Возобновляемые источники энергии в последнее время все более широко начинают использоваться для производства электроэнергии. Возобновляемая энергия – это энергия, получаемая из природных источников, которая пополняется естественным путём. К природным источникам можно отнести следующие виды: солнечный свет, водные потоки, ветер, приливы и геотермальная теплота.
Преобразование ветровой энергии в электроэнергию осуществляется с помощью электромеханических машин, называемых ветряными турбинами, которые способны преобразовывать кинетическую энергию ветра в электроэнергию для подачи в электрическую сеть.
Ветряная электростанция (ветрогенератор) - это устройство, преобразующая кинетическую энергию ветра в электрическую энергию.
Ветер на земной поверхности появляется из-за неравномерного нагрева атмосферы солнцем, неровностей поверхности земли и вращения Земли. Скорость ветра определяет величину кинетической энергии ветра: чем больше скорость, тем больше кинетическая энергия ветра. Для выработки электроэнергии скорость ветра необходимая должна быть, по крайней мере, 3,5 - 4,0 м/с (экономическая целесообразность) и не более 10 - 15м/с. Оценка ветровых ресурсов конкретной территории является сложной задачей, которая требует многообъемлющих данных. В целом, доступность и надежность данных о скорости ветра крайне низка во многих регионах мира. Так же следует отметить, что скорость ветра возрастает с высотой. Поэтому ветряные электростанции строят на вершинах холмов или возвышенностей, а генераторы устанавливают на башнях высотой 30 - 60 метров.
Ветряная электростанция включает в себя несколько ветроэлектрических установок (ветрогенераторов), собранных в одном или нескольких местах и объединённых в единую сеть для выработки электрической энергии. Поток ветра оказывает давление на лопасти ветрогенераторов и приводит их в движение, которые через специальный привод (редуктор) заставляют вращаться ротор генератора. Когда ротор генератора начинает вращаться в статорной обмотке генератора индуцируется напряжение за счет вращения магнитного поля ротора. При наличии подключенного потребителя электрической энергии в статорной обмотке начинает протекать электрический ток.
Воздушный поток, как и любое движущееся тело, обладает энергией движения или запасом кинетической энергии, которая преобразуется в механическую энергию. Мощность, развиваемая на оси ветроколеса, пропорциональна квадрату его диаметра и кубу скорости ветра.
W – мощность, Вт
ρ – плотность воздуха для нормальных условиях, 1,23 кг/м3
υ – скорость воздушного потока
F - поперечное сечение лопастей ветрогенератора, м2
Ветроколесо может преобразовывать в полезную работу только часть этой энергии, которая оценивается коэффициентом использования энергии ветра. Идеализированное ветроколесо (с бесконечным числом лопастей) может извлечь 59,3% энергии, проходящей через его поперечное сечение (по классической теории Жуковского Н.Е.).
Рис.1. Конструктивная схема ветрогенератора с горизонтально-осевой осью вращения
В настоящее время существует два основных конструктивных типа турбин ветрогенераторов:
П.1. турбина с горизонтально-осевой осью вращения, параллельной воздушному потоку;
П.2. турбина с вертикально-осевой осью вращения, перпендикулярной воздушному потоку.
Ветряные турбины с горизонтальной осью вращения, в настоящее время являющиеся более распространенными, чем ветряные турбины с вертикальной осью вращения.
Кроме всего прочего, ветроустановки в вертикальной осью вращения превосходят по ряду параметров (нет зависимости от направления потока ветра, меньшие габаритные размеры, простота конструкции) ветроустановки с горизонтальной осью вращения, однако обладают более низкими энергетическими характеристиками.
Рис.2. Ветрогенератор с горизонтальной осью вращения и ветрогенератор с вертикальной осью вращения
Ветряные турбины с горизонтальной осью вращения содержат вертикальную опорную конструкцию. На данной конструкции расположен ветровой ротор, который содержит группу лопастей. Вращение лопастей приводит в движение низко-скоростного вращающийся вал, который в свою очередь через редуктор приводит в движение высоко-скоростной вал. На высоко-скоростном валу закреплен ротор генератора. Коэффициент использования энергии ветра в ветряных турбинах с горизонтальной осью вращения достигает значений: у быстроходных агрегатов до 0,45 – 0,48, а у тихоходных агрегатов до 0,36 – 0,38.
Основными преимуществами ветроустановок с горизонтальной осью вращения ветроколеса является то, что условия обтекания лопастей воздушным потоком постоянны, не изменяются при повороте ветроколеса, а определяются только скоростью ветра.
Ветряные турбины с вертикальной осью вращения содержат также вертикальную опорную конструкцию. На данной конструкции расположен ветровой ротор, который состоит из двух-четырех изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении аэродинамический профиль. Лопасти, закрепленные в двух точках (внизу и наверху) на оси вращения, и изогнуты так, что образуют пространственную конструкцию, вращающуюся под действием подъемной силы, возникающей на лопастях от ветрового потока. Вращение лопастей приводит в движение вращающийся вал, который в свою очередь через редуктор приводит в движение высоко-скоростной вал. На высоко-скоростном валу закреплен ротор генератора. Коэффициент использования энергии ветра в ветряных турбинах с вертикальной осью вращения достигает значений 0,30 – 0,35.
Основными преимуществами ветряной турбины с вертикальной осью вращения являются его меньший относительный вес на единицу мощности, большая быстроходность, а также данный механизм не нуждается в ориентации по направлению ветрового потока, в связи с чем отпадает необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер.
Общим недостатком вертикальных роторов является низкая эффективность, возникающая из-за одновременного воздействия потока ветра на рабочую и обратную поверхность лопастей, компенсирующего усилия. Этот недостаток постоянно пытаются обойти, создаются разные варианты конструкции с той или иной степенью эффективности.
Можно выделить следующие конструкции ветряных турбин с вертикальной осью вращения:
Ротор Савониуса (Savonius rotor) – представляет собой ротор с вертикальной осью вращения, который выполнен в виде двух S-образных цилиндрических лопастей. Данная конструкция была предложена финским инженером Сигурдом Савониусом (1922 г.). Турбина представляет собой две полуцилиндрические поверхности, называемые лезвиями или лопастями, которые установлены на вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра.
Рис.3. Ротор Савониуса
Потоки ветра, попадающие на вогнутую часть лопатки (concaveblade), приводят ее в движение.
Потоки ветра, попадающие на выпуклую часть лопатки (convex blade), благодаря ее закругленной форме мягко омывают ее и делятся на две части. Одна уходит в сторону, а другая соскальзывает на рабочую сторону второй лопасти и способствует усилению ее вращения. Ротор Савониуса имеет простую структуру, хорошие стартовые характеристики, относительно низкую скорость эксплуатации, а также он действует при любом направлении ветра. Однако, он имеет низкую аэродинамическую эффективность.
Рис.4. Обтекание ветром ротора Савониуса
Следует отметить, что ротор Савониуса наиболее производителен только при 2 лопастях, расположенных диаметрально. Для увеличения крутящего момента используют пары лопастей, установленных друг под другом с поворотом относительно вертикальной оси на 90°.
Рис.5. Ротор Савониуса с парой лопастей, установленных друг под другом с поворотом относительно вертикальной оси на 90°.
Геометрический профиль ротора эволюционировал от исходного цилиндрического типа к витому, спиральному и другим типам. Обычная фрикционная машина была существенно модернизирована, чтобы обеспечить сочетание характеристик подъемной силы и сопротивления. Несмотря на низкую эффективность преобразования энергии обычного ротора Савониуса, его высокий пусковой крутящий момент и простая механическая конструкция являются двумя важными преимуществами, которые предполагают многообещающее будущее для этого типа ротора.
Ротор Виндсайт (Спиральный ротор Савониуса) – это модификация ротора Савониуса, которая представляет собой скрученную лопасть винта. Был предложен финским инженером Р. Йутсиниеми (1979г.)
Рис.6. Ротор Виндсайт (спиральный ротор Савониуса)
Принцип действия ротора «Виндсайт» базируется на эффекте дифференциального лобового сопротивления, но отличается равномерным крутящим моментом и лучшими энергетическими показателями.
Ротор Дарье – представляет собой ротор с вертикальной осью вращения, который выполнен с двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала. Конструкция такого ротора была предложена французским авиаконструктором Жоржем Дарье (1931 г.).
Рис.7. Ротор Дарье с прямыми лопастями (Н-образный ротор Дарье)
В первоначальной версии дизайна Дарье, лопасти устроены так, что они являются симметричными и параллельны относительно вала, на которых они установлены. Этот механизм является эффективным независимо от направления ветра — в отличие от обычного типа, который должен быть повернут лицом к потоку воздуха. Когда ветродвигатель находится в неподвижном состоянии для его пуска необходима сторонняя сила, даже если сила ветра довольно высокая, другими словами для пуска ротора Дарье должен быть создан дополнительный крутящий момент. Следует отметить, однако, что в крайне редких случаях, роторов Дарье может самостоятельно начать движение
Следует отметить, что ротор с прямыми лопастями (Н-образный ротор Дарье) в зарубежной литературе называется Ротором Ленца (ротор с крылом незамкнутой формы). Лопасти вертикально-осевых ВУ, рекомендуемые для вертикально-осевых ВУ, имеют крыловую незамкнутую форму профиля как более простые в изготовлении и достаточно эффективные.
Рис.8. Ротор Дарье с изогнутыми лопастями.
Одна из проблем является то, что в результате изменении угла атаки, каждая лопасть создает максимальный крутящий момент в двух точках на цикл (передней и задней части турбины). Это приводит к пульсирующему движению, что усложняет дизайн. В частности, почти все Дарье-роторы имеют резонансные явления, где в частности скорость вращения, пульсирующая находится на собственной частоте лопастей, которые могут привести к их разрушению. По этой причине большинство роторов Дарье имеют механические тормоза и другие устройства контроля скорости, чтобы сохранить ветродвигатель от закручивая на этих скоростях для любого длительного периода времени.
Другая проблема возникает из-за того, что большинство массы вращающегося механизма находится на периферии, а не в центр, как это происходит с винтом. Это приводит к очень высокой центробежные нагрузки на механизм, который должен быть крепче и тяжелее, чем в противном случае, чтобы противостоять им. Один из распространенных подходов к уменьшению массы конструкции это форма кривой крыльев — «вертолет».
Геликоидный ротор (ротор Горлова) – представляет собой ротор с вертикальной осью вращения, который выполнен с лопастями в форме геликоидной кривой, которые закручены вдоль несущей оси. Такая конструкция лопастей придаёт конструкции более равномерное вращение и снижает нагрузки на опорную часть. Изгиб лопастей ротора по диагонали способствует быстрому набору скорости. Эффективность использования ветрового потока близка к горизонтальным устройствам. В то же время, это вызывает повышенный шум при работе и производит звуковые волны, расположенные в коротковолновой части звукового спектра.
Рис.9. Геликоидный ротор (ротор Горлова)
Многолопастной ротор модификация вертикально-осевой конструкции ветроколеса, дополненная внешним кольцом неподвижных лопастей. Такая схема способствует увеличению полезной площади захвата воздушного потока, его сжатию и ускорению, что приводит к повышению эффективности ветрогенератора в целом. этот тип ротора является наиболее производительным и дает наименьшую нагрузку на несущие детали. Внутри такого вертикального ветряка содержится дополнительный ряд статичных лопастей, которые направляют поток воздуха таким образом, чтобы максимально увеличить эффективность ротора.
Внутри такого вертикального ветряка содержится дополнительный ряд статичных лопастей, которые направляют поток воздуха таким образом, чтобы максимально увеличить эффективность ротора.
Недостатки: Высокая стоимость устройства из-за большого количества деталей.
Рис.10. Многолопастной ротор
В настоящее время создано много новых необычных конструкций ветрогенераторов, некоторые из которых имеют высокую эффективность, вследствие чего способны стать прототипами энергетических устройств будущего. К таким устройствам можно отнести: ветровая турбина гиперболоидного типа, ветрогенератор Третьякова, ветровая роторная турбина Болотова и т.п.
Ветровые электростанции строят в местах с высокой средней скоростью ветра — от 4,5 м/с и выше Обычно ветряные электростанции строит либо в материковой части или в прибрежной части или шельфовой части.
В материковой части ВЭС строят на холмах и на возвышенностях размещённые высоко над землёй, для использования более сильного и стойкого ветра.
В прибрежной части или шельфовой части ВЭС строят на небольшом удалении от берега моря или океана. На побережье с суточной периодичностью дует бриз, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и водоёма. Дневной, или морской бриз, движется с водной поверхности на сушу, а ночной, или береговой — с остывшего побережья к водоёмам.
Для оценки преобладающего направления ветров строится роза ветров, представляющая собой векторную диаграмму, у которой длина лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях, соразмерна повторяемости ветров этих направлений.
Средняя скорость ветра служит ориентировочным показателем, характеризующим целесообразность установки ветроэлектростанции в данной местности. Критерием служит значения скорости ветра, при которых современные ветроустановки начинают вращаться и развивают свою номинальную мощность.
Преимуществами ветроэнергетики является - возобновляемость природного ресурса и его доступность на территории, а также отсутствие вредных выбросов в атмосферу.
Среди недостатков отмечается следующее:
П.1. Требуются территории с большой площади для установки ВЭС. Ветряные станции занимают значительные территории, чтобы иметь выработку электроэнергии на промышленном уровне, также ветряные станции производят большой шум, что обязывает их постройку вдали от населенных пунктов. Предпочтительной постройкой ветряных электростанции - в регионах с повышенной ветровой активностью.
П.2. Большие капитальные затраты на установку оборудования.
П.3. Непостоянная выработка электроэнергии, т.к. выработка электроэнергии зависит от скорости ветра. Непостоянный и стихийный характер источника энергии несет финансовые затраты, связанные как с отсутствием ветра - штилем, что вынуждает подключения иных дополнительных источников энергии, как и штормовым ветром, что также вынуждает принудительно отключать ветроустановку или ремонтировать её впоследствии.
Постоянно растущие потребности человечества в энергии сегодня удовлетворяются в основном за счёт переработки традиционного топлива. Количество этого топлива ограничено, и как следствие мир столкнётся с серьёзными энергетическими проблемами. Запасы традиционных источников энергии однажды будут исчерпаны, и этот факт заставляет вести активные поиски альтернативных (возобнавляемых) источников энергии. Один из вариантов - энергия ветра.
