Использование энергии ветра.

Свойства энергии ветра.

Ветер – это направленное движение воздушных масс.

Важнейшей характеристика ветра является его нестационарность, обусловленная не постоянством его направления и скорости и зависимостью последней от местоположения территории.

Ветровой потенциал территории характеризуется среднегодовой скоростью ветра, V_С.Г.., м/с, определяемой как среднее арифметическое значение наблюдаемых скоростей ветра в течение года. Различают также средние месячные, дневные и часовые скорости ветра. Средняя скорость ветра имеет определяющее значение для оценки перспективности применения ветроиспользующих установок (ВИУ). Это обусловлено тем, что энергия потока ветра, которая может быть преобразована в другие виды энергии, например, в механическую или электрическую определяется третьей степенью скорости ветра. Так энергетический потенциал ветра со скоростью 6 м/с, превышает энергетический потенциал ветра со скоростью 3 м/с в 8 раз. Поэтому применение ветроиспользующих установок обосновано в районах с высокими скоростями ветра. К таким регионам на Юге России относятся Астраханская, Волгоградская и Ростовская области, Краснодарский край, а также Дагестан и Калмыкия. В перечисленных регионах имеются местности, характеризующиеся среднегодовой скоростью ветра более 5 м/с, что создает предпосылки для получения экономического эффекта от применения ветроэлектрических станций.

Принципы трансформации энергии ветра в электрическую энергию.

Использование энергии ветра для генерации электроэнергии получило широкое развитие в течение последних 20 лет. К настоящему времени в мире установлено более 20.000 ветроэлектрических агрегатов, общая мощность которых превышает 16 млн. кВт.

Лидером мирового производства и использования ветроэлектрических установок (ВЭУ) является Европа, где производится 75% сех производимых ВЭУ в мире. Ведущие страны планируют довести к 2030 году долю ветровой энергии в национальных энергобалансах до 50% — Дания, 30% — Германия, 24% — США, 15% — Китай. Германия планирует закрыть АЭС за счет ВЭС до 2030 года.

Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) имеют мощность от единиц киловатт до нескольких мегаватт и позволяют достаточно эффективно и надежно вырабатывать электроэнергию, преобразовывая энергию ветра. Наибольшее распространение получили ВЭУ, предназначенные для энергоснабжения объектов (дома, фермы и пр.), удаленных от источников электроэнергии.

Производство электроэнергии ветроагрегатом зависит от энергетического потенциала ветра и характеристик ветроагрегата.

При круглогодичной эксплуатации ветроагрегата количество вырабатываемой им электроэнергии, W_C.Г., Квт∙ч/год, определится по формуле:

. (12.8)

где D – диаметр колеса ветроагрегата, м;

V_С.Г.- среднегодовая скорость ветра, м/с;

Последнее выражение позволяет достаточно просто определять требуемый диаметр колеса D ветроагрегата для покрытия электрической нагрузки, равной W_C.Г., при установке ВЭУ в местности со среднегодовой скоростью ветра, равной V _C.Г..

Основные компоненты ветроэлектрической установки.

Основным элементом ВЭУ является ветроколесо, преобразующее кинетическую энергию ветрового потока в механическую энергию вращения колеса. Диаметры ветроколес составляют от нескольких метров для ветроагрегатов малой производительности до нескольких десятков метров для крупных агрегатов.

Специфика отбора мощности у ветрового потока определяет относительно малую скорость вращения ветроколеса, поэтому для установок средней и большой мощности требуется применение мультипликаторов, согласующих динамические характеристики ветроколеса и электрогенератора. В ВЭУ малой мощности мультипликаторы обычно не применяются.

Для увеличения производительности ВЭУ ветроколесо необходимо устанавливать как можно выше над поверхностью земли, так как земная поверхность оказывает тормозящее действие на ветер. Поэтому для установки ветроколеса в области наибольших скоростей ветра применяются башни. Их высота составляет от нескольких метров для малых агрегатов, до 70 метров для крупных ВЭУ.

В связи с нестационарностью ветра, для обеспечения надежности электроснабжения от ВЭУ, применяют электрические аккумуляторы, заряжающиеся в периоды с максимальной скоростью ветра, и отдающие электроэнергию в периоды отсутствия ветра или его недостаточной интенсивностью. Необходимо отметить, что применение аккумуляторов массового производства не позволяет обеспечить необходимый уровень резервирования электрической мощности при экономически оправданных затратах. Поэтому, в ряде случаев, необходимый уровень надежности электроснабжения обеспечивается применением дублирующих электрогенераторов: дизельных и бензиновых электростанций, фотоэлектрических преобразователей и др.

Большинство электрогенераторов ВЭУ вырабатывают постоянный электрический ток, поэтому для его преобразования в переменный с промышленной частотой 50 гц и напряжением 220 В или 380/220 В необходимо использовать инвертеры.

Современные ВЭУ содержат также системы автоматического управления работой установки.

Общий вид ветроагрегата приведен на рис. 12.12.

Рис. 12.12. Общий вид ветроагрегата.