Вітроенергетика

Російський Університет Дружби Народов.

Екологічний факультет.

Курсова робота з енергетичної екології на тему.

Вітрова енергетика: стан проблемы.

Руководитель:

Применко В.Н.

Выполнила.

студентка гр.

ОСМ-202.

Кукольщикова С.Б.

Москва.

Енергія вітру 3 Вітроенергетика там 5 Вітроенергетика у Росії 9 Фундаментальні знання з вітроенергетики 10 Мінуси вітроенергетики 10 ВЕС погляду екології. 12 Література 14.

Энергия ветра.

Енергія вітру — це перетворена енергія сонячного випромінювання, і поки що світить Сонце, будуть дмухати й вітри. Отже, вітер — це теж поновлюваний джерело энергии.

Люди використовують енергію вітру невідь-скільки років — досить згадати вітрильний флот, який був в давніх финикян і жили разом з ними інших народів, і вітряки. У принципі так, перетворити енергію вітру у електричний струм, начебто, неважко — на те дуже замінити мірошницький жорен электрогенератором. Вітри дмухають скрізь, можуть дмухати й влітку, й узимку, й удень, і тільки вночі — у цьому їхніх суттєву енергетичну перевагу перед самим сонячним випромінюванням. Тож цілком п9нятны численні спроби «запрягти вітер в запряжку «й примусити його виробляти електричний ток.

Перша нашій країні вітрова електростанція потужністю 8 кВт була споруджено в 1929;1930 рр. під Курськом у проекті інженерів А. Г. Уфимцева і В. П. Ветчинкина. За рік у Криму було побудовано більша ВЕС потужністю 100 кВт, що була на той час найбільшої ВЕС у світі. Вона успішно пропрацювала до 1942 р., а й у час війни лежала в руїнах. У зараз у СРСР випускаються серійні вітроагрегати потужністю 4 і 30 кВ та готуються до випуску потужніші установки 100 і навіть 1000 кВт. Робляться перші кроки щодо шляху переходу від одиничних автономних ВЕС до системам пов’язаних на єдину мережу багатьох вітроагрегатів великої потужності. Перша таку систему мусить бути споруджено близько селища Дубки в Дагестане.

Значні успіхи у створенні ВЕС досягнуто там. У багатьох країнах Західної Європи побудовано значна частина установок по 100- 200 кВт. У Франції, в Данії та у інших країнах ввели в лад ВЕС номінальними потужностями понад 1 МВт (табл. 1).

Таблиця 1. Найбільші вітроенергетичні установки |Країна |Назва |Діаметр |Потужність, | | |установки |робочого |МВт | | | |колеса, м | | |США |WTS-4 |78 |4 | |Канада |Eole |64 |4 | |ФРН |Growian |100 |3 | |Великобрита|LSI |60 |3 | |ния | | | | |Швеція |WTS-3 |78 |3 | |Данія |Elsam |60 |2 |.

Одною з найбільш відомих установок цього «Гровиан «була створена Німеччини, її номінальна потужність — 3 МВт. Але широке розвиток вітроенергетика отримало США. Ще 1941 р. була побудована перша ВЕС потужністю 1250 кВт, і тепер загальна потужність всіх ВЕС у цій країні сягає 1300 МВт, причому у тому числі гіганти з потужністю до запланованих 4 МВт (табл. 2.). Загалом у світ у час налічується близько 3 млн. вітроустановок, їх приблизно 3,5 тис. у нас.

Таблиця 2. Дані БЭС за кордоном |Країна |Встановлена |Виробництво |Частка від | | |потужність, МВт |электроэнергии|установленных | | | |, ГВт/ч |потужностей країни, | | | | |% | |США |1300 |1700 |0,18 | |Мексика |265 |— |1,0 | |Данія |140 |— |1,7 | |ПАР |50 |— |0,2 | |Нідерланди |20 |10 |0,11 | |СРСР |3 |5 |0,001 |.

Вітроенергетичні установки (ВЕУ) досягли сьогодні рівня комерційної зрілості й у місцях з сприятливими швидкостями вітру можуть конкурувати з традиційними джерелами електропостачання. З різноманітних пристроїв, перетворюючих енергію вітру у механічну роботу, в гнітючому вона найчастіше використовуються лопатеві машини з горизонтальним валом, які встановлюються за в напрямі вітру. Набагато рідше застосовуються устрою з вертикальним валом.

Кінетична енергія, стерпна потоком вітру у одиницю часу через площу перейменують на 1 м² (питома потужність потоку), пропорційна кубу швидкості вітру. Тому установка ВЕУ виявляється доцільною лише у місцях, де середньорічні швидкості вітру досить велики.

Вітрове колесо, розташоване у вільному потоці повітря, може у кращому разі теоретично перетворити на потужність з його валу 16/27=0,59 (критерій Бетца) потужності потоку повітря, який струменіє через площа перерізу, ометаемого вітровим колесом. Цей коефіцієнт може бути теоретичним ККД ідеального вітрового колеса. Насправді ККД нижче і становить для кращих вітрових коліс приблизно 0,45. Це означає, наприклад, що вітрове колесо із довжиною лопаті 10 м при швидкості вітру 10 м/с може мати потужність на валу у разі 85 кВт.

Найбільшого поширення набула з установок, подсоединяемых до неї, сьогодні отримали вітроенергетичні установки (ВЕУ) з одиничної потужністю від 100 до 500 кВт. Питома вартість ВЕУ потужністю 500 кВт становить сьогодні близько 1200 долл/кВт і має тенденцію до снижению.

Поруч із створюються ВЕУ і з значно більшої одиничної потужністю. У 1978 р. США було створено експериментальна ВЕУ мегаваттного десь із класу розрахункової потужністю 2 МВт. Після цього в 1979;1982 рр. США було споруджено і випробувані 5 ВЕУ з одиничної потужністю 2,5 МВт. Найбільша на той час ВЕУ (Гровиан) потужністю 3 МВт була споруджена в Німеччині 1984 р., але, на жаль, вона попрацювала тільки кілька сотень годин. Побудовані трохи згодом у Швеції ВЕУ WTS-3 і WTS-4 потужністю відповідно 5 і 4 МВт було встановлено у Швеції та навіть пропрацювали перша 20, а друга 10 тыс.ч.

У Канаді роботи з створенні великих вітрових установок з вертикальним валом (ротор Дарьє). Одна така установка потужністю 4 МВт проходить випробування з 1987 р. Усього за 1987;1993 рр. у світі було споруджено близько 25 ВЕУ мегаваттного класса.

Розрахункова швидкість вітру для великих ВЕУ зазвичай приймається лише на рівні 11−15 м/с. Взагалі, зазвичай, що більше потужність агрегату, тим на велику швидкість вітру він розраховується. Проте у з непостійністю швидкості вітру багато часу ВЕУ виробляє меншу потужність. Вважається, що й середньорічна швидкість вітру у цьому місці щонайменше 5- 7 м/с, а еквівалентну число годин на року, у якому виробляється номінальна потужність щонайменше 2000, то місці сприятливо для установки великої ВЕУ і навіть вітрової фермы.

Автономні установки киловаттного класу, призначені для енергопостачання порівняно дрібних споживачів, можна застосовувати й у районах з меншими середньорічними швидкостями ветра.

Сьогодні у деяких промислово розвинених країн встановлена потужність ВЕУ сягає помітних значень. Так було в США встановлено понад 1,5 млн. кВт ВЕУ, у Данії ВЕУ виробляють близько 3 °/про споживаної країною енергії; велика встановлена на ВЕУ у Швеції, Нідерландах, Великій Британії та Германии.

Принаймні вдосконалення устаткування ВЕУ і збільшення обсягів їх випуску вартість ВЕУ, отже, і вартість їхньої енергії знижуються. Якщо 1981 р. вартість електроенергії виробленої ВЕУ, було приблизно 30 американських центів за кВт./ч, то вона становить 6−8 центів. З огляду на те, що у 1995 р. США велися роботи з чотирьом великим вітровим фермам із загальною потужністю близько 200 МВт, стане зрозуміло, що запланована Департаментом Енергетики США зниження вартості вітрової електроенергії до 2,5 центів/ (кВт. год) цілком реальне [57, 90,94].

У країнах інтерес до ВЕУ пов’язаний переважно з автономними установками малої потужності, які можуть використовуватися у селах, віддалених від систем централізованого електропостачання. Такі установки вже сьогодні конкурентоспроможні з дизелями, які працюють на привозимом паливі. Однак у окремих випадках мінливість швидкості вітру змушує або встановлювати паралельно з ВЕУ акумуляторну батарею, або резервувати її установкою на органічному паливі. Природно, це підвищує вартість встановлення і її експлуатації, тому поширення таких установок поки невелико.

Ветроэнергетика за рубежом.

Вітроенергетичні установки (ВЕУ) досягли сьогодні рівня комерційної зрілості й у місцях з середньорічними швидкостями вітру понад п’ять м/сек успішно конкурують із традиційними джерелами электроснабжения.

Перетворення енергії вітру у механічну, електричну чи теплову ввозяться ветроустановках з горизонтальним чи вертикальним розташуванням валу вітротурбіни. Найбільшого поширення набула отримали вітроенергетичні установки із горизонтальним віссю ротора, які працюють за принципу вітряка. Турбіни із горизонтальним віссю і високим коефіцієнтом быстроходности мають найбільшим значенням коефіцієнта використання вітру (0,46−0,48). Вітротурбіни з вертикальним розташуванням осі менш ефективні (0,45), але мають те перевагою, що ні вимагають настройки на напрям вітру. У таблиці 3 наведено дані про частку над ринком різних типів ВЕУ в старих землях ФРГ.

Табл. 3 Частка над ринком різних типів ВЕУ в старих землях ФРГ.

|Расположение осі ротора |Частка над ринком, %| |Вертикальноосевые установки |9 | |Горизонтальноосевые установки |91 | |їх: з наветреным розташуванням ротора за|77 | |вежею |14 | |з подветренным розташуванням ротора | |.

Найбільшого поширення набула із мережних установок сьогодні отримали ВЕУ з одиничної потужністю від 100 до 500 кВт. Питома вартість ВЕУ потужністю 500 кВт становить сьогодні близько 1200 $/кВ та має тенденцію до їх зниження. У таблиці 4 приведено структура потужностей ВЕУ в старих землях ФРГ.

Табл. 4 Структура потужностей ВЕУ в старих землях ФРГ.

|Класс потужності, кВт |Частка, % | |10−19 |11 | |20−49 |19 | |50−149 |34 | |150−500 |26 | |401−1499 |5 | |1500−5000 |5 |.

ВЕУ мегаваттного класу побудовано низці країн і нині перебувають у стадії експериментальних досліджень чи досвідченої эксплуатации.

Багато розвинених країн існують Державні програми розвитку відновлювальних джерел енергії, зокрема і вітроенергетики. Завдяки цим програмам вирішуються науково-технічні, енергетичні, екологічні, соціальні й освітні завдання. Генераторами проектів відновлювальних джерел енергії у Європі є дослідницькі центри (Riso, SERI (нині NREL), Sandia, ECN, TNO, NLR, FFA, D (FV)LR, CIEMAT та інших.), університети й зацікавлені компании.

У 1994 року, у Мадриді, на конференції «Генеральний план розвитку відновлювальних джерел енергії у Європі» країнами Європейського союзу було прийнято декларація. У «Мадридської декларації» було сформульовано мети з досягнення 15% рівня використання відновлювальних джерел енергії в загальному споживанні енергії у країнах Європейського союзу до 2010 р. 184 ]. У 1994 р. у країнах Європейського союзу встановлена на сонячних батарей, міні гідроелектростанцій і ветроэнергетичских установок становила 5.3 Вт, до 2010 року передбачається монтувати устаткування з встановленої потужністю 55 Вт.

Поставлені мети досягаються рішенням завдань у сфері політики, пільгового податкового законодавства, державної фінансової підтримки через науково-технічні програми, пільгового кредитування, створення інформаційної мережі, системи освіти, стажувань, просування високих технологій, створенням робочих місць на виробництвах і підготовки громадського мнения.

Сприятливі умови у розвиток енергетики дозволять до 2020 р. збільшити споживання електричної енергії на 30% зокрема з допомогою відновлювальних джерел енергії на 15%.

У таблиці 3. наведено співвідношення розробки електроенергії різними поновлюваними джерелами енергії країнах Європи по оптимістичним і песимістичних прогнозів до 2020 року. Прогноз складено основі аналізу темпів приросту встановленої потужності різних видів відновлювальних джерел енергії у країнах Європейського Союзу. Частка вітрової енергії становитиме по песимістичну оцінку 15%, по оптимістичній оцінці 16%. Табл. 5.

Таблиця 5. Прогноз розвитку поновлюваної енергетики. |Поновлювальні |У 2020 р. | | |У 2020 | | |джерела |"Мінімум" | | |р. | | | | | | |"Максиму| | | | | | |м" при | | | | | | |благопри| | | | | | |ятной | | | | | | |політиці| | | | | | |поддержк| | | | | | |і | | | |Mtoe |% |M| |% | | | | |t| | | | | | |o| | | | | | |e| | | |"Modern" біомаса |243 |45 |5| |42 | | | | |6| | | | | | |1| | | |Сонячна |109 |21 |3| |26 | | | | |5| | | | | | |5| | | |Вітрова |85 |15 |2| |16 | | | | |1| | | | | | |5| | | |Геотермальна |40 |7 |9| |7 | | | | |1| | | |Міні ГЕС |48 |9 |6| |5 | | | | |9| | | |Припливів і хвиль |14 |3 |5| |4 | | | | |4| | | |Сумарна |539 |100 |1| |100 | | | | |3| | | | | | |4| | | | | | |5| | |.

У 1990 р. нові відновлювані джерела енергії склали 164 Mtoe (1,9%) загальної споживаної енергії. У 1994 р. в усьому світі встановлена на вітростанцій становила 3200 MW, 1400 MW складали Європу. У таблиці 6 наведено даних про по странам.

Табл.6. Сумарна встановлена на ветростанций.

|Страна, регіон |Встановлена | | |потужність (MW) | |США |1700 | |Данія |520 | |Німеччина |320 | |Великобританія |145 | |Нідерланди |132 | |Іспанія |55 | |Греція |35 | |Швеція |12 | |Італія |10 | |Бельгія |7 | |Португалія |2 | |Ірландія |7 | |Франція |1 | |Інші регіони |35 | |Європи |100 | |Індія |25 | |Китай |75 | |Інші регіони Миру | | |Усього |близько 3200 |.

Щороку до Європі встановлена на вітроагрегатів становить 200 MW При сприятливі умови приріст встановленої потужності може cоставить 800 MW. Найефективнішими з нарощування встановленої потужності вітростанцій є програми країн Європи, Китаю, Індії, США, Канады.

Щорічний оборот з допомогою продажів ветропреобразователей країнах Європи становить 400 MECU. Більше 10 найбільших банків Європи інвестують вітроенергетичну індустрію. Більше 20 великих Європейських приватних інвесторів фінансують вітроенергетику. Вартість вітрової енергії залежить переважно від наступних 6 параметрів: інвестицій у виробництво ветроагрегата (виражається як ставлення $/кв. м — ціна одного кв. метри ометаемой площі ротора вітротурбіни); коэффициета корисної дії системи; середньої швидкості вітру; доступності; технічного ресурса.

Табл. 7 Співвідношення вартість электроэнергии/скорость ветра.

|Параметры |Ситуація 1 |Ситуація 2 |Ситуація 3 | |Середньорічна |5.0−5.8 м/сек |5.5−6.4 м/сек|6.0−7.0 м/сек | |швидкість вітру на | | | | |висоті 10 м | | | | |Количествоэлектро |650 кВт год/ |825 кВт год/ |1140 кВт год / | |енергії | | | | |вироблюваної | | | | |ветроагрегатом | | | | |вартість |0.046 ЕСU/кВтч|0.036 |0,026 ECU/кВтч| |електроенергії | |ECU/кВтч | |.

Останні десятиліття технологія використання енергетичних ресурсів вітру було зосереджено утворенні мережевих вітроагрегатів WECS. У напрямі досягнуто неабиякі успіхи. Багато тисячі сучасних установок WECS виявилися повністю конкурентоспроможними по відношення до звичайним джерелам енергії. Існуючі електричні мережі здійснюють транспортування електроенергії вироблювані ветропарками в різні регионы.

Останніми роками інтенсивно почали розвиватися технології використання енергії вітру у ізольованих мережах. У ізольованих мережах електропередач неминучі видатки одиницю виробленої енергії в багато разів вище, ніж в централізованих мережах електропередач. Установки, що виробляють електроенергію, зазвичай засновані на невеликих двигунах внутрішнього згоряння, використовують дороге паливо, коли на транспортування лише палива часто піднімають вартість одиниці виробленої енергії вдесятеро вартості енергії у найкращих централізованих мережах електропередач. У невеличких мережах електропередач установки, які подають електроенергію, є значно більше гнучкими: сучасний комплект генераторів на дизельному паливі можна запустити, синхронізувати і залучити до ізольованій мережі менш як по дві секунди. Перетворення енергії вітру альтернативний поновлюваним джерелом енергії, щоб замінити дороге паливо. Нові дослідження технічної здійсненності проектів використання вітроустановок що з дизельгенераторами в ізольованих мережах показують, що світової потенціал для незалежних систем WECS вищий, чому систем WECS, підключених у звичайні мережі електропередач. У таблиці 6 наведено параметри діючих ветро-дизельных систем. Зазначені системи були побудовані 1985;1990 рр. Їх експлуатація виявила необхідність вдосконалення систем, створення автоматизованого управления.

Таблиця 6. Параметри діючих ветро-дизельных систем. |Країна |Місце расположения|Мощность |Потужність |Потужність | | | |ветрогрегата,|дизельгенера-|нагрузки,| | | | | | | | | |кВт |тору, кВт |кВт | |Австралия|Остров Роттнест |20,50,55 |1100 |90−460 | |Бразилія |Фернанд де Норонха|2×5 |50 |200 макр.| |Канада |Острів Келверт |2×3 |12 |0,5−3,5 | |—#— |Кембридж Бей |4×25 |4: 380−760 |2375 макр| |—#— |Форт Северн |60 |85,125,195 |50−150 | |Данія |Ризо |55 |125 |30−90 | |Франція |місце де Лас Турс |10×12 |152 |100 макр | |Німеччина |Хелоголенд |12 002 |2−1200 |1000−3000| |—#— |Шнитлинген |11 |25 |1−15 | |Греція |Острів Китнос |5×22 |31.4 | | |Ірландія |Кейп Клиер |2×30 |60 |15−100 | |—#— |Айнис Ойр |1×63 |1×12,1×26,1×4|—- | | | | |4 | | |Італія |Келбриа |20 |2×20 |—- | |Голландия|ECN |2×30 |50 |50 | |Норвегія |Фроуа |55 |50 |15−50 | |Іспанія |Буджерелоз |25 |16 |—- | |Швеція |Аскескар |18,5 |8,1 |—- | |—#— |Келмерский |22 |20 |—- | | |університет | | | | |Швейцария|Мартинджи |160 |130 |60−80 | |Велике |Острів Файр |55 |1×20, 1×50 |—- | |британія | | | | | |—#— |Фолклендські |10 |10 |—- | | |острова | | | | |—#— |Острів Ланди |55 |3×6, 1×27 |—- | |—#— |Машинилес |15 |10 | | |—#— |RAL |16 |7 | | |США |Острови Блок |150 |1×225,400,500|1800 макр| |—#— |Клейтон |200 |1×400,1700; |1000−3500| | | | |2×1000; | | | | | |3×1250 | |.

Вітроенергетика в России.

У Росії її існує значний нереалізований заділ у сфері вітроенергетики. Фундаментальні дослідження аеродинаміки вітряка, здійснені ЦАГІ, заклали основу сучасних вітротурбін з великим коефіцієнтом використання вітру. Проте жорстка орієнтація на велику гідроенергетику і угольно-ядерную стратегію і майже повну глухоту новаціям і екологічні проблеми надовго загальмувало развити вітроенергетики. Виготовлені «Ветроэном» вітроустановки не відповідали сучасним вимогам, і уявленням високих технологій вітроенергетичної індустрії. Підштовхнула до подальшого поступу і створення сучасного вітроенергетичних устаткувань стала федеральна науково-технічна програма «Екологічно чиста энергетика"[193]. Для участі й отримання фінансування були відібрані кращі проекти вітроенергетичних установок різних класів за проектною потужністю. Були розроблено проекти вітроагрегатів потужністю до 30 кВт, 100 кВт, 250 кВт, 1250 кВт.

Розпочата перебудова, розвал економіки та припинення фінансування за програмою не дозволила довести зазначені проекти до комерційного рівня. Майже всі проекти залишилися лише на рівні досвідчених і макетных зразків. Досвідчений зразок ветроагрегата мегаваттного класу спроектували і побудований МКБ «Райдуга», який організував кооперацію підприємств авіаційної промисловості. Розробка, виготовлення і будівництво фінансувалося урядом Калмикії. Вітроагрегат побудували недалеко від Елісти й успішно працює, виробляючи 2300−2900 тис. кВт год електроенергії у рік. Вітроагрегат підключено до мережі. У МКБ «Райдуга» були спроектовані вітроагрегати потужністю 8кВт і 250 кВт. Російської Асоціацією розвитку вітроенергетики «Energobalance Sovena» що з Німецької фірмою Husumer SchiffsWert (HSW) виготовлено 10 вітроагрегатів мережного виконання одиничної потужністю 30 кВт. Ветропарк з встановленої потужністю 300 кВт було побудовано 1996 р. в Ростовській області запущено в эксплуатацию.

Сьогодні можливі такі сценарії розвитку вітроенергетики у Росії: закупівля і монтаж зарубіжних вітроагрегатів; трансферт західних технологій і організація виробництва, у Росії; кооперація із зарубіжними фірмами і виробництво ветроагегатов у Росії; організація виробництва власних ветроагегатов, ноу-хау яких захищене міжнародного законодавства .

Росії краще останній сценарій, але він стримується існуючим податковим законодавством, монополією виробників електроенергії, відсутністю інвестицій і розвалом производства.

Фундаментальные знання з ветроэнергетики.

Приклад вдосконалення моделі вітру можна показати що поглиблення знань у цій галузі дозволило наблизитися до адекватної моделі перетворення На рис. показані: використання спрощеної моделі вітру з осредненными параметрами за часом й у просторі до70 років, облік зміни швидкості вітру за висотою в 75 роки, використання турбулентной моделі вітру у 85 годы.

а) б) в).

Моделі вітру. а) Осреднение за часом і простору, б) Зміна швидкості вітру за висотою, в) Турбулентная модель ветра Минусы ветроэнергетики.

Вітер дме майже завжди нерівномірно. Отже, і, генератор буде працювати нерівномірно, віддаючи то велику, то меншу потужність, струм буде вироблятися перемінної частотою, або навіть повністю припиниться, до того ж, можливо, саме тоді, коли у ньому буде найбільшої. результаті будь-який вітроагрегат дбає про максимальної потужності лип малу частину часу, а проміжку вона або дбає про зниженою потужності, або просто стоит.

Для вирівнювання віддачі струму застосовують акумулятори, але ці як вже зазначалося, і дорого, мало эффективно.

Інтенсивності вітрів сильно залежать і південь від географії. ВЕС вигідно залучити до такі місця, де середньорічна швидкість вітру вище 3,5—4 м/с для невеликих станцій та вище 6 м/с для станцій великої потужності. У нашій країні зони з V P. S: 6 м/с розташовані, здебільшого Крайній Півночі, вздовж берегів Льодовитого океану, де потреби у енергії мінімальні (табл. 7).

Таблиця 7. Можливості використання вітру у СНД |Район |Середня |Можливі типи ВЕС | | |швидкість вітру,| | | |м/с | | |Узбережжя Льодовитого океану, |>6 |Великі ВЕС по 3—4 МВт | |окремі місця біля берегів | | | |Каспійського морів | | | |Європейська частина СНД, |3,5−6 |ВЕС середньої потужності | |Західна Сибір, Казахстан, | | | |Далекий Схід, Камчатка | | | |Південь Середню Азію, Східна |.