Ветроэнергетика
| Вид материала | Документы |
СодержаниеТип занятия Межпредметные связи 2. Актуализация знаний учащихся 3. Изучение нового материала 4. Закрепление нового материала. Рефлексия Историческая справка |
- Ия возведения ветроэнергетических установок на территории Восточной Прибалтийско-Черноморской, 21.67kb.
- Мировая ветроэнергетика. Состояние и перспективы развития, 136.11kb.
- 3 Ветроэнергетика, 258.48kb.
- Ветроэнергетика, 179.33kb.
Управление образования Могилевского облисполкома
УО «Бобруйский государственный профессиональный электротехнический колледж
им. А.И. Черныша»
Разработка факультативного занятия
Тема:
Ветроэнергетика
Занятие подготовил
и провел мастер п/о
Пырх Сергей Иванович
Бобруйск 2011
Тема программы: Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
Тема занятия: Ветроэнергетика
Цели
Учебная цель: сформировать понятие о сущности ветроэнергетики; показать возможности использования энергии ветра в Республике Беларусь
Воспитательная цель: воспитывать у учащихся бережное отношение к потребляемой энергии
Развивающая цель: развивать логическое мышление
Тип занятия: урок изучения нового материала с элементами дискуссии
Средства обучения: карта Республики Беларусь; таблица «Мощности установленных ветроэлектростанций в мире»; таблица «Основные характеристики ВЭУ»; таблица «Ветроэнергетический потенциал РБ»; таблица «Ветротехнические показатели ветроагрегатов, рекомендуемых к внедрению на территории РБ»; диаграмма «Распределение мощностей установленных ветроэлектростанций в мире»; рисунок «ВЭУ с автоматическим изменением диаметра ветроколеса»; рисунок «ВЭУ Мядельский район»
Межпредметные связи: география, физика.
Ход урока
1. Оргмомент
Введение в проблему.
Подберите пожалуйста ассоциации к слову «ветер».
Штиль
Ураган
Буря
Энергия
Мельница
Сильное движение воздуха
Очень хорошо, что некоторые из вас ассоциируют слово «ветер» со словом «энергия», потому что сегодня мы будем говорить о ветроэнергетике.
2. Актуализация знаний учащихся
Что такое ветер? Вспомните, что вы узнали о ветре на уроках географии.
Действительно, ветер образуется в результате перемещения воздушных масс из области высокого в область низкого давления. Скорость и направление ветра зависят от рельефа местности, высоты над поверхностью суши и других факторов. В большинстве своем эти характеристики ветра переменны, причем их изменения наблюдаются даже на протяжении суток.
Человечество давно использует силу ветра в полезных целях. Так, попутный ветер позволил с помощью парусов связать континенты и несколько столетий был основным движителем морского флота. Эти свойства ветра используются и в настоящее время. Однако и встречный ветер может не только препятствовать движению, но и оказывать положительные действия. Одно из них – получение механической или электрической энергии с помощью ветроэнергоустановок (ВЭУ).
Конструктивно ВЭУ состоит из следующих основных узлов: ветроколеса, механической передачи, генератора, систем регулирования и ориентации, опорной башни. (см. приложение 7). Поток воздуха, проходя через ветроколесо, превращает кинетическую энергию ветра в механическую, а с помощью генератора – в электрическую.
3. Изучение нового материала
1) Историческая справка
Ребята, как вы полагаете, когда впервые была использована энергия ветра? Давайте послушаем учащегося Борового А.С., который расскажет нам об истории использования ветроэнергетики (см. приложение 1).
2) Основные принципы преобразования энергии ветра
Воздушный поток, проходя перпендикулярно через лопасти ветроколеса, вызывает его вращение, производя механическую энергию. Если объем протекающего за 1 с воздуха V = Fv, то мощность ВЭУ может быть получена из выражения:
N = 1/2ρv3F [Вт],
где F – площадь ветроколеса, v и ρ – скорость и плотность воздуха соответственно. Однако не вся, а лишь часть энергии ветра может быть преобразована в механическую энергию. Эта величина оценивается коэффициентом использования энергии ζ, который определяется как отношение энергии, преобразованной в механическую, к полной энергии потока. Теоретическое значение коэффициента ζ равно 0,59. Практически же этот коэффициент в современных конструкциях составляет примерно 0,45 – 0,48.
Механическая энергия может быть преобразована в электрическую с коэффициентом полезного действия η, учитывающего потери в системе преобразования. Тогда окончательно мощность ВЭУ
Nэ = 1/2 ηζρv3F [Вт].
Как видим, мощность ВЭУ пропорциональна скорости потока в третьей степени, что является чрезвычайно важным фактором. Так, если скорость потока увеличится (или уменьшится) всего лишь в два раза, то мощность увеличится (или уменьшится) в восемь раз.
Важными показателями для оценки эффективности работы ВЭУ являются минимальная, номинальная, максимальная и среднегодовая скорости ветра. Чем меньше минимальное и номинальное значения скоростей ветра, тем эффективнее работа ВЭУ в районах с низкими скоростями ветра. Так, некоторые ВЭУ начинают работу с 3,5 м/с. Наибольшая экономическая эффективность для использования энергии ветра достигается в зонах, где среднегодовая скорость ветра равна или превышает 5 м/с на высоте 10 м. Для исключения поломки ветроагрегата в случае превышения скорости ветра (порывы, шторм и т.д.) выше максимальной используются различные технические решения.
По мощности действующие ВЭУ подразделяются на три группы: малой, средней и большой мощности. Установки первой группы имеют мощность от 1 до 45 кВт, второй – 45 – 600 кВт и третьей – 1000 кВт и более.
3) Энергия ветра в национальных энергетических программах развитых государств
Энергетический кризис 70-х гг., истощения запасов органического топлива и ухудшающаяся экологическая обстановка вынудили многие государства вернуться к тем источникам энергии, с которыми человечество входило в цивилизацию. Одним из таких источников является энергия ветра.
Природное, т.е. теоретические ресурсы, составляют 1,5 – 2,5% солнечной энергии, поступающей на землю и непрерывно превращающейся в кинетическую энергию воздушных потоков в атмосфере. Часть этой энергии может быть преобразована техническими средствами в полезную энергию, пригодную для практического использования (т.е. это технический потенциал). И лишь долю последней можно преобразовать в традиционный вид энергии с экономически оправданными по сравнению с обычными энергоресурсами (т.е. экономический потенциал).
Каждое государство имеет свои возможности освоения такого вида энергии, но и это в значительной степени зависит от уровня технической оснащенности, наличия традиционных видов топлива и их стоимости.
Многие государства мира составили свои национальные программы освоения энергии ветра, создали соответствующую правовую базу, продумали систему мер, стимулирующих разработку, производство и внедрение ВЭУ.
Потенциал энергии ветра в мире сравним с потреблением энергии странами ЕС в начале нашего столетия. В развитых странах ветроэнергетика развивается быстрыми темпами (табл. 1). С 1997 по 2002 г. производственные мощности ветроэнергетических установок (ВЭУ) увеличились на 30 % (7600 МВт в 1997 г., 31128 МВт в 2002 г.).
Мощность установленных ветроэлектростанций в Германии, Америке, Испании, Дании в сумме составляет 82 % от общемировых.
На территории Германия работает около 14000 турбин. В настоящее время 4,7 % всей электроэнергии в стране вырабатывается за счет энергии ветра, к 2010 г. прогнозируется увеличение до 10 % и к 2030 г. – до 25 %.
В США в настоящее время потребляется около 1 % электроэнергии, полученной на основе энергии ветра. По прогнозам специалистов к 2020 г. эта энергия составит 6 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии.
В Дании ветер дает не менее 18 % всей энергии. Крупный прирост мощностей наметился в Голландии, где в 2005 г. на ветроэнергетику приходилось около 5 % электроэнергии из возобновляемых источников.
Распределение мощностей установленных ветроэлектростанций в мире в 2002 г. показано на рис. 1.
Большая часть ветроэнергетических установок используется для производства электроэнергии в единой энергосистеме и в автономных режимах. Стоимость электроэнергии от ветроустановок стабильно понижается: в 1983 г. стоимость 1 кВт·ч составляла 1220 центов, в 1989 г. – 6 – 10, в 1996 г. – 5 – 8, в 2005 г. – 4 – 5 центов. С начала 80-х гг. производство энергии за счет энергии ветра стало на 80 % дешевле и на сегодняшний день уступает в цене лишь природному газу.
Зарубежная практика эксплуатации ВЭУ позволяет сделать следующие выводы:
с увеличением мощности ВЭУ снижается стоимость одного киловатта мощности, что делает их экономически эффективнее;
для крупномасштабного производства электроэнергии необходимо создавать многоагрегатные ветроэлектростанции (ветропарки);
в целях эффективного использования вырабатываемой ВЭУ электроэнергии необходимо предусматривать как автономную ее работу, так и работу на общую сеть;
для успешного освоения энергии ветра необходимо издать нормативно-правовую базу и систему государственных поддержек, стимулирующих внедрение ВЭУ.
В последние годы в России и на Украине на базе ВЭУ «Радуга-1» мощностью 1000 кВт и ВЭУ АВЭ-250 с мощностью 200 кВт создается экспериментальная база мощностью
5 МВт, строится Воркутинская ВЭС мощностью 8 МВт и Калмыцкая ВЭС мощностью
22 МВт. Ведутся проектные разработки ВЭС общей мощностью 175 МВт.
На Украине издано Постановление Кабинета Министров, согласно которому производится отчисление средств на создание ВЭУ в различных районах страны. Это позволило на базе изготовляемых украинскими предприятиями ВЭУ мощностью
100 – 200 кВт создать в Крыму ряд ветроэлектростанций. Стоимость вырабатываемой на них электроэнергии составляет 2,1 цента/кВт·ч.
В настоящее время Украина и Россия объединяют свои усилия на создание конкурентоспособных конструкций ВЭУ мощностью 200, 220 и 500 кВт и строительство на их базе ветроэлектростанций.
По оптимистическим прогнозам, ветроэнергетика способна давать миру не менее
7 % потребляемой электроэнергии.
Малые ветряные турбины (от 0,025 до 50 кВт) чаще всего являются самым дешевым источником энергии для отдаленных населенных пунктов, не подключенных к коммунальной электросети. Комбинированные системы (ветер – фотоэлементы, ветер – дизель и другие сочетания) часто являются наиболее эффективными и экономичными для сельской электрификации. Для небольших ветроэлектрических турбин среднегодовая скорость ветра должна быть около 4 м/с, а для ветротурбин, приводящих в действие водяные насосы, – еще меньше. Для коммунальных ветроэлектростанций минимальная скорость ветра составляет около 6 м/с.
В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии ветроэнергетическими установками (рис. 2) составляет до 25 – 30 % максимального проектного значения. Срок службы ВЭУ не менее 15 – 20 лет, а их стоимость – от 1000 до 1500 долларов США за 1 кВт проектной мощности.
Ветроустановки классифицируются по основным признакам геометрии колеса и его положения относительно ветра.
Если ось вращения ветроколеса расположена параллельно воздушному потоку, установку называют горизонтально-осевой; если перпендикулярно – вертикально-осевой.
Основными элементами ветрогенераторов являются ветроустановка, электрогенератор, система управления параметрами генерируемой электроэнергии (регулирует скорость вращения ветроколеса при изменении скорости ветра), аккумуляторы электроэнергии или другие электроэнергетические установки (на период безветрия). Основным рабочим органом ВЭУ, принимающим на себя энергию ветра и преобразующим ее в кинетическую энергию своего вращения, является ветроколесо. Мощность ВЭУ определяется характеристиками ветроколеса. Ветроколесо характеризуется:
заметаемой площадью S – площадью, покрываемой его лопастями при вращении,
где D - диаметр колеса;
геометрическим заполнением, т. е. отношением площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к заметаемой площади;
коэффициентом мощности, характеризующим эффективность использования потока ветра через заметаемую площадь, (зависит от конструкции ветроколеса);
коэффициентом быстроходности, определяемым отношением скорости конца лопасти к скорости ветра.
Зависимость мощности ВЭУ от диаметра ветроколеса при скорости ветра 8 – 10 м/с приведена в таблице 2.
Мощность ветроколеса в первую очередь зависит от скорости ветра (пропорциональна v3). Но при достаточно большом геометрическом заполнении ветро-колесо развивает большую мощность даже при относительно слабом ветре, и наоборот.4) Ветроэнергетика Беларуси: прогнозы и реальность.
Ребята, исходя из того, что вы знали раньше и из информации, полученной на уроке, выскажите свое мнение: можно ли использовать энергию ветра в Беларуси? Обоснуйте свой ответ. (учащиеся высказывают свое мнение). Молодцы, вы правильно заметили, что Беларусь находится внутри континента и не обладает ярко выраженной гористой местностью. Так, высота отдельных зон над уровнем моря составляет всего 200 – 300 м. Достаточно большая удаленность от моря, погодные условия, наличие лесных массивов накладывают свои специфические условия на скорость ветра и его направление.
Специальные исследования по оценке ветроэнергетического потенциала Беларуси не проводились. Однако многолетние наблюдения за параметрами ветра, производимые Гидрометеоцентром на высотах 10 – 12 м, а в отдельных случаях 16 – 18 м, дают возможность произвести некоторые оценки. Прежде чем привести данные такой оценки, необходимо обратить внимание на следующие обстоятельства. Достаточно сильные ветры с устойчивыми характеристиками могут быть вблизи водоемов и вдоль рек. Известно также, что скорость ветра увеличивается с высотой. Его скорость и направление изменяются также в зависимости от рельефа местности, наличия на ней склонов, лесных массивов и т.д. Существует ряд специфических условий, подлежащих учету при оценке ветроэнергетического потенциала конкретного региона. В частности, необходимо знать:
а) физико-географические характеристики конкретного региона;
б) среднегодовую скорость и направление ветра;
в) повторяемость скорости ветра в течение года и по месяцам;
г) распределение ветровых периодов и периодов затишья по длительности;
д) максимальную скорость ветра, удельную мощность и удельную энергию ветрового потока;
е) основные характеристики ВЭУ.
В табл. 3 приведены данные ветроэнергетического потенциала страны для случая, когда вся территория Беларуси разбивается на пять площадок с характерной для каждой из них высотой.
Из таблицы следует, что если будут использованы только площадки IV и V классов, то с помощью ВЭУ может быть произведено 5,5 млрд кВт·ч электроэнергии в год. Если же будет задействована вся территория страны и из технического потенциала будет освоено всего 10%, то ветровая энергия позволит произвести 22,7 млрд кВт·ч в год, что эквивалентно 7 млн т у.т. в год. Это серьезный потенциал для нашего государства. Он составляет 20% от потребляемого в настоящее время топлива.
Безусловно, при выборе месторасположения ВЭУ и ВЭС, а также конкретной конструкции необходимо произвести оценку экономической эффективности. Для этого важно учитывать:
а) энергетическую выработку каждой ВЭУ в конкретном месте;
б) надежность ВЭУ;
в) полную стоимость, включая стоимость ВЭУ, ее монтажа и подключения к общей сети;
г) эксплуатационные расходы.
Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г. предусматривает использование ветроэнергетических ресурсов для привода насосных установок в качестве источников электроэнергии небольших производственных предприятий и в сельскохозяйственных целях (табл. 4). К 2010 г. мощность ВЭУ в Беларуси планируется довести до 15 МВт, что обеспечит экономию 9 тыс. т у. т. в год.
По данным Государственного комитета по гидрометеорологии Республики Беларусь, среднегодовая скорость ветра на территории республики (на высоте 30 – 40 м) составляет 4,3 м/с. На пригодной для внедрения ветроэнергетических установок территории среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с. При правильном выборе места установки ветроагрегата (на возвышенностях открытой местности, берегах водных массивов и т. п.) среднегодовая скорость ветра может достигать 6 – 7 м/с. Наиболее эффективно можно применять ВЭУ на возвышенностях большей части севера и северо-запада Беларуси, в центральной части Минской области, включая прилегающие к ней с запада районы. Так, в Мядельском районе Минской области около деревни Занарочь работают две ветроустановки (рис. 3,), одна из которых (фото слева) имеет мощность
250 кВт при минимальной скорости ветра, необходимой для работы, 3 м/с.
По расчетам специалистов республики, энергия ветра может позволить ежегодно производить 6,5 – 7,0 млрд кВт·ч электроэнергии и тем самым сберегать около 2 млн т у. т. в год.
Освоение ветровой энергии позволит не только облегчить решение топливно-энергетических проблем в нашей стране, но и в значительной степени оздоровить экологическую обстановку за счет исключения вредных выбросов при сжигании органического топлива.
К сожалению, в Беларуси имеется еще немало донкихотов, посвятивших себя борьбе с «ветряными мельницами», несмотря на большие успехи в освоении этого вида энергии в развитых странах.
Для успешного использования энергии ветра в Беларуси необходимо:
1) создать испытательный полигон для экспериментальной отработки и сертификации ВЭУ различных модификаций в условиях Беларуси.
2) Создать 3 - 4 пилотных (демонстрационных) объекта в регионах с наиболее оптимальными ветровыми характеристиками и осуществить их опытную эксплуатацию.
3) Уточнить ветроэнергетический потенциал с оценкой оптимального мощностного ряда энергоустановок и разработкой схемы наиболее рационального размещения ВЭУ на территории Беларуси.
4) Организовать совместное производство ВЭУ с фирмами ближнего и дальнего зарубежья с максимальным учетом накопленного опыта эксплуатации и специфики климата Беларуси.
Создать правовую базу и систему поддержек, стимулирующих развитие этого направления энергетики.
Необходимо иметь в виду, что с экономической точки зрения целесообразно создавать одиночные ВЭУ, групповые или ветроэлектростанции относительно большой мощности (100 и более кВт) с подключением их к общей энергетической системе.
И только от нас зависит, станет ли ветер нашим попутчиком в мир цивилизации или он еще долгое время будет бродить, как странник, по территории нашего государства, пугая детей своим воем в трубах и свистом в проводах.
4. Закрепление нового материала. Рефлексия
Оцените темпы роста использования энергии ветра в мире и в нашей стране.
Что лично вы взяли для себя с урока?
Что нового вы узнали?
Чему вы научились?
Пригодится ли данная информация вам в жизни?
Приложение 1
Историческая справка
Механическая энергия, полученная в результате вращения лопастей ветроколеса, на первом этапе использовалась для помола зерна, подачи воды, осушения заболоченных мест, распиловки древесины и т.д. Следы использования ветряных мельниц, найденных в Египте, относятся к IV ст. до н.э. Обнаружены следы использования ВЭУ в Китае, Иране. Этот период относится к X ст. н.э. И, наконец, к 1990 г. на побережье Северного моря, между Голландией и Данией, использовалось уже сто тысяч ветряков, которые выполняли различную механическую работу. А вспомним борьбу Дон-Кихота против ветряных мельниц! Энергия ветра нашла применение и на другом континенте. Так, в США в 20-е гг. нашего века насчитывалось около 6 млн ветроустановок. Появилось и новое их предназначение – производство электрической энергии.
Развитие ветроэнергетики в СССР началось в 30-е гг. В 1931 г. был организован Центральный ветроэнергетический институт. Исследовательские работы проводились и в других институтах. Налаживалось их производство. Так, только на Херсонском заводе выпуск ВЭУ мощностью 11 и 75 кВт составлял 2000 штук в год. В том же 1931 г. в Крыму была построена самая крупная в то время ВЭУ мощностью 100 кВт, которая работала до 1942 г. В 1935 г. была разработана ВЭУ мощностью 1000 кВт. Производство ветроустановок набирало силу, и в 1956 г. их выпуск достиг 9000 штук. Однако вскоре их производство было прекращено. В стране набирала силу «гигантомания».
К вопросу о целесообразности использования энергии ветра возвратились в 70-х гг., особенно за рубежом. Это событие связывают с резким ростом цен на нефть, т.е. с разразившимся нефтяным кризисом.
Приложение 2
Таблица 1
Мощности установленных ветроэлектростанций в мире
| Государство | Суммарные действующие мощности ветроэлектростанций, МВт | ||
| 1996 г. | 2001 г. | 2002 г. | |
| Германия | 1132 | 8754 | 12001 |
| Дания | 637 | 2489 | 2880 |
| Нидерланды | 219 | 486 | 688 |
| Испания | 133 | 3337 | 4830 |
| США | 1654 | 2475 | 4685 |
| Швеция | 69 | 293 | 328 |
| Китай | 44 | 400 | 468 |
| Италия | 33 | 682 | 785 |
| Другие | 370 | 2168 | 4463 |
| Всего | 4291 | 22884 | 31128 |
Приложение 3
Таблица 2
Основные характеристики ВЭУ
| Класс ВЭУ | Расчетная (проектная) мощность, кВт | Диаметр ветроколеса, м | Период вращения, с |
| Малые | 10 | 6,4 | 0,3 |
| 25 | 10 | 0,4 | |
| Средние | 50 | 14 | 0,6 |
| 100 | 20 | 0,9 | |
| 150 | 25 | 1,1 | |
| Большие | 250 | 32 | 1,4 |
| 500 | 49 | 2,1 | |
| 1000 | 64 | 3,1 | |
| Очень большие | 2000 | 90 | 3,9 |
| 3000 | 110 | 4,8 | |
| 4000 | 130 | 5,7 |
Приложение 4
Таблица 3
Ветроэнергетический потенциал РБ
| Регионы и их высота, м | ||||||
| Показатели | 100-150 | 150-200 | 200-250 | 250-300 | 300-350 | Всего |
| Класс площадок | I | II | III | IV | V | |
| Полная площадь региона, кв. км | 91741 | 99421 | 13907 | 2283 | 208 | 207560 |
| Площадь под установку ВЭУ, кв. км | 18348 | 19884 | 2781 | 457 | 42 | 41512 |
| Среднегодовая скорость ветра м/с на высоте 10 м | 3,8 | 4,2 | 4,5 | 4,9 | 5,3 | |
| Максимальная средняя скорость ветра м/с на высоте 10 м на высоте 50 м | 4,5 6,0 | 4,3 6,4 | 5,4 7,0 | 5,8 7,4 | 6,2 7,8 | |
| Суммарная мощность ВЭУ, МВт | 29356 | 37779 | 6952 | 1371 | 151 | 75609 |
| Годовая выработка 30000 работающих ВЭУ, млрд кВт·ч | 88,1 | 113,3 | 20,8 | 4,1 | 0,45 | 226,7 |
| Ориентировочная единичная мощность ВЭУ в кВт и их количество из расчета 9 ВЭУ на 1 кв. км |  |  |  |  |  | 373609 |
Приложение 5
Таблица 4
Ветротехнические показатели ветроагрегатов,
рекомендуемых к внедрению на территории Республики Беларусь
| Зональная среднегодовая скорость ветра, м/с | Диапазон рабочих скоростей ветра ВЭУ, м/с | Расчетная скорость ветра, соответствующая номинальной мощности, м/с | Ориентировочная доля использования ВЭУ, % |
| До 4,5 | 3 – 20 | 8 | 40 |
| 4,5 – 5,5 | 4 – 24 | 9 | 30 |
| Выше 5,5 | 4 – 24 | 10 – 12 | 30 |
Приложение 6
Рис. 1. Распределение мощностей установленных ветроэлектростанций в мире в 2002 г.
Приложение 7
Рис. 2. ВЭУ с автоматическим изменением диаметра ветроколеса
Приложение 8
Рис.3. ВЭУ. Мядельский район