Ветроэнергетические установки (ВЭУ)

В ВЭУ чаще всего используются: синхронные и асин­хронные (генераторы), реже асинхронизируемые синхронные генераторы.

Уровень шума крупных ВЭУ непосредственно у основания баш­ни не превышает 100 дБ. Обычно для энергетических целей ис­пользуют кинетическую энергию приземного слоя воздуха высо­той не более 200 м с максимальной его плотностью р. При этом для повышения мощности единичной ВЭУ с заданным диамет­ром ротора стремятся увеличить высоту башни, так как скорость ветра увеличивается с высотой.

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую про­исходит с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые можно классифицировать по следующим признакам:

 - по мощности – малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);

- числу лопастей рабочего колеса – одно-, двух-, трех- и мно­голопастные;

- отношению рабочего колеса к направлению воздушного пото­ка – с горизонтальной осью вращения, параллельной вектору скорости (рис. 6.2, а), или с вертикальной осью вращения, пер­пендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис. 6.2, б).

В настоящее время в мире и в России наибольшее распростра­нение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вра­щения, в состав которых входят следующие основные компонен­ты: рабочее колесо У, гондола с редуктором и генератором 2, башня 3 и фундамент 4.

Башня – чаще трубообразная, реже – решетчатая, на ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее ко­лесо или ротор с лопастями, преобразующий энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вра­щения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть же­стко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ.

Чем больше расчетная скорость ветра, тем больше эффектив­ность ВЭУ. Обычно в качестве расчетной скорости применяется среднегодовая скорость ветра, которая относительно мало меняется по годам. В то же время скорость ветра в течение года может существенно меняться во времени (как в течение суток, так и года в целом).

В ветроэнергетических расчетах учитывается также и «роза вет­ров», т.е. характерные направления скоростей ветра в данной точке в течение года. Особое значение «роза ветров» приобретает в случае строительства ветропарков или ветроэлектростанций (ВЭС), состоящих из нескольких ВЭУ (десятков – сотен) в дан­ной местности.

Для оценки перспективности ВЭУ в данной местности или регионе необходимо знать его валовые, технические и экономи­ческие ветроэнергетические ресурсы. Для России в целом указанные виды ресурсов соответственно равны: 80000, 6218 и 31 ТВт-ч. На сегодняшний день практическое использование указанных ре­сурсов ветра в России незначительно. Обычно в мировой практи­ке принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в дан­ной местности превышает 6 м/с, то использование ВЭУ там весь­ма перспективно.

 

 

Рисунок 8.1 – Виды ветроэнергетических установок: а – ВЭУ с горизонтальной осью вращения; б – ВЭУ с вертикальной осью вращения; 1 – рабочее колесо; 2 – гондола с редуктором и генератором; 3 – 4 – фундамент установки

 

Для среднегодовых скоростей ветра от 3 до 6 м/с необходимы детальные технико-экономические расчеты, в том числе и учет условий использования ВЭУ – в объединенной или локальной системе электроснабжения или для питания автономного потре­бителя, а также конкретные социально-экологические и эконо­мические характеристики рассматриваемого региона.

Весьма перспективным для России представляется совместное использование ВЭУ и дизельных энергоустановок (ДЭУ), кото­рые в настоящее время составляют основы локальных систем элек­троснабжения обширных северных и приравненных к ним терри­торий страны.

Использование энергии ветра в России весьма незначительно, хотя в стране имеется хороший производственный потенциал для разработки серийных или массовых ВЭУ любой мощности (от со­тен ватт до 1 МВт).

Весьма ощутимы успехи развития ветроэнергетики в мире, где ежегодный прирост мощности в последнее пятилетие составил 30 % и более в разных странах.

Солнечная энергетика

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представ­ляет собой самый значительный источник энергии, которым рас­полагает человечество. Поток солнечной энергии на земную по­верхность эквивалентен 1,2-10¹⁴ т условного топлива. Солнце, как и другие звезды, является раскаленным газом. В его составе 82% водорода, 17 % гелия, остальные элементы составляют около 1 %. Внутри Солнца существует область высокого давления, где тем­пература достигает 15... 20 млн °С. Кислород на Солнце имеется в незначительном количестве, поэтому процессы горения, пони­маемые в обычном смысле, не протекают сколько-нибудь замет­но. Огромная энергия образуется на Солнце за счет синтеза легких элементов водорода и гелия.

Одна из проблем использования солнечной энергии заключа­ется в том, что наибольшее количество ее поступает летом, а наи­большее потребление энергии происходит зимой.

Солнечная энергетика – отрасль науки и техники, разрабаты­вающая основы, методы и средства использования солнечного излучения или солнечной радиации для получения электрической, тепловой и других видов энергии и использования их в народном хозяйстве.

Солнечное излучение (СИ) – это процесс переноса энергии при распределении электромагнитных волн в прозрачной среде. По квантовой теории электромагнитные волны – это поток элемен­тарных частиц и фотонов с нулевой массой покоя, движущихся в вакууме со скоростью света.

Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн км. Площадь поверхности Земли, облучаемой Солнцем, составля­ет около 500-10⁶ км². Поток солнечной радиации, достигающей Земли, по разным оценкам составляет (7,5... 10)-10⁷ кВт ч/год, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии.

Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов: широты и долготы местности, ее географических и кли­матических особенностей, состояния атмосферы, высоты Солнца над горизонтом, размещения приемника СИ на Земле по отно­шению к Солнцу и т.д.

Поток солнечного излучения на Землю меняется, достигая максимума в 2200 кВт ч/м² в год для северо-запада США, запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Ара­вии и Центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в пределах от 800 до 1400 кВт - ч/'м² в год. При этом продолжительность солнечного сияния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год. Максимум указанных значений на Земле составляет более 3600 ч/год. За год на всю территорию Рос­сии поступает солнечной энергии больше, чем энергия от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.

В мире сегодня солнечная энергетика весьма интенсивно раз­вивается и занимает важное место в топливно-энергетическом комплексе ряда стран, например в Германии. В этой стране и в некоторых других развитых и развивающихся странах принят ряд законов на государственном уровне, которые дают существенную поддержку развитию нетрадиционных возобновляемых источни­ков энергии и, в частности, солнечной энергетике.

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнеч­ных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:

- виду преобразования солнечной энергии в другие виды энер­гии – теплоту или электричество;

- концентрированию энергии – с концентраторами и без кон­центраторов;

- технической сложности – простые (нагреватели воды, сушил­ки, нагревательные печи, опреснители и т.п.) и сложные.

Первый вид установок базируется в основном на системе пре­образования солнечного излучения в теплоту, которая чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К ним относятся: башенные солнечные электростанции, солнечные пру­ды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндри­ческими концентраторами.

Второй вид базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлект­рических установок (СФЭУ).

Солнечные коллекторы (СК) – это технические уст­ройства, предназначенные для прямого преобразования СИ в теп­ловую энергию в системах теплоснабжения для нагрева воздуха, воды или других жидкостей. Системы теплоснабжения принято разделять на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевы­ми являются пассивные системы теплоснабжения, которые для сбора и распределения солнечной энергии используют специаль­ным образом сконструированные архитектурные или строитель­ные элементы зданий и сооружений и не требуют дополнитель­ного специального оборудования.

В настоящее время в мире все большее распространение полу­чают активные системы теплоснабжения со специально установ­ленным оборудованием для сбора, хранения и распространения энергии СИ, которые по сравнению с пассивными позволяют значительно повысить эффективность использования СИ, обес­печить большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширить область применения солнечных систем теплоснабже­ния в целом.

Солнечные коллекторы классифицируют по следующим при­знакам:

- назначению – для горячего водоснабжения, для отопления;

- виду теплоносителя – жидкостные и воздушные;

- продолжительности работы – сезонные и круглогодичные;

- техническому решению – одно-, двух- и многоконтурные.

Сегодня наиболее распространены плоские водонагреватели или СК, позволяющие использовать как прямую, так и диффузную составляющие СИ, которая весьма значительна в условиях России.

Такой СК представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны к СИ и боков ящик (рис. 6.3). Внутри него расположены теплопоглощающие каналы, по которым движется теплоноситель. Сверху С К закрыт светопроникающим материалом. Циркуляция теплоносителя (чаше всего воды) в таком подогревателе может осуществляться принудительно с помощью небольшого насоса или естественным путем за счет разности гидростатических давлений в столбах холодной и горячей воды.

Обычный солнечный водоподогреватель для нагрева воды до 60 ^вС, в котором облучаемая поверхность ориентирована на юг под углом 25...35^е к горизонту имеет дневную производитель­ность в среднем 70...80 л воды с 1 м² поверхности нагревателя.

В ряде стран мира солнечные коллекторы систем теплоснаб­жения стали обычным атрибутом жизни. Технологии эффектив­ного нагрева воды для бытовых целей с помощью СИ достаточно хорошо отработаны. Например, в США более 60 % находящихся в среднем на широте Крыма частных и общественных бассейнов обогревается за счет СИ. При этом используются простейшие и дешевые системы – бесстекольные, без тепловой изоляции, пла­стиковые.

Рисунок 8.2 – Солнечный водонагреватель: а – схема установки; б – секция солнечного водонагревателя; в – параболический концентратор СИ

 

Солнечные фотоэлектрические установки в на­стоящее время находят все более широкое распространение и при­менение как источники энергии для средних и малых автономных потребителей, а иногда и для больших солнечных электростан­ций, работающих в энергосистемах параллельно с традиционны­ми ТЭС, ГЭС и АЭС. Конструктивно СФЭУ обычно состоит из солнечных батарей в виде плоских прямоугольных поверхностей, работа которых состоит в преобразовании энергии СИ в электри­ческую энергию. Электрический ток в фотоэлектрическом генера­торе возникает в результате процессов, происходящих в фотоэле­ментах при попадании на них СИ. Наиболее эффективны фото­электрические генераторы, основанные на возбуждении электро­движущей силы (ЭДС) на границе между проводником и свето­чувствительным полупроводником (например, кремний) или меж­ду разнородными проводниками.

Фотоэнергетика сделала очень большие шаги в решении двух основных проблем: повышении КПД СФЭУ и снижении стоимо­сти их производства.

Наибольшее распространение получили СФЭУ на основе крем­ния трех видов.

В последние годы появился весьма перспективный конкурент для кремния в СФЭУ – арсенид галлия. Установки на его основе даже в однослойном исполнении имеют КПД до 30 % при гораздо более слабой зависимости КПД от температуры, поскольку во время работы СФЭУ поверхности их сильно нагреваются, что приводит к снижению энергетических показателей. Для охлажде­ния таких установок необходимо использовать охлаждающую воду.

В настоящее время СФЭУ с успехом используются в ряде стран мира, особенно в Японии, Германии и США.

По экспертным оценкам, вновь вводимая за год мощность СФЭУ в мире в 2005 г. составит 200 МВт, а в 2010 г. – 700 МВт при среднегодовом приросте около 25 %.

Сегодня в России имеются достаточная научная база для раз­вития фотоэнергетики и мощное промышленное производство, которое способно создавать любые современные СФЭУ.