История и теория вопроса

Реферат

по дисциплине: «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

на тему: «Типы и конструкции ветрогенераторов»

 

 

Выполнил:

студент 4 курса гр. ТТ-4516 з

Федотов Д.Б

Принял(а):

старший преподаватель

Гусева А.М.

 

Тверь 2020

Содержание

Введение …………………………………………………….……………………….3

1. История и теория вопроса ………………………………………………………6

2. Основные виды ветрогенераторов………………………………………………14

3. Разновидности вертикальных генераторов (карусельный тип)………………14

      3.1.  Генераторы  с ротором Савоуниса……………………………………………14

3.2. Генераторы с ротором Дарье…………………………………………………15

3.3. Геликоидный ротор……………………………………………………………15

3.4. Многолопастный ротор……………………………………………………….15

3.5. Ортогональный ротор…………………………………………….…………..16

      4. Горизонтальные ветрогенераторы (крыльчатые)……………………………….17

4.1.  Ветрогенератор, устроенный по типу парусника…………………………….17

4.2. Летающий ветрогенератор-крыло…………………………………………….18

4.3. Ветрогенератор – подводная турбина…………………………………………18

5. Применение ветрогенераторов…………………………………………………..19

6. КПД ветрогенераторов…………………………………………………………..20

7. Стоимость ветрогенераторов…………………………………………………….20

8. Производители ветрогенераторов………………………………………………..22

9. Правило подбора…………………………………………………………………..23                                                                                            Заключение …………………………………………………………………………..25                                                                                                   Список литературы ………………………………………………………………….26                                                                                                            

 

Введение

Еще в Древнем Египте за три с половиной тысячи лет до нашей эры применялись ветровые двигатели для подъема воды и размола зерна. За пятьдесят с лишним веков ветряные мельницы почти не изменили свой облик. Например, в Англии имеется мельница, построенная в середине XVII в. Несмотря на свой преклонный возраст, она исправно трудится и по сей день. В России до революции насчитывалось приблизительно 250 тыс. ветряных мельниц, общая мощность которых составляла около 1,5 млн. кВт. На них размалывалось до 3 млрд. пудов зерна в год.

Рис.1. Персидская ветряная мельница

Рис.2. Греческая ветряная мельница

С появлением ветряных мельниц, была облегчена одна из самых тяжелых крестьянских работ - вращение тяжелых каменных жерновов, перетирающих зерно в муку. Теперь это делал ветер, крутя крылья мельницы. Одна из первых ветряных мельниц была найдена в Персии - в ней крылья были насажены на ту же ось, что и жернова. Всем была хороша персидская мельница, но вот беда - она могла работать лишь при сильном устойчивом ветре. Когда его порывы стихали, вращать жернова приходилось по старинке - с помощью быков, а то и рабов. И вот, приблизительно шестьсот лет назад, началось строительство мельниц башенного типа с огромными крыльями, расположенными горизонтально к поверхности земли. Одна из первых таких мельниц появилась в Голландии, издавна славившейся изобретательными мастерами. В 1745 году некий Эдмунд Ли осчастливил мельников изобретением нового типа крыльев - деревянных каркасов, обтянутых материей. Выдумка оказалась настолько удачной, что применяется в ветряных мельницах и сейчас.

Рис.3. Ветряная мельница Эдмунда Ли

Ветряные мельницы оказались прекрасными источниками даровой энергии. Неудивительно, что со временем их стали использовать не только для размола зерна. Ветряки вращали дисковые пилы на больших лесопилках, поднимали грузы на большие высоты, использовались для подъема воды. Наряду с водяными мельницами они оставались, практически, самыми мощными машинами прошлого. В той же Голландии, например, где ветряков было больше всего, они успешно работали до середины нашего века. Часть их действует и в настоящее время. Что интересно, мельницы в средневековье вызывали у некоторых суеверный страх - настолько непривычными были даже простейшие механические приспособления. Мельникам приписывали общение с нечистой силой. Время шло, и люди все чаще задумывались о ветре как о источнике бесплатной энергии. Наступил такой этап развития технологии, когда стали строить электрогенераторы. И в Дании в 1890 году построили первый ветрогенератор для производства электричества. Такие ветрогенераторы устанавливались в труднодоступных местах, куда было неудобно или невыгодно передавать ток с обычных электростанций. В конце концов, ветровые турбины стали давать четверть всей нужной датской промышленности энергии. Между 1920 и 1930 годами ветровые генераторы стали появляться в Австралии и США. В 1937 году в Крыму была построена крупнейшая в мире, как говорили тогда, ветроэлектрическая станция. Она действительно была внушительных размеров, но ток, который ветрогенератор давал в электрическую сеть Севастополя, мощностью своей не превышал 100 кВт.

Рис.4. Ветрогенератор в Калифорнии

Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, которая может быть использована в следующих регионах: области: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская; края: Краснодарский, Приморский, Хабаровский; а также: Дагестан, Калмыкия, Карелия, Коми, Ненецкий автономный округ, Таймырский автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.

История и теория вопроса

Первые механические машины, приводимые в действие силой ветра, придумал Герон Александрийский, в I веке до нашей эры (он же создал и первый образец турбины, вращаемой при сгорании топлива). Правда, его ветряк решал не практическую задачу, а развлекательную. Это была разновидности музыкального инструмента, действующего при вращении колеса набегающим ветром.

Около 400 года нашей эры в Индии в буддистских храмах появляются ветряки с вертикальной осью вращения — молитвенные машины. Легко заметить их кардинальное отличие от схемы Герона — буддистский вариант ветряка «положен на бок».

Практическое приложение ветровые машины нашли в IX веке в Иране (описания Абу Исхака аль-Истахри). Однако они не имели ничего общего с теми, к которым привыкли мы. Это были башни, по периметру которых стояли сетчатые конструкции, обтянутые тканью. Ветер вращал их, а специальный механизм преобразовывал вращение вертикальной оси в движение жерновов или работу водоподъемного устройства.

Рис.5. Ветрогенератор

 

Из Ирана новинка достигла Индии и Китая, но не Европы, тогда очень слабо заимствовавшей технические инновации.

 

Рис.6. Ветряная мельница

В 1185 году первая ветряная мельница упомянута в Йоркшире (Англия), и этот первый западный ветряк был уже привычного нам типа — с горизонтальной осью вращения, на которую насажены вертикально вращающиеся лопасти. Как мы видим, уже с XII века западный и восточный подход к ветрякам были противоположными.

Преимущества восточной схемы перед западной очевидны. Ветряк с вертикальной осью вращения работает, каким бы ни было направление ветра, поэтому китайцы и иранцы могли оставить его без присмотра и пойти заниматься более важными делами. Кроме того, у восточного варианта при равной мощности гораздо выше парусность конструкции, отчего он начинает работать уже при слабом ветре.

С другой стороны, западный ветряк с горизонтальной осью вращения имеет свои сильные стороны. Да, его надо «держать по ветру», зато его лопасти всегда испытывают действие ветра только с одной стороны, что повышает их энергоотдачу. Восточный же при каждом обороте испытывает момент, когда лопасти проворачиваются и ветер «ударяет» по ним с другой стороны. Инерции хватает, чтобы конструкция вращалась дальше, но мачту сильно трясет, и часть энергии вращения уходит на компенсацию «удара». Из-за этих переменных нагрузок мачту или башню надо делать прочнее и массивнее. Итоги очевидны: западный ветряк сложнее в управлении, но эффективнее и дешевле.

Ветряные мельницы были крайне широко распространены в Европе вплоть до паровых машин и электричества. Они почти не требовали персонала, линий электропередач (что важно в сельской местности), и работали менее шумно. Ну а вариант ветряка, поднимающего воду из скважины, и до сих пор крайне популярен в третьем мире, где электрификация все еще не затронула более миллиарда человек.

Попытки подружить ветер и электричество были предприняты весьма рано. Первый ветряк, производящий электроэнергию, был построен в Дании в 1890 году. На Западе их размеры в начале XX века достигли 25 метров в высоту, а размах лопастей — 23 метров. Увы, все сгубила проблема переменчивости ветра. Электричество нужно было и тогда, когда он не дул, а дизель-генераторы и ЛЭП оказались довольно дешевы. Так ветряки и были вытеснены в далекие поля, где работали на орошение.

Рис.7. Ветряки

В СССР до открытия сибирских нефтегазовых месторождений активно разрабатывали альтернативные источники энергии по причинам стратегического характера. 90 процентов советской нефти добывалось на Кавказе, и было очевидно: в любой войне противник постарается туда ударить. Так планировала поступить французская авиация в 1940 году. Лишь уничтожение Третьей республики Гитлером не дало этому осуществиться. Так хотел сделать и сам Гитлер, но тоже не преуспел. Чтобы обезопасить себя, советская власть поощряла самую разную альтернативу — от полуторок на дровяных газогенераторах, до... ветряков с маховиками-накопителями.

Да-да, именно такое чудо в 1931 году было запущено в Курске. Мощностью всего в 35 киловатт, он оснащался «накопительным диском» (в треть тонны), вращавшимся в емкости, откуда был откачан воздух, чтобы снизить трение.Ветроэлектростанция изобретателя Уфимцева освещала его дом и питала мастерскую и тогда, когда никакого ветра не было. Однако, в 1936 году он умер, и с тех пор станция (она все еще стоит) так никогда и не запускалась.

Рис.8. Ветрогенератор в Курске

Впрочем, и без накопителей советские ветряки были в лидерах. В 1931 году под Балаклавой был построен самый мощный в мире ветрогенератор на 100 киловатт (размах лопастей — 30 метров). Интересно, что немцы, сегодня стоящие на острие развития ветроэнергетики, тогда относились к ВЭС довольно грубо. В 1941 году их обстрел вывел крупнейший ветряк планеты из строя. Возможно, дело было в зависти — их собственные ветряки тогда давали не более 70 киловатт и были много меньше. В 1950—1955 годах в СССР производилось 9 000 ветроустановок в год — мощностью до сотен киловатт. Ну а как еще до дизель-генераторов можно было обеспечить энергией целину и север?

Рис.9. Ветряк с горизонтальной осью вращения

Сегодняшний ветряк с горизонтальной осью вращения, на самом деле, не так уж зависит от малейших колебаний скорости ветра.Vestas V164 имеет 220 метров в высоту (полторы пирамиды Хеопса) и лопасти размахом в 164 метра (более чем 50-этажный дом). Общий вес его стеклопластиковых лопастей — 100 тонн. По сути, такая конструкция имеет свой накопительный диск, только масса его в 300 раз больше, чем у Уфимцева.

При этом ожидается дальнейший рост высоты ветряков и размаха их лопастей, а значит — им еще меньше грозят мелкие остановки. Считается, что имеет смысл увеличивать размеры как минимум до высот в 300-400 метров и размаха лопастей до 300 метров.

Начиная с сименсовской Enercon E-126 уже есть и метод создания таких колоссальных лопастей — их составляют из двух вставляющихся друг в друга секций. Ряд производителей планирует довести их число даже до трех.

Мощность того же Vestas V164 уже вышла за 9 мегаватт, а удвоение размаха его лопастей принесет рост мощности ветряка до 40 мегаватт. Что еще более важно, с каждой сотней метров высоты среднегодовая скорость ветра заметно растет. С действительно большими конструкциями есть смысл строить ВЭС даже в лесистых районах, где у земли скорость ветра обычно довольно мала.

В силу непрерывного роста размеров ветряков стоимость их энергии все время падает. Посудите сами: люди умеют недорого строить даже 828-метровые здания, и с ростом их высоты затраты растут линейно. А вот выработка ветряка при каждом удвоении высоты растет уже в квадрате. Эффект масштаба работает в ветровой энергетике очень заметно.

Действительно, еще пять лет назад, в 2012 году, ветряки на Западе давали электричество дороже 10 центов за киловатт-час. Однако сегодня эта цифра, как отмечает Минэнерго США, упала до 4-5 центов за киловатт-час. Даже новые морские ветряки, которые обычно дороже сухопутных, дают энергию за 6-7 центов за киловатт-час, и цена эта снижается еще быстрее, чем на суше. Причина в том, что на море можно возить лопасти хоть по 200 метров, благо места на морских «дорогах» много и тесноты нет.

Хорошо, скажете вы. А как быть с периодами штиля, когда сильного ветра не бывает неделями? Что ж, для этого в Европе и строят морские ветряки. Над морем есть «проходные места», где штиля практически не бывает. К счастью для европейцев, они к ним близко и часто на мелководье. Например, все Северное море довольно мелкое, как и, кстати, большая часть вод у восточного побережья США. К тому же в этом году вошла в строй и первая в мире ветровая плавучая электростанция на десятки мегаватт. Ее ветряки заякорены, и рабочие глубины для них — до 800 метров. Общая площадь морей такой глубины такова, что с них можно обеспечить энергией весь мир и по многу раз. Потери в высоковольтных ЛЭП постоянного тока сейчас упали ниже 3 процентов на тысячу километров — то есть "морская" ветровая энергия дотянется даже вглубь материков.

В то же время не стоит идеализировать устойчивость ветроэлектростанций. Да, они могут давать энергию круглый год, причем зимой те же морские ветряки дадут энергии больше, чем летом — зимние шторма помогут. Однако, с утренними и вечерними пиками потребления не справиться и им — ветер примерно одинаково дует и в 19:00 вечера, и в 03:00 часа ночи. Поэтому на Западе полагают, что несколько процентов общегодовой выработки и в будущем будут давать «пиковые» газовые ТЭС. Топлива они при этом будут потреблять много меньше, чем сегодня, когда массивы морских ветряков еще не построены. Но стоит напомнить, что этого вряд ли придется долго ждать.

Сегодня ветроэнергетика производит более триллиона киловатт-часов в год — больше, чем вся энергетика России. И если электрогенерация в нашей стране с 1990 года так и не выросла (в силу примерно того же объема промышленного производства), то про ветряки этого не скажешь. Всего 10 лет назад они не давали даже одной десятой от современной выработки. Уверенно можно сказать, что через десять лет ВЭС планеты будут давать много больше, чем сейчас. Тем более, что больше всего ветряков в настоящее время строит Китай, а там умеют развертывать действительно массовое производство.

Самым неожиданным пируэтом на пути человечества к ветровой энергетике может похвастаться Россия. Когда ВЭС были непопулярны на Западе, они были на подъеме у нас. Когда в мире их стали активно развивать, в стране появились просто толпы экспертов из энергетической отрасли, которые указывали: «Место для ветряков в Европе кончилось». Правда, с тех пор, как у нас начали это говорить, мощность ВЭС у европейцев выросла в десятки раз и продолжает расти. Видимо, до них мнение наших экспертов не довели.

Ну а в 2016 году мы внезапно еще раз поменяли мнение, так сказать, вернулись в добрежневский СССР. Первым на государственном уровне сказал свое веское слово Росатом. Его замгендиректора Вячеслав Першуков честно отметил: после выполнения имеющихся заказов на строительство новых АЭС за рубежом Росатом может остаться без зарубежных строек, поскольку этот рынок быстро сокращается. Атомная генерация за пределами России, действительно, переживает упадок, и никаких перспектив выхода из него не видно.

Главная причина проста: энергия АЭС западной постройки стоит дорого. Энергия АЭС российской постройки дешевле, но все равно не настолько, как у новых западных ветряков. Да, для компенсации их непостоянства нужно немного газовых ТЭС, но для АЭС они тоже нужны. Ведь реактор всегда дает одинаковую выработку, а люди потребляют днем куда больше, чем ночью. При равной цене и равных проблемах западный покупатель, на которого вечно давят "зеленые", никогда не выберет атомную генерацию.

Но для стран с северными территориями ветер может сыграть иную роль — основного генератора. В России это вряд ли случится, и не только потому, что южнее Самары у нас немало солнца. Более важно то, что мы не можем оставить ни атомную, ни газовую энергетику из-за огромной инфраструктуры, которую для них построили. И тем не менее, к 2030-му ветряки станут частым элементов и в российских пейзажах — как сейчас в Германии или Великобритании.

Ветрогенераторы используют мощь и силу ветра для производства электрической энергии. Современная жизнь человека немыслима без электричества, даже в отдаленных от электроснабжения районах. Ветряные производители экологически чистой энергии света выполняют роль альтернативного источника.

 

И приобретают с каждым годом все большую популярность. Чем больше ассортимент товара, тем больше возникает вопросов, какой тип ветрогенератора предпочесть. И по производительности и по деньгам.