Дипломная работа: Альтернативные источники энергии

Первый этап развития ветроэнергетики в нашей стране ( до середины 30-х годов) характеризуется в основном теоретическими исследованиями. Н.Е. Жуковским и его учениками Г.Х. Сабининым, В.П. Ветчинкиным и др. была разработана теория идеального и реального ветродвигателей, которойпользуются во всем мире. В тот же период созданы аэродинамические профили высокого качества для лопастей ветроколес, спроектированы опытные установки и проведены продувки моделей в трубах, изучены характеристики ветродвигателей. Проводились испытания различных конструкций ветроагрегатов и установок, совершенствовались методы их расчета и проектирования.

Параллельно велись работы по созданию новых моделей и типовветродвигателей. Уже в 1924 году под руководством Н.В. Красовского в отделе ветродвигателей (ОВД) ЦАГИ был разработан быстроходный двигатель мощностью до 50 л.с. с новой системой регулирования частоты вращения колеса, предложенной Г.Х. Сабининым. Она получила название стабилизаторной. С целью расширения работ по созданию ветродвигателей и использованию энергии ветра в 1930 г на базе ОВД ЦАГИ был организован Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ), единственный в мире в то время научно исследовательская оргонизация такого профиля.

В те годы удалось быстро разработать конструкции тихоходных ветродвигателей ВД-5 и ВД-8 для серийного производства. После модернизации эти двигатели, предназначенные для подъема воды, а также для работы с некоторыми сельскохозяйственными машинами (мельницами, дробилками кормов, силосорезками и др.), начали выпускать в больших количествах под марками ТВ-5 и ТВ-8. Была также создана конструкция и освоено производство быстроходного ветродвигателя Д-12 со стабилизаторной системой регулирования, который использовался в сельском хозяйстве, в Арктике, на зимовках, на метеостанциях и для энергоснабжения других объектов.

В связи с началом электрофикации сельского хозяйства были организованы работы по созданию ветроэлектрических станций (ВЭС). В 1930 году была спроектирована, а в 1931 году сооружена в Крыму самая крупная в мире ВЭС Д-30 мощностью 100 кВт. Станция работала до 1942 года и давала электроэнергию в сеть Севастопольэнерго напряжением 6300 В. Среднегодовая выработка энергии ВЭС превышала 270 МВт.ч. Во время Великой отечественной войны она была разрушена. К этому же периоду относится создание в нашей стране проектов самых крупных в мире ВЭС мощностью 1000 и 5000 кВт, которые не смогли быть реализованы из-за войны.

С 1936 г. основные проектные и следовательские работы по использованию энергии ветра, в первую очередь для нуждсела, были переданы Всесоюзному НИИ механизации сельского хозяиства (ВИМ). В 1938 г. в составе Всесоюзного научно- исследовательского института сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ) было организовано конструкторское бюро по серийным ветродвигателям. Ряду предприятий поручили выпуск установок. За 4 предвоенных года только в колхозах и совхозах было построено более 8000 ветросиловых установок, с помощью которых механизировали трудоемкие процессы на фермах, в первую очередь водоснабжение животных.

В этот период и в первые послевоенные годы был принят ряд партийных и правительственных постановлений о развитии ветроиспользования. ХVIII съезд партии в резолюции по 3-му пятилетнему плану (1938-1942 гг.) указал на необъходимость в целях экономии топлива широко развить строительство небольших ветроэлектростанций, организовать массовое производство ветродвигателей и широко развернуть сооружение колхозных ветросиловых установок.

В годы Великой Отечественной войны, когда не хватало топлива, в деревне широко развернулось строительство ветряных мельниц. Сразу после окончания войны было организовано промышленное производство модернизированных ветродвигателей типов ТВ-5, ТВ-8, УНДИМ-Д-10, электрических зарядных ветроагрегатов небольшой мощности и других установок, созданы и выпущены опытными партиями ветроэлектрические станции Д-18 и 1Д-18 ЦАГИ мощностью 30кВт. В законе о 4-м пятилетнем плане развития народного хозяйства страны записано: « Обеспечить массовое строительство ветростанций».

В годы, предшествовавшие второй мировой воине, и вплоть до середины 50-х годов во многих странах нарядус расширением масштабов производства и применения ветродвигателей небольшой и средней мощности большое внимание начали уделять созданию и строительству крупных ВЭС. Так, в начале 1941г. в США была построена станция 1,25 МВт с двухлопастным ветроколесом. Несколько лет она успешно работала, вырабатывая энергию, которая поступала в местную электрическую сеть. В марте 1945 г. ее эксплуатация была прекращена вследствии повреждения одной из лопастей, вызванного вибрацией.

После войны датчане создали три типа ВЭС мощностью 12,45 и 200 кВт для работы на электрическую сеть. Великобритания построила для испытаний несколько демонстрационных 100 киловатных ветроэлектростанций, в том числе одну установку принципиально нового типа системы Андро с пневматической передачей мощности от ветроколеса генератору,установленному вместе с воздушной турбиной в нижней части машины.

Под руководством проф. У.Хюттера в Германии был осуществлен ряд усовершенствований ВЭС. Самая крупная из них имела расчетную мощность 100 кВт. Наиболее совершенными из них были установки фирмы Allgaier .

Французские ученые и конструкторы создали несколько ветроэлектрических станций мощностью от 130 до 800 кВт с синхронным и асинхронными генераторами. Они работали на электрические сети совместно с другими, в основном тепловыми, электростанциями. В этот же период велись работы в области ветроэнергетики в Швеции,Австралии, Канаде, Нидерландах, Аргентине, Мексике и в ряде других стран.

В нашей стране 50-е годы явились новым этапомдальнейшего расширения работ в области использования энергии ветра. В августе 1954 г. Совет Министров СССР принимает развернутое постановление о дальнейшем развитии ветроэнергетики и расширение масштабов использования ресурсов ветра, которым были определены задания по организации исследований, разработке новых конструкций ветроагрегатов, их производству и внедрению в народное хозяйство, улучшению эксплуатации. Была создана Центральная научно-исследовательская лаборатория по ветродвигателям (ЦНИЛВ), группы или лаборатории ветроэнергетики в ряде республиканских научно-исследовательских и проектных институтов. Основное внимание в этот период уделялось использование энергии ветра в сельскохозяиственном производсте.

Уже в середине 50-х годов резко возрос выпуск ветроэнергетического оборудования различных типов только в 1956 г. было произведено 9 тыс. ветродвигателей. Одновременно во Всесоюзном НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) расширились исследования в области эксплуатации ветроустановок, их агрегатирования с рабочими машинами и генераторами по вопросам аэродинамики расширились работы в ЦАГИ. Разработками ветроэнергетического кадастра, вопросов аккумулирования энергии, новых методов расчета конструкции и оптимизации сфер применеия, исследованиями в области повышения надежности и эффективности эксплуатации был занят ряд центральных и республиканских институтов и организаций. Были изобретены новые системы регулирования ветродвигателей, разработаны эффективные методы использования ВЭС, конструкции ветроагрегатов различного назначения, в том числе для пастбищного водоснабжения «Беркут» с электронасосом повышенной частоты, УВЭУ-(1-4)-6 (ныне АВЭУ-6), снабженный погружным электронасосом с двигателем промышленной частоты, ВБ-3Т с насосом вибрационного типа и ряд других. В Казахстане была сооружена многоагрегатная ВЭС мощностью 400кВт, построены и испытаны образцы агрегатов и станций мощностью от 0,2 до 30 кВт.В 1971 году на ряде заводов был организован выпуск опытных партий агрегатов четырёх типов и проведена их эксплуатационная проверка на пасдбищах Чёрных земель Кизлярских степей ив других зонах. Продолжались работы над созданием ветрооогрегата Вихрь с пневмотическим насосом, электрических агрегатов Сокол и УВЕУ-(8-16)-12 мощностью 15 кВт а так же разрабатывались проекты более мощных экспериментальных ВЭС до 100кВт предназначенных для комплексного использование.

По неполным данным ЮНЕСКО, в 1960г. в мире насчитывается более 1 млн ВЭС различных типов и назначение, в том числе более полумиллиона быстроходных ветроэлектрических агрегатов. Большинство ветродвигателей использовалось в системах сельскохозяйственного водоснабжения, для зарядки аккумуляторных батарей и пмиания энергией небольших объектов, на линиях радиорелейной связи и для других целей в районах с благоприятным ветровым режимом, удаленных от источников централизованного энергоснабжения, В 1968 г. только в Австралии эксплуатировалось почти 250 тыс. ветроустановок.

В годы так называемого «энергитического кризиса» (начало 70-хгодов), вызванного увеличением во всем мире потребления энергии, постепенным сокращением запасов традиционных энергоресурсов и ростом цен на жидкое топливо, во многих странах резко расширились работы по использованию возобновляющихся источников энергии, в первую очередь Солнца, ветра, теплоты недр Земли и др. В соответствии с национальными энергетическими программами созданы новые более эффективные ветроустановки и станции с единичной мощностью до 2-3 Мвт, ведутся разработка новых конструкций и поиск экономичных технологий преоброзования энергии ветра в электрическую, химическую энергию и теплоту. По существу ставится и решается проблема технического перевооружения этого направления энергетики на основе широкого использования результатов фундаментальных и прикладных исследований, внедрения достижений НТР.

Дальнейшее развитие ветроэнергетики как отрасли науки и техники, разрабатывающей теоритические основы , методы и средства использования энергии ветра для производства механической, электрической энергии и теплоты, является важной народнохозяйственной проблемой. Одна из задач отрасли- на каждом из этапов развития страны определять масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве.Из двух составных частей ветроэнергетики- ветротехники и ветроиспользования – первая призвана разрабатывать теоретические основы и совершенствовать практические приемы проектирования технических средств, вторая – обосновывать и решать теоретические и практические вопросы оптимального использования ресурсов ветровой энергии, рациональной эксплуатации установок, определения их технико- экономических показателей, обобщения и распространения опыта применения ветроустановок в различных отраслях, зонах и условиях, чтобы решить главную задачу – обеспечить потребность страны в энергии.

§1.2ВЕТЕР КАК ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ.

Ветер в приземном слое образуется вследствие неравномерного нагре­ва земной поверхности Солнцем. Поскольку поверхность Земли неодно­родна, то даже на одной и той же широте суша и водные пространства, горы и лесные массивы, пустыни и болотистые низины нагреваются по-разному. В течение дня над морями и океанами воздух остается сравни­тельно холодным, поскольку значительная часть энергии солнечного излу­чения расходуется на испарение воды или поглощается ею. Над сушей воздух прогревается больше, расширяется, снижает свою массовую плот­ность и устремляется в более высокие слои над землей. Его замещают бо­лее холодные, а следовательно, более плотные воздушные массы, распо­лагавшиеся над водными пространствами, что и приводит к возникнове­нию ветра как направленному перемещению больших масс воздуха. Эти местные ветры, образующиеся в прибрежных зонах, носят название бри­зов. Годовые изменения температуры в береговых районах больших мо­рей и океанов вызывают циркуляцию более крупного масштаба, чем бри­зы, называемые муссонами. Они делятся на морские и материковые, от­личаются, как правило, большими скоростями и в течение ночи меняют свое направление. Аналогичные процессы происходят в гористых местах и долинах вследствие разных уровней нагрева экваториальных зон и полю­сов Земли и многих других факторов. Характер циркуляции земной ат­мосферы усложняется вследствие сил инерции, возникающих при враще­нии Земли. Они вызывают различные отклонения воздушных течений, об­разуется множество циркуляции, в большей или меньшей мере взаимо­действующих между собой.

Сила и направление ветра в различных зонах по-разному изменяются в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Так, на экваторе близко к земной поверхности расположена зона с относительно небольшими и переменными по направлению скоростями ветра, а в верхних слоях возни­кают достаточно большие по скорости воздушные потоки в восточном направлении. На высоте от 1 до 4 км от поверхности Земли, в зоне между 30° северной и южной широт образуются достаточно равномерные воз­душные течения, называемые пассатами. В северном полушарии ближе к поверхности Земли их средняя скорость составляет 7 — 9 м/с.

Вокруг зоны пониженного давления образуются крупномасштабные циркуляции воздушных масс — в северном полушарии против направле­ния движения часовой стрелки, а в южном — по направлению ее движе­ния. Вследствие наклона 23,5° оси движения Земли к плоскости ее враще­ния относительно Солнца происходят сезонные изменения тепловой энер­гии, получаемой от него, величина которых зависит от силы и направле­ния ветра над определенной зоной земной поверхности. 36

На относительно большой высоте над поверхностью Земли (в среднем 8-12 км) в тропосфере возникают достаточно равномерные и мощные воздушные течения, получившие название струйных. Их образование вызвано особенностями высотной атмосферной циркуляции, поэтому характеристики струйных течений существенно отличаются от параметров приземного ветра.

Размеры струйных течений в поперечнике достигают 400-600 км, а протяжен­ность - др 1000 км. Обычно они не подвержены большим сезонным изменениям, но могут менять свое расположение по высоте. Так, над Восточной Сибирью и Чу­коткой они иногда опускаются до высоты 3-4 км от поверхности Земли. Ско­рости воздушных масс в ядре струйного течения составляют 30-80 км/ч, но часто доходят до 200 км/ч.

Таким образом, тепловая энергия, непрерывно поступающая от Солнца, преобразуется в кинетическую энергию движения в атмосфере огромных масс воздуха, циркуляция которых и называется ветром.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРА

Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников, который издавна используется человеком, и при благоприятных условиях может быть утилизован в интересах народного хозяйства в значительно больших масштабах, чем это имеет место в настоящее время. По ориенти­ровочным оценкам, энергия,'которая непрерывно поступает от Солнца, соответствует суммарной мощности, превышающей 10¹¹ ГВт. Это опре­деляет возможную годовую выработку энергии ветроагрегатами, равную 1,18 • 10¹³ кВт -ч, что во много раз превышает количество энергии, потреб­ляемой сегодня в мире. По оценкам МИРЭК, ежегодно в мире потребляет­ся около 3 млрд. т условного топлива. В развитых странах потребление достигло 0,6 т условного топлива в год на одного человека, в развиваю­щихся - в 3 раза меньше.

Энергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50 - 70 м, реже - до 100 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое. В дальнейшем, по мере создания соответ­ствующих технических средств, могут оказаться практически ценными также струйные течения, характерные для тропопаузы.

Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую цен­ность ветра, является его. скорость. В силу ряда метеорологических факто­ров (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, коли­чества тепловой энергии, поступающей на Землю, и других причин), а также вследствие влияния рельефных условий непрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяются по слу­чайному закону. Поэтому мощность, которую может вырабатывать ветро-установка в различные периоды времени, удается предсказывать с очень малой вероятностью. В то же время суммарную выработку агрегата, осо­бенно за длительный промежуток времени, можно рассчитать с высоким уровнем достоверности, так как средняя скорость ветра и частота распре­деления скоростей в течение года или сезона изменяются мало.

Единицами измерения скорости в СССР являются метр в секунду (м/с) и километр в час (км/ч), за рубежом применяют также миля в час(1 миля/ч = 0,44 м/с). Направление вектора скорости измеряется в граду­сах или румбах и показывает его угловое положение относительно направ­ления (обычно северного), принятого за начало отсчета.

Для измерения мгновенной скорости ветра, т.е. пути воздушного пото­ка, пройденного им за промежуток времени, измеряемый секундами или даже долями секунд, пользуются анемометрами различных конструкций. Чем меньше интервал времени усреднения скорости, тем менее инерцион­ным должно быть ветроприемное устройство анемометра. Поэтому для подобных измерений используют специальный класс приборов - мало­инерционные.