«нетрадиционные способы получения энергии»

Вид материала

Документы

Содержание 3.1 Классификация источников энергии 3.2 Ветровая энергия Ветрогенераторы с вертикальной осью Строение малой ветряной установки

Подобный материал:

• Халькогенсодержащие органические соединения для преобразователей энергии и информации., 961.61kb.
• Рабочей программы дисциплины Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (наименование), 32.41kb.
• Тема: нетрадиционные источники энергии, 237.02kb.
• Доклад по дисциплине: " нетрадиционные источники энергии " на тему : "Приливные электростанции", 77.94kb.
• «Нетрадиционные источники энергии как стратегия энергосбережения», 570.28kb.
• Использование нетрадиционных источников энергии на автомобильном транспорте, 37.54kb.
• Аннотация программы учебной дисциплины «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», 26.18kb.
• Внаше время, с каждым годом возрастают потребности человечества в энергии, 154.4kb.
• Реферат на тему нетрадиционные источники энергии, 360.42kb.
• Международная Ассоциация устойчивого развития стран-членов ЕврАзЭС, 293.99kb.

3.1 Классификация источников энергии Тип источников Преобразуют в энергию Ветряные Движение воздушных масс Геотермальные Тепло планеты Солнечные Электромагнитное излучение солнца Гидроэнергетические Движение воды в реках или морях Биотопливные Теплоту сгорания возобновляемого топлива (например, спирта) 3.2 Ветровая энергия Энергию ветра относят к ссылка скрыта, так как она является следствием деятельности ссылка скрыта. В связи с постоянными выбросами промышленных газов в атмосферу и другими факторами возрастает контраст температур на земной поверхности. Это является одним из основных факторов, который приводит к увеличению ветровой активности во многих регионах нашей планеты и, соответственно, актуальности строительства ветростанций - альтернативных источникой энергии. Отрасль энергетики, которая занимается вопросом производства и передачи такой энергии, называется ветроэнергетикой. Ветроэнергетика  — это отрасль ссылка скрыта, специализирующаяся на преобразовании ссылка скрыта воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ссылка скрыта (для получения электрической энергии), ссылка скрыта (для преобразования в механическую энергию), ссылка скрыта (для использования в транспорте) и другими. Скорость ветра измеряется в километрах в час (км/час) или метрах в секунду (м/с): • 1 км/час = 0.28 м/с • 1 м/с = 3.6 км/час. Энергия ветра пропорциональна кубу скорости ветра. Энергия ветра = 1/2 dAtS3 ( d - плотность воздуха , A - площадь, через которую проходит воздух, t - период времени, S - скорость ветра.   Мощность (P) пропорциональна энергии ветра, проходящей через поверхность ("ометаемая поверхность") в единицу времени.   ) Ветер характеризуется следующими показателями: • скорость среднемесячная и среднегодовая в соответствии с градациями по величине и внешним признакам по шкале Бофорта; • скорость максимальная в порыве – очень важный показатель устойчивости работы ветроэлектростанции; • направление ветра/ветров – «роза ветров», периодичность смены направлений и силы ветра(рисунок выше); • турбулентность – внутренняя структура воздушного потока, которая создает градиенты скорости не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости; • порывистость - изменение скорости ветра в единицу времени; • плотность ветрового потока, зависящая от атмосферного давления, температуры и влажности. • ветер может быть однофазной, а также двухфазной и многофазной средой, содержащей капли жидкости и твердые частицы разной крупности, движущиеся внутри потока с разными скоростями. Все ветроэлектростанции работают по одному принципу: преобразуют линейную скорость ветра в угловую скорость вращения оси ветрогенератора. Генератор ветроэлектростанции преобразует вращательное движение в электроэнергию. Ветряные электростанции строят в местах с высокой средней скоростью ссылка скрыта — от 4,5 м/с и выше. Предварительно проводят исследование потенциала местности. ссылка скрыта устанавливают на высоте от 30 до 100 метров, и в течение одного—двух лет собирают информацию о скорости и направлении ветра. Полученные сведения могут объединяться в карты доступности энергии ветра. Такие карты (и специальное ссылка скрыта) позволяют потенциальным инвесторам оценить скорость окупаемости проекта. Обычные метеорологические сведения не подходят для строительства ветряных электростанций: эти сведения о скоростях ветра собирались на уровне земли (до 10 метров) и в черте городов, или в аэропортах. Скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому ветряные электростанции строят на вершинах холмов или возвышенностей, а генераторы устанавливают на башнях высотой 30—60 метров. Принимаются во внимание предметы, способные влиять на ветер: деревья, крупные здания и т. д. При строительстве ветряных электростанций учитывается влияние ветрогенераторов на окружающую среду. Законы, принятые в ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта и ссылка скрыта, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 ссылка скрыта в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов — 300 м. Современные ветряные электростанции прекращают работу во время сезонного перелёта птиц. Ветряные электростанции представляют собой несколько ветрогенераторов, собранных в одном, или нескольких местах. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт. Мощность ветрогенератора зависит от скорости ветра и ометаемой площади где - N - скорость ветра, p - плотность воздуха, S - ометаемая площадь. Разработано большое количество ветрогенераторов. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветрогенераторы могут быть классифицированы следующим образом: • с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока; • с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра (подобные водяному колесу); • с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока. Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, поскольку они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого лопасти, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными (быстроходность -отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности. Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей; от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов как правило применяются для этой цели хвостовые оперения, у больших - ориентацией управляет электроника. Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра используется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору, или другой рабочей машине. Перпендикулярное направление действия ветра на установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как также требует использования систем ориентации и сравнительно сложных методов съема мощности, что ведет к потере их эффективности. Они не имеют преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Ветрогенераторы с вертикальной осью имеют важные преимущества перед ветрогенераторами с горизонтальным расположением оси. Для них отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. К таким установкам относятся устройства с пластинами, чашеобразными или турбинными элементами, а также роторами Савониуса с лопастями S-образной формы, на которые действует также и подъемная сила. Устройства такого типа обладают большим начальным моментом, однако меньшими быстроходностью и мощностью по сравнению с обычным ротором. В 1920 г. во Франции Дарье предложил новый тип ротора, интенсивной разработкой которого начали заниматься с 1970 г. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа. Ротор Дарье относится к ветрогенераторам, использующим подъемную силу, которая появляется на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, и большую быстроходность, в силу этого - относительно большую удельную мощность, отнесенную к его массе или стоимости. Такие роторы имеют различную форму (Φ-, Δ-, Υ- и ромб-образную) с одной, двумя или большим числом лопастей. Крылья пропеллера должны быть легкими и в то же время достаточно прочными. Они делаются из дерева, стали или искусственных материалов - таких как фиберглас. Современные ветрогенераторы конечно, более производительны чем ветряки. Количество вырабатываемого ими электричества зависит от силы ветра и площади лопастей пропеллеров. Например, увеличивая вдвое площадь лопастей, можно получить вчетверо больше электричества. Малые и средние ветровые турбины как правило снабжают электричеством острова или небольшие отдаленные поселения. В США, например, ветрогенератор на острове Каттиханк Айлэнд, расположенном неподалеку от побережья штата Массачусетс, вырабатывает достаточно энергии для снабжения двухсот человек - всего населения острова. В нашей стране ветрогенераторы применяются, в основном, на севере - на Кольском полуострове, в Якутии и даже на антарктических научных станциях. Сегодня в США, Великобритании, Дании и Канаде производятся ветровые турбины мощностью 1 МВт электроэнергии (этого хватает, чтобы мгновенно вскипятить 500 чайников). Самые большие ветрогенераторы в мире - английская LS-1 на острове Оркни и американская MOD5-B на Гавайских островах. Лопасти английской турбины имеют размах 60 метров, она производит приблизительно 3 МВт электроэнергии. Американская еще больше: размах лопастей 96 метров. Однако вряд ли ветровая энергетика будет развиваться по пути гигантизма. Скорее, будущее принадлежит средним турбинам, более удобным в производстве и эксплуатации. Как бы ни были велики и мощны современные ветрогенераторы, они пока не могут полностью обеспечить потребности крупных городов. Небольшие ветровые электростанции успешно действуют во многих странах мира. В США, например, где множество ферм и малых городов расположено в труднодоступной местности, всячески поощряется строительство ветрогенератор в 1,5 киловатта. На одном из Северо-Фризских островов в Германии уже много лет работает установка для опреснения морской воды, а на острове Пельворм даже создан полигон для испытаний разных моделей ветроустановок. В нашей стране ветрогенераторы малой мощности успешно применяются в южных животноводческих хозяйствах для механизации подъема воды. Практика показала, что использование их обходится в 4 раза дешевле, чем использование дизельных двигателей, и в 10 раз дешевле подвоза воды автомобилями. Непостоянство силы ветра требует надежной аккумуляции (сохранения) энергии на периоды затишья. Однако существующие аккумуляторы электроэнергии очень дороги и могут работать с хорошей отдачей лишь с малыми ветрогенераторами. Вследствие этого энергию ветра лучше аккумулировать в самом продукте, который она производит, - в смолотой муке, измельченных кормах, воде, наполнившей водонапорную башню. Все это повышает ценность применения ветровой энергии именно в сельском хозяйстве. Одно из достоинств ветроустановок заключается в том, что они действуют как бы в унисон с нашими потребностями. В большинстве регионов земного шара наиболее сильные ветра дуют осенью и в начале зимы - как роз тогда, когда человек больше всего нуждается в свете и тепле. И наоборот, времена затишья - в основном летом - совпадают с периодами сокращения потребления энергии (мы говорим, разумеется, о бытовом потреблении). Но это и другие достоинство выглядят бледновато по сравнению с основным недостатком: чтобы увеличить мощность ветроустановки, надо наращивать размер лопастей, то есть, утяжелять конструкцию. Однако тогда для работы ветрогенератора потребуется еще большая скорость ветра, а значит, сузятся районы применения установки. К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветряной энергетике. Они применяются на яхтах, с/х фермах для водоснабжения и т. д. Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети. Строение малой ветряной установки: -Ротор, лопасти, ветротурбина -Генератор (как правило это синхронный трёхфазный с возбуждением от постоянных магнитов напряжением =24 В) -Мачта с растяжками -Контроллер заряда аккумуляторов -Аккумуляторы (необслуживаемые на 24 В) -Инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц) -Сеть Считается, что применение малых ветрогенераторов в быту малоцелесообразно из-за: -Высокой стоимости инвертора ~ 50 % стоимости всей установки (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в ~ 220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с внешней сетью при работе генератора в параллель)) -Высокой стоимости аккумуляторных батарей ~ 25 % стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети) -Для обеспечения надёжного электроснабжения к такой установке иногда добавляют дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой. В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину у основной массы производств на фоне других затрат. Ключевым для потребителя остаётся надёжность и стабильность электроснабжения. Основными факторами приводящими к удорожанию энергии получаемой от ветрогенераторов являются: -Необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220В 50 Гц (применяется инвертор) -Необходимость автономной работы в течение некоторого времени (применяется аккумуляторы) -Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется дизель-генератор) Что касается самих ветряных электростанций, то они деляться на четыре типа. Самый распространённый в настоящее время тип ветряных электростанций. Ветрогенераторы устанавливаются на холмах или возвышенностях. Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7—10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветряной фермы может занимать год и более. Для строительства необходима дорога до строительной площадки, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров. Электростанция соединяется кабелем с передающей электрической сетью. Прибрежные ветряные электростанции строят на небольшом удалении от берега моря или океана. На побережье с суточной периодичностью дует ссылка скрыта, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и ссылка скрыта. Дневной, или морской бриз, движется с водной поверхности на сушу, а ночной, или береговой — с остывшего побережья к водоёму. Шельфовые ветряные электростанции строят в море: 10—12 километров от берега. Шельфовые ветряные электростанции обладают рядом преимуществ: их практически не видно с берега; они не занимают землю; они имеют большую эффективность из-за регулярных морских ветров. Шельфовые электростанции строят на участках моря с небольшой глубиной. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. ссылка скрыта передаётся на землю по подводным кабелям. Шельфовые электростанции более дороги в строительстве, чем их наземные аналоги. Для генераторов требуются более высокие башни и более массивные фундаменты. Солёная морская вода может приводить к коррозии металлических конструкций. В конце ссылка скрыта во всём мире суммарные мощности шельфовых электростанций составили 1471 МВт. За 2008 год во всём мире было построен 357 МВт шельфовых мощностей. Крупнейшей шельфовой станцией является электростанция Миддельгрюнден (Дания) с установленной мощностью 40 МВт Последний вид – плавающая электростанция. Стальная башня ветрогенератора уходит под воду на глубину 100 метров. Над водой башня возвышается на 65 метров. Диаметр ротора составляет 82,4 м. Для стабилизации башни ветрогенератора и погружения его на заданную глубину в нижней его части размещён ссылка скрыта (гравий и камни). При этом от дрейфа башню удерживают три троса с ссылка скрыта, закреплёнными на дне. Электроэнергия передаётся на берег по подводному кабелю.