воздух остается сравни-тельно холодным, поскольку значительная часть энергии солнечного излу-чения расходуется на испарение воды или поглощается ею. Над сушей воздух прогревается больше, расширяется, снижает свою массовую плот-ность и устремляется в более высокие слои над землей. Его замещают бо-лее холодные, а следовательно, более плотные воздушные массы, распо-лагавшиеся над водными пространствами, что и приводит к возникнове-нию ветра как направленному перемещению больших масс воздуха. Эти местные ветры, образующиеся в прибрежных зонах, носят название бри-зов. Годовые изменения температуры в береговых районах больших мо-рей и океанов вызывают циркуляцию более крупного масштаба, чем бри-зы, называемые муссонами. Они делятся на морские и материковые, от-личаются, как правило, большими скоростями и в течение ночи меняют свое направление. Аналогичные процессы происходят в гористых местах и долинах вследствие разных уровней нагрева экваториальных зон и полю-сов Земли и многих других факторов. Характер циркуляции земной ат-мосферы усложняется вследствие сил инерции, возникающих при враще-нии Земли. Они вызывают различные отклонения воздушных течений, об-разуется множество циркуляции, в большей или меньшей мере взаимо-действующих между собой.

Сила и направление ветра в различных зонах по-разному изменяются в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Так, на экваторе близко к земной поверхности расположена зона с относительно небольшими и переменными по направлению скоростями ветра, а в верхних слоях возни-кают достаточно большие по скорости воздушные потоки в восточном направлении. На высоте от 1 до 4 км от поверхности Земли, в зоне между 30° северной и южной широт образуются достаточно равномерные воз-душные течения, называемые пассатами. В северном полушарии ближе к поверхности Земли их средняя скорость составляет 7 -- 9 м/с.

Вокруг зоны пониженного давления образуются крупномасштабные циркуляции воздушных масс -- в северном полушарии против направле-ния движения часовой стрелки, а в южном -- по направлению ее движе-ния. Вследствие наклона 23,5° оси движения Земли к плоскости ее враще-ния относительно Солнца происходят сезонные изменения тепловой энер-гии, получаемой от него, величина которых зависит от силы и направле-ния ветра над определенной зоной земной поверхности. 36

На относительно большой высоте над поверхностью Земли (в среднем 8-12 км) в тропосфере возникают достаточно равномерные и мощные воздушные течения, получившие название струйных. Их образование вызвано особенностями высотной атмосферной циркуляции, поэтому характеристики струйных течений существенно отличаются от параметров приземного ветра.

Размеры струйных течений в поперечнике достигают 400-600 км, а протяжен-ность - др 1000 км. Обычно они не подвержены большим сезонным изменениям, но могут менять свое расположение по высоте. Так, над Восточной Сибирью и Чу-коткой они иногда опускаются до высоты 3-4 км от поверхности Земли. Ско-рости воздушных масс в ядре струйного течения составляют 30-80 км/ч, но часто доходят до 200 км/ч.

Таким образом, тепловая энергия, непрерывно поступающая от Солнца, преобразуется в кинетическую энергию движения в атмосфере огромных масс воздуха, циркуляция которых и называется ветром.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРА

Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников, который издавна используется человеком, и при благоприятных условиях может быть утилизован в интересах народного хозяйства в значительно больших масштабах, чем это имеет место в настоящее время. По ориенти-ровочным оценкам, энергия,которая непрерывно поступает от Солнца, соответствует суммарной мощности, превышающей 10¹¹ ГВт. Это опре-деляет возможную годовую выработку энергии ветроагрегатами, равную 1,18 * 10¹³ кВт -ч, что во много раз превышает количество энергии, потреб-ляемой сегодня в мире. По оценкам МИРЭК, ежегодно в мире потребляет-ся около 3 млрд. т условного топлива. В развитых странах потребление достигло 0,6 т условного топлива в год на одного человека, в развиваю-щихся - в 3 раза меньше.

Энергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50 - 70 м, реже - до 100 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое. В дальнейшем, по мере создания соответ-ствующих технических средств, могут оказаться практически ценными также струйные течения, характерные для тропопаузы.

Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую цен-ность ветра, является его. скорость. В силу ряда метеорологических факто-ров (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, коли-чества тепловой энергии, поступающей на Землю, и других причин), а также вследствие влияния рельефных условий непрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяются по слу-чайному закону. Поэтому мощность, которую может вырабатывать ветро-установка в различные периоды времени, удается предсказывать с очень малой вероятностью. В то же время суммарную выработку агрегата, осо-бенно за длительный промежуток времени, можно рассчитать с высоким уровнем достоверности, так как средняя скорость ветра и частота распре-деления скоростей в течение года или сезона изменяются мало.

Единицами измерения скорости в СССР являются метр в секунду (м/с) и километр в час (км/ч), за рубежом применяют также миля в час(1 миля/ч = 0,44 м/с). Направление вектора скорости измеряется в граду-сах или румбах и показывает его угловое положение относительно направ-ления (обычно северного), принятого за начало отсчета.

Для измерения мгновенной скорости ветра, т.е. пути воздушного пото-ка, пройденного им за промежуток времени, измеряемый секундами или даже долями секунд, пользуются анемометрами различных конструкций. Чем меньше интервал времени усреднения скорости, тем менее инерцион-ным должно быть ветроприемное устройство анемометра. Поэтому для подобных измерений используют специальный класс приборов - мало-инерционные.

Усредненную за более длительные промежутки (несколько десятков се-кунд или минут) скорость потока измеряют анемометрами и интегрирую-щими устройствами разнообразных типов, которые имеют также приборы для получения визуальных отсчетов и регистрирующую часть, обеспечи-вающую запись скоростей на ленту. Погрешность измерения скорости анемометром может доходить до 5 --7%, поэтому в тех случаях, когда тре-буется большая точность, например при испытаниях в аэродинамической трубе ветродвигателей и их моделей, используют трубку Пито, соединен-ную с микроманометром. На некоторых метеостанциях наряду с анемо-метром иногда еще используют флюгер Вильда, но он не дает требуемой точности измерений скорости, и практически для получения данных с целью проведения энергетичееких расчетов он непригоден.

Мгновенная скорость ветра часто определяет динамическое воздейст-вие воздушного потока на ветродвигатель. Динамические характеристи-ки потока, его порывы влияют на работу автоматических систем регули-рования и ориентации. Количество энергии, которую может выработать ветроагрегат, зависит в первую очередь от усредненной скорости ветра за определенный интервал времени и по всему сечению потока, равному площади поверхности, ометаемой ветроколесом. Именно эта скорость в основном определяет также режимы работы агрегата.

Средняя скорость ветра v за выбранный промежуток времени Т = t₂--t₁ определяется отношением суммы измеренных значений мгновен-ной скорости Vj к числу измерений n:

Среднесуточную скорость v_сут находят делением на 24 суммы среднеча-совых скоростей v₄, а среднегодовую v_r -- делением на 365 суммы всех

v_cyT за год.

Средние значения скоростей в рассматриваемом районе, как правило, определяют по данным наблюдений на метеостанциях, а в ряде случаев -- по материалам анеморазведок. В зависимости от категории и класса метеостанции, требований и особенностей объектов, находящихся побли-зости от обслуживающих станций, метеорологические сроки наблюдений за скоростью ветра устанавливаются различные. Чаще всего приняты интервалы в 3, 4 или 6 ч с измерениями в определенное время, но на части метеостанций и специальных объектов ведут непрерывную запись ско-ростей (например, на Московской и других телебашнях, при некоторых аэропортах, в зонах с аномальным ветровым режимом и т.д.) или прово-дят ежечасные наблюдения.

Класс открытости метеостанции, степень защищенности (затененности препятствиями) анемометра учитывают при измерениях скорости ветра различных направлений (по румбам). Для классификации станций поль-зуются специальной методикой, предложенной В.Ю. Милевским, которая изложена в литературе по метеорологии. Методика обеспечивает возмож-ность лучшей сопоставимости наблюдений, их репрезентативности для обслуживаемой зоны. На метеостанциях получают и накапливают доста-точно точные для практики сведения о среднепериодных скоростях, ко-торые в сравнении с данными, вычисленными по среднечасовым скорос-тям, дают относительно небольшую погрешность. Надо иметь в виду, что на показания анемометров влияют их расположение, макро- и микро-рельеф местности, класс открытости метеостанции. Это следует учиты-вать при пересчете скоростей для определенной высоты и для каждого конкретного района, где предполагается установка ветроагрегата, даже если он расположен сравнительно недалеко от станции.

Средние скорости ветра меняются в различное время суток, разные ме-сяцы и сезоны. Поэтому рассматривают суточный, месячный и сезонный ход скоростей, определяющий общую тенденцию их изменения в ука-занные периоды и оценивающий макроструктуру воздушного потока. Предельные значения скоростей ветра, данные об его интенсивности и микроструктура потока в различных точках его поперечного сечения и продольного вектора за относительно короткие интервалы времени яв-ляются важными режимными характеристиками ветра, используемыми в расчетах на прочность и долговечность агрегатов, при проектировании механизмов привода, систем регулирования и ориентации, схем совмест-ного использования с другими установками и др.

Важной характеристикой является вертикальный профиль ветра, т.е. изменения его скорости по высоте в приземном слое. Влияние зем-ной поверхности на скорость и направление ветра уменьшается по мере увеличения высоты. Поэтому скорость обычно возрастает, а порывис-тость и ускорения потока снижаются. Градиент скоростей летом, как правило, меньше, чем зимой, когда вертикальный перепад температур относительно небольшой. При адиабатическом градиенте температуры в нижних слоях атмосферы вертикальный профиль ветра v (К) аппроксими-руется зависимостями вида

Важнейшее значение для надежности и долговечности ветроэнергети-ческой установки имеют значения предельных скоростей ветра в зоне. Они определяют принимаемые расчетные нормативы при проектировании узлов и конструкций установки на прочность, параметры регуляторов, аэродинамические характеристики лопастей. При определении расчетных значений максимальных скоростей ветра различной вероятности, поль-зуются формулой Л.С. Гандина и Л.Е. Анапольской

где F(x) -- вероятность того, что v превзойдет заданное значение х; (1, у - параметры уравнения, зависящие от характеристик зоны и режи-мов ветра; е -- основание натурального логарифма.

Для оценки относительной скорости ветра в метеорологической прак-тике используют коэффициент, %,

где - -- измеренная в определенный час скорость; v - средняя скорость за выбранный промежуток времени; v_max> v_min -- экстремальные значе-ния скорости ветра за этот период.

Линии, соединяющие точки на карте, имеющие равные величины К, называются изоплетами.

Энергия Е воздушного потока с поперечным сечением F, Дж:

E = mv²/2.

Секундная масса т воздуха, протекающая со скоростью v через это сече-ние, кг/с:

m =pFv.

Подставляя E в m, получаем, Дж/с,

E = pv³F/2,

где р -- плотность воздуха, равная для нормальных условий 1,23 кг/м³ (при t = 15 °С и р = 101,3 кПа или 760мм рт. ст.).

Таким образом, энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. Ветроколесо может преобразовать в полезную работу только часть этой энергии, которая оценивается коэффициентом использования энергии ветра ?. Для идеального крыльчатого ветроколеса максимально достижимая величина ?, рассчитанная по классической теории Н.Е. Жу-ковского и теории Г.Х. Сабинина, равна соответственно 0,593 и 0,687. Современные ветродвигатели при работе в номинальном (расчетном) режиме преобразуют в механическую работу не более 45 -- 48% кинетической энергии ветрового потока, что вызвано различными потерями и другими причинами. Кинетическая энергия, которой потен-циально обладает ветровой поток, зависит от скорости ветра v, температуры воздуха t и атмосферного давления р. Удельная мощность (секунд-ная энергия), которая заключена в потоке, имеющем поперечное сечение, равное 1 м², при t = +15°С и p= 101,3 кПа округленно составляет:

Скорость ветра, м/с....... 4 6 8 10 14 18 22

Мощность потока, кВт/м² ... 0,04 0,13 0,31 0,61 1,67 3,6 6,25

По отношению к этим условиям изменение температуры воздуха от + 15 до 0 °С повышает мощность потока примерно на 6%, а при t = +30 °С энергия, заключенная в потоке, наоборот, снижается на 5%. При постоян-ной температуре воздуха 0°С изменение атмосферного давления, напри-мер, от 103,7 до 97,3 кПа (от 770 до 730 мм рт. ст.) снижает энергию по-тока примерно на 6%.

§1.3ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА И РАБОТЫ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ

Воздушный поток, как и любое движущееся тело, обладает энергией движения, или запасом кинетической энергии. Последняя с помощью ветроколеса или другого рабочего органа преобразуется в механическую энергию. В зависимости от назначения ветроустановки механическая энер-гия с помощью исполнительных механизмов (генератора, компрессора, электролизера и т.д.) может быть преобразована в электрическую, тепло-вую или механическую энергию, а также в энергию сжатого воздуха. Согласно (3.7) -- (3.9) секундная кинетическая энергия Е воздушного потока с площадью поперечного сечения F, имеющего массу т, плот-яость р и скорость v, равна pFv³/2. Замечая, что F - ПR², и сделав соот-ветствующие подстановки, получим, Н*м/с,

Рис1.1. Карусельный ветродвигатель-шторка

Рис 1. 2. Модель карусельного ветродвигателя с поворачивающимися лопастями

1 - вертикальная ось; 2 - горизонтальные планки; 3 - поворачивающиеся лопасти; 4 -ось лопасти

Следовательно, секундная энергия, или мощность воздушного потока, пропорциональна его плотности, плошали поперечного сечения и кубу скорости.

Часть полной энергии потока, воспринятой ветроколесом, которую вет-родвигатель преобразует в механическую энергию, оценивается коэффи-циентом использования энергии ветра

который зависит от типа ветродвигателя и режима его работы.

Секундная работа или мощность, Н-м/с, развиваемая ветроколесом, оп-ределяется по формуле

Р= pv³F

Так как плотность воздуха очень мала (в 800 раз меньше плотности воды), то для получения относительно больших мощностей приходится применять ветродвигатели со значительной поверхностью ветроколеса. Постоянные изменения скорости v приводят к тому, что мощность, раз-виваемая двигателем, изменяется в очень больших пределах: от нуля во время штиля до величины, в десятки раз превосходящей установленную мощность, на которую рассчитывают ветродвигатель при расчетной ско-рости ветра. Для преобразования кинетической энергии воздушного потока в меха-ническую энергию могут быть использованы ветродвигатели различных типов. Первыми (примерно в XVIII в. до н.э.) появились, по-видимому в Персии и Китае, двигатели с вертикальной осью вращения, как наиболее простые. Они получили название карусельных. Чтобы получить вращаю-щий момент на оси, лопасти, движущиеся навстречу ветру, должны быть прикрыты шторкой (рис. 4.3) или поворачиваться ребром к потоку (рис. 4.4). Для этого они укрепляются на оси с помощью шарниров и на активном участке пути (в зоне А) фиксируются в нужном положении специальными устройствами (упорами).

Рис. 1.3. Роторный ветродвигатель

Рис. 1.4. Барабанный ветродвигатель

Разновидностью двигателей карусельного типа являются роторные двигатели, у которых рабочие поверхности выполнены не плоскими, а криволинейными (рис. 4.5). Поэтому давление на них при движении по направлению действия потока и против него разное, что и обусловлива-ет возникновение вращающего момента. Двигатели с плоскими рабочи-ми поверхностями, вращающимися относительно горизонтальной оси, получили название барабанных (рис. 4.6).

Все перечисленные типы двигателей работают в результате наличия разности сил лобового давления, образуемых относительно оси враще-ния. При этом нетрудно показать, что наибольшую мощность двигатель развивает в том случае, когда рабочая плоскость, воспринимающая давле-ние ветра, движется по направлению потока со скоростью, примерно рав-ной 1/3 его скорости. Большинство из указанных типов двигателей имеет весьма простую конструкцию, но тем не менее они не нашли широкого распространения из-за своей тихоходности, громоздкости, малого значе-ния коэффициента использования энергии ветра ij (в лучших условиях он не превышает 0,18), больших трудностей, возникающих при необходи-мости оборудования их системами автоматического регулирования разви-ваемой мощности и частоты вращения.

В последние годы в ряде зарубежных стран (США, Канаде, Аргентине, Великобритании и др.) большое внимание привлекли к себе ветродвига-тели с вертикальной осью вращения, предложенные в 30-х годах фран-цузским изобретателем Дарье. Этот ветродвигатель (рис. 4.7) отличает-ся тем, что его ветроприемное устройство -- ротор состоит из двух-четы-рех изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении аэродинамичес-кий профиль. Лопасти, закрепленные в точках А и Б на оси вращения, изогнуты так, что образуют пространственную конструкцию, вращаю-щуюся под действием подъемной силы, возникающей на лопастях от ветрового потока. Это позволяет повысить величину ? до 0,3--0,32. Пре-имуществами такого ветродвигателя являются его меньший относитель-ный вес на единицу мощности, чем у других типов двигателей с верти-

риc. 1.5. Ветродвигатель (ротор) системы Дарье:

1 - лопасти; 2 - вал; 3 - растяжки; 4 - опора; 5 - привод

кальной осью вращения, большая быстроходность. Кроме того, в отли-чие от двигателей с горизонтальной осью система Дарье не нуждается в механизме ориентации по направлению ветрового потока.

Более совершенными двигателями являются так называемые крыль-чатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения ветроколеса, ра-бочий момент на котором создается за счет аэродинамических сил, воз-никающих на лопастях, которые в простейших конструкциях представ-ляют собой плоскости. В современных агрегатах применяют лопасти, имеющие специальный аэродинамический профиль. Они появились при-мерно в IV--III в. до н. э. в Александрии [321.

Рис. 1.6. Принципиальная схема ветродвигателя крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения:

/ - редуктор; 2 - генератор; 3 - вертикальный вал

Рис. 1.7. Принцип работы ветроколеса:

а - подъемная сила крыла Р_у; б - план скоростей воздушного потока и сил, действующих на лопасть

Такие ветродвигатели более быстроходные, имеют меньшую относительную массу, снабжены устройствами, автоматически регулирующими развиваемую мощность, ограничивающими частоту вращения и ориентирующими ось вращения ветроколеса по направлению вектора скорости потока. Коэф-фициент использования энергии ветра у них примерно в 3 раза выше, чем у двигателей карусельного, роторного и барабанного типов.

В большинстве стран производят и применяют только крыльчатые вет-родвигатели. Двигатели других типов изготовляют обычно кустарным пу-тем или производят в очень небольших количествах. Поэтому в дальней-шем мы будем рассматривать только агрегаты и установки с двигателями крыльчатого типа. Основным рабочим органом такого двигателя являет-ся ветроколесо с лопастями, расположенными по радиусам и под некото-рым углом tp к плоскости вращения. Число лопастей может быть различ-ным и зависит от назначения двигателя. При обтекании воздушным пото-ком крыла под ним создается зона повышенного давления, а над ним, напротив, пониженного. Это обусловливает возникновение подъемной силы P_v, которая создает вращающий момент на ветроколесе

Электрические зарядные ветроагрегаты, предназначенные для зарядки аккумуляторов с целью освещения жилищ чабанов, полевых станов, юрт оленеводов, палаток и домиков различных экспедиций, а также для пита-ния сигнальных устройств, радиоузлов, приемников и телевизоров, обыч-но имеют мощность 1 кВт и используются в неэлектрифицированных, удаленных от линий электропередачи и малонаселенных районах, где v_v > 3,5 м/с. Агрегаты мощностью от 50 Вт до 1,5 кВт применяют также в качестве энергоустановок для питания устройств катодной защиты ма-гистральных нефте- и газопроводов, морских эстакад, питания автома-тических метеостанций и опреснительных установок индивидуального пользования. Агрегаты снабжены аккумуляторными батареями низкого напряжения (6--24 В), которые работают в буферном режиме.

Агрегат АВЭУ-2 (прежняя марка -- АВЭС-0,1) имеет следующие узлы (рис. 5.26): ветроколесо 1 диаметром 2 м, головка 2, хвост 3, стойка 4 и электрический щиток с аккумуляторной батареей. Стойка головки при-креплена к опорному столбу 5 и растяжками 6, на котором укреплен ры-чаг ручного управления, с помощью которого, тормозя вал генератора, останавливают агрегат.

Ветроколесо имеет две металлические лопасти, поворачивающиеся в подшипниках втулки, закрепленной- на валу генератора. Центробежный регулятор работает по такому же принципу, как и агрегат «Беркут». В зависимости от скорости ветра и величины нагрузки частота вращения изменяется в диапазоне от 300 до 800 об/мин.

На стойке, несущей ферму с хвостовым оперением, закреплен генера-тор с возбуждением от постоянных магнитов. В нем расположены трех-фазная неподвижная статорная обмотка и ротор в виде восьмиполюсного постоянного магнита. Они размещены в корпусе из алюминиевого сплава. В зависимости от способа соединения обмоток генератор вырабатывает ток напряжением 26 или 15 В.

Генератор соединен с электрическим щитком трехжильным кабелем, пропущенным сквозь трубу стойки, которая может поворачиваться в

Таблица 1

Полезная мощность и подача агрегата «Сокол», м³/чупорном шарикоподшипнике и направляющей втулке. Щиток имеет один-два селеновых выпрямителя, собранных по трехфазной двухполу-периодной схеме, амперметр для контроля работы агрегата, выключатели, предохранитель и зажимы для присоединения нагрузки к аккумулятор-ной батарее (рис. 5.27). Транзисторный преобразователь используется для питания телевизора.

Рис.1.9. Электрическая схема агрегата АВЭУ-2:

/ - ветроэлектроагрегат; 2 -- электрощит; 3 - преобразователь; 4 - телевизор; 5 - радиоприемник; 6 - аккумуляторные батареи; 7 - электрическое освещение

Рис. 1.10. Электрический агрегат Д-4 для зарядки аккумуляторных батарей

Для предохранения батарей от перезаряда и выкипания электролита предусмотрена релейная автоматика, которая подключа-ет к генератору дополнительную нагрузку при достижении напряжения аккумулятора 15 В и избытке мощности. Этим снижаются напряжение и ток заряда до 0,5 - 1 А.

Агрегат работает с аккумуляторными батареями 6СТ-128 или ЗСТ-84 напряжением 6,12 или 24 В.

Агрегат Д-4 представляет интерес как пример весьма прос-того по конструкции и устойчивого в работе устройства для получения электрической энергии. Он имеет ветроколесо с регулятором частоты вра-щения, редуктор, генератор, опору с хвостом, опорный столб с растяж-ками и рычагом механизма ручного пуска и останова, а также электри-ческий щиток. Простейший по конструкции редуктор и генератор постоян-ного тока мощностью 750 Вт составляют головку Колесо и ре-гулятор по принципу действия такие же, как у агрегата «Беркут».

ГЛАВА 2

ВИДЫ ЭНЕРГИИ МИР ...........