Реферат: Возобновляемые энергоисточники

Возобновляемые энергоисточники

Возобновляемые энергоисточники можно сгруппировать в пять категорий: солнечные, ветряные, водные, геотермальные и биомасса. Категория «водные» включает энергию, получаемую от рек и океанов. Все эти источники энергии, кроме геотермальных, существуют благодаря энергии Солнца. Биомасса состоит из растительного вещества, которое накопило свою энергию от солнечной путем фотосинтеза. Реки питаются дождями, которые возникают из-за испарения океанов и озер под действием солнечного тепла. Ветер дует над поверхностью земли вследствие неравномерного нагревания поверхности Земли Солнцем. Геотермальная энергия - это энергия подземного тепла. Мы рассмотрим только наиболее разработанные и перспективные источники.

Солнце

Солнце посылает в отрытый космос огромный диапазон длин волн. Около одной трети доходящего до нас солнечного излучения приходится на инфракрасное излучение (тепловые лучи). Человек не может видеть ультро-инфра-микроволновое и, тем более, рентгеновское излучение. Видимый свет - это не более одного процента от общего излучения солнца.

Плотность потока солнечного излучения прошедшего все слои атмосферы и дошедшего до Земли от Солнца, составляет примерно 1 кВт/м•кв. Солнечное излучение состоит из фотонов которые, отрываясь от поверхности Солнца, несут энергию от 1 до 3 эВ. (электрон-вольт). Фотоны - это световые частицы, несущие количество энергии, которые, попадая на предметы, могут выбивать электроны с поверхности предмета. Этим объясняется фотоэффект.



Рис. 3.1. Волновой диапазон солнечного излучения

На поверхности Земли мы уже видим как прямой поток, так и рассеянное атмосферой излучение.

Из всех существующих возобновляемых источников энергии, солнце, наряду с ветром, является самым доступным и экологически чистым. Чтобы использовать его энергию, необходимо решить такие вопросы: как уловить его наибольший поток, сохранить и передать тепло потребителю без потерь.

На сегодня специалисты, работающие над этими вопросами, достигли больших успехов. Они создали всевозможные устройства: сушилки, печки, коллекторы, опреснители воды, концентраторы, фотоэлементы и многие другие. Можно с уверенностью говорить, что эти устройства будут быстро внедряться, так как их стоимость с каждым годом снижается. A в некоторых странах правительства выплачивают деньги тем, кто использует возобновляемые источники энергии у себя дома. Таким образом государство способствует внедрению технологий альтернативных источников энергии.

Самыми распространенными способами использования солнечной энергии, как и много лет назад, являются установки, не требующие капитальных вложений, но дающие необходимую энергию для таких бытовых нужд, как опреснение воды, нагревание воды и отопление домов. Нагревание воды и отопление домов мы рассмотрим более подробно, так как важно понять, что происходит с теплом и куда оно девается. К тому же, Вы сами у себя дома можете попробовать использовать полученные знания.

^ Опреснение воды

Для жизнедеятельности человека в пустынных районах необходимо наличие пресной воды. Многие пустынные районы имеют значительные запасы соленой воды и намного дешевле ее опреснять, чем привозить из других мест.



Рис. 3.2.

Самым простым устройством является солнечный дистилятор-бассейн (рис. 3.2). Он состоит из неглубокого бассейна с черными стенками и дном и прозрачной паронепроницаемой крышкой, заполненного соленой водой. Поток солнечной энергии, прошедший через крышку, нагревает воду, часть которой при этом испаряется. Водяной пар, вследствие тепловой конвекции, поднимается вверх с нагретой поверхности и осажда ется на более холодной крышке. Затем уже капли воды скатываются по крышке в желоб, откуда и идут на потребление.

^ Нагревание воды и отопление домов

Ранее для этой цели использовали открытые резервуары (рис. 3.3а), затем стали создавать изолированные, в которых температура повышалась в несколько раз (рис. 3.3б) и вакуумные, где потери тепла полностью отсутствуют (рис. 3.3в).



Рис. 3.3.



Ниже, в задачах мы дадим несколько примеров, как можно самим построить это у себя дома.



Самый простой способ - черный бак или бочка, расположенная на солнце (рис. 3.4). Таким образом, у Вас нагреется вода, например, для душа, в ясный летний день.

А если подобный бак Вы поместите в ящик со стеклянной крышкой и хорошо изолируeте (рис. 3.5), затем расположите на южную сторону, то тогда Вы сможете принимать душ или мыть посуду даже в более прохладный и облачный день.



Рис. 3.4.

Рис. 3.5.




А вот еще одна более усовершенствованная система для нагревания воды, которую Вы сами сможете сделать (рис. 3.6). Описание вы найдете в конце главы.

В данном случае эффективность повышается из-за того, что меньший объем теплоносителя (здесь это вода) циркулирует через площадь, поглощающую большее количество солнечного излучения, а потери тепла сокращаются за счет хорошей изоляции.

Мы сможем более регулярно использовать солнечные системы и внешние нагреватели воды для отопления домов. Конечно, они более удобны в регулировании, подаче в нужное место, аккумулировании и позволяют получать достаточно высокие температуры.

Но, для того, чтобы получить максимальный эффект, можно строить большие комплексы с использованием дорогих материалов (медь, алюминий).

Вот так выглядит коллектор, способный нагреть воду до +90 °С. Преимушества таких систем - увеличение степени поглощения солнечного излучения и при хорошей изоляции возможность сохранять тепло в зимнии дни. Как правило, такие комплексы интегрируются в систему отопления жилых домов.



Рис. 3.6.

Отопление солнечным излучением

Идея отапливать дома энергией солнечного излучения известна с древнейших времен, когда наши предки строили дома окнами на юг (для человечества живущего на северном полушарии). Но и в наше время мы можем видеть, как инженеры проектируют муниципальные и частные дома, основанные на пассивном отоплении. При простых архитектурных приспособлениях, путем удачного расположения окон, стен и крыши можно сэкономить тепло, а значит и деньги. На практике дома с пассивными системами отопления обогреваются еще лучше, если в них имеются вентиляторы, благодаря которым теплый воздух циркулирует между комнатами.

 





Почему же комната нагревается? На этот вопрос ответ, вспомнив свойства солнечного излучения, описанные в самом начале главы.

Из всего диапазона длин волн солнечного излучения (см. рис. 3.1.) в дневное время суток в наш дом лучше всего проходит сквозь стекло коротковолновое излучение. Там оно нагревает предметы и переходит в часть длинноволнового излучения, которое не может пройти обратно через стекло, то есть наружу. Таким образом, комната постепенно нагревается. Вы наверно уже читали о парниковом эффекте, который таким образом нагревает нашу планету, но там длинноволновые лучи не могут выйти в космос из-за нашей атмосферы, где скопились парниковые газы.

 





^ Солнечные системы для получения электричества

Концентрация солнечной энергии позволяет получать высокие температуры (до +70 °С), что вполне достаточно для работы теплового двигателя. К примеру, если создать параболический концентратор диаметром до 30 м, то его мощность составит 700 кВт, а этого вполне достаточно для получения 200 кВт электроэнергии.

 





Существуют станции, состоящие из множества небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо следит за солнцем. Таких концентраторов может быть несколько десятков и более. Все они передают солнечную энергию жидкости теплоносителю, которая собирается от всех коллекторов к центральной энергостанции и, преобразуясь в парогенераторе, поступает далее в виде электричества потребителю.

А вот еще один наиболее распространенный способ, позволяющий получать электрическую энергию прямо из солнечного излучения. Вы встречаете этот способ на каждом шагу - это фотоэлементы. Хотя у них есть один недостаток, как и у всех устройств работающих от солнечного излучения - они работают только при ясном солнечном дне. Принцип действия их прост.

Как Вы уже знаете, свет представляет собой частицы, их называют фотонами. Они несут энергию, количество ее зависит от того в какой области, длинноволновой или коротковолновой они находятся. Попадая на предметы, они выбивают электроны с его поверхности. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом и может происходить на металлической поверхности, в жидкости и в отдельном атоме газа. Самым простым и удобным материалом является металл. Однако не все металлы могут дать одинаковый для всех фотоэффект. Так медь и платина неспособны дать эффекта при воздействии видимой части спектра. Самым лучшим материалом оказался кремний. К тому же на Земле по запасам он на втором месте после кислорода, что в будущем будет способствовать его масштабному освоению.

Развитие фотоэлементов происходило интенсивно по мере освоения космоса, когда создавались фотобатареи для спутников и космических станций. Лишь в конце XX века промышленность настроилась на народное хозяйство.

Вы наверно встречали карманные калькуляторы или часы? К нашему счастью, цены на них постоянно падают, и мы уже видим их применение в жилом комплексе, автотранспорте и быту.

 

 Задачи:
^  СОЛНЕЧНАЯ ПЕЧЬ



 

 5. Положите термометр в ящик и следите за повышением температуры.
 6. Измерьте, какой максимальной температуры внутри ящика удалось достичь.
 7. Попробуй что-нибудь приготовить в печи: яичницу, чашку чая, сварить сосиски или что - нибудь другое (расположите кастрюльку или сковородку в центре ящика).

Вам необходимо:

 1. Ящик из картона или досок (примерно 30x40x20);
 2. Аллюминевая фольга (около 0, 5 кв. м);
 3. Стекло или органическое стекло (размер по крышке ящика);
 4. Веревка (примерно 1 метр);
 5. Клейкая пленка (скотч, самоклейка);
 6. Термометр;

Далее Вы должны:

 1. Покрыть ящик внутри фольгой.
 2. Покрыть крышку ящика фольгой (лучше разглаженной).
 3. Прикрепить веревку на внешнюю сторону крышки ящика (для регулирования позиции крышки).
 4. Закрыть ящик стеклом, установить ящик на солнце и отрегулировать позицию крышки для оптимального отражения солнечных лучей на на внутреннюю часть ящика .

 

 ^ Дополнительные вопросы:

необходимо обычной семье для приготовления пищи в течении одного года?
 2. Сделайте дополнительные «крылья» из фольги для ящика. Повысит ли это температуру в ящике?

 1. Сколько стоит постройка солнечной печки? Сколько стоит приготовление яичницы на дровах? Сколько дров

 

 ^ СОЛНЕЧНЫЙ КОЛЛЕКТОР

Оба конца вставьте в сгоны. Все это накройте листом стекла толщиной 3 - 4 мм и места контакта стекла с жестяным корпусом постарайтесь изолировать от воды и воздуха.

Подсоединив свободные концы шланга к баку, заполненному водой (один конец - в верхней части бака, другой - в нижней) вы получите простое устройство для нагрева воды (рис. 3.9.).



Рис. 3.9.




Вот один из способов сделать самому солнечный коллектор для нагревания воды. Возьмите неглубокий металлический ящик (глубина должна быть достаточной для размещения там жестяного листа и изоляции), темный жестяной лист равный по площади внутренней площади ящика, и пластиковый шланг (рис. 3.8.). В стенках жестяного ящика в противоположных углах расположены «сгоны» - углубления для шланга.



Рис. 3.8.

Затем все по порядку уложите в жестяной ящик. Вначале изоляцию (это может быть солома, ветошь, тряпка), потом темный жестяной лист, который лучше покрасить в черный цвет (это больше уловит солнечных лучей) и затем шланг из ПВХ поверх листа и закрепите, чтоб не болтался.

 

 ^ Подумайте и ответьте

бак? Какое это использование солнечной энергии - пассивное или активное?
 3. Выгодно ли использовать солнечные элементы для получения электроэнергии в С. - Петербурге? Почему?
 4. Почему именно работа над космическими программами сильно продвинула вперед использование солнечных элементов для получения энергии?

 1. Какую одежду лучше надеть в жаркий солнечный день - светлую или темную? Почему?
 2. На дачных участках многие устраивают душ, устанавливая над душевой кабиной бак с водой, которая нагревается солнцем. В какой цвет надо красить этот

Гидроэнергия

Многие тысячелетия верно служит человеку энергия, заключенная в текущей воде.

Когда наступил век электричества, произошло возрождение водяного колеса в виде водяной турбины. Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать во да. Так появлись гидроэлектростанции (ГЭС). Схема гидроэлектростанции изображена на рисунке. Преимущества ГЭС очевидны: они не загрязняют окружающую среду, используют неиссякаемый источник энергии и просты в эксплуатации. В России 20% электроэнергии производится на гидроэлектростанциях (ГЭС). Гидроэлектроэнергия - это возобновляемый энергоисточник, т. к. «топливо» - вода постоянно пополняется и в производстве гидроэлектроэнергии в атмосферу не выбрасываются вредные вещества. Тем не менее, водохранилища и плотины гидроэлектростанций сильно влияют на сельскую местность и могут изменить состояние природной среды. Водохранилища и плотины мешают движению рыбных косяков. Одна ко если мы будем заботиться о рыбе и делать специальные рыбопропускные устройства в плотинах, можно исключить этот недостаток. В общем, можно сказать, что, хотя сами гидроэлектростанции не загрязняют окружающую среду, они ухудшают состояние природной среды и ландшафт.

Мощность гидроэлектростанции зависит от расхода воды и высоты ее падения. Это означает, что даже реки с небольшим расходом воды могут производить большое количество энергии, если высота падения достаточно большая.

^ Мощность (кВт)=9,8•объем воды куб.м/с•высота падения (м)

На морских побережьях источником энергии могут служить приливы и отливы. Начиная с 1966 года, два французских города полностью удовлетворяют свои потребности в электроэнергии за счет приливных электростанций. Гигантскую приливную волну создает притяжение Луны. Приливная волна вращает турбины, связанные с электрическим генератором, как на обычных ГЭС.

 ^ Подумайте и ответьте

Самый известный (но не самый большой) Ниагарский водопад имеет высоту пример но 50 м, расход воды 5900 куб.м/с. Если бы всю энергию Ниагарского водопада можно было бы превратить в электрическую, сколько квартир, таких, как ваша, можно было бы обеспечить электроэнергией в течение месяца? Для расчета узнайте у родителей, сколько кВт•ч электроэнергии тратит ваша семья в месяц.






 ^ Представьте себе,

Что вы марсианин, и прилетели на Землю в поисках братьев по разуму. Вы с завистью обнаружили, что землянам доступны такие возобновляемые источники энергии, которых нет у вас на Марсе. Что это за источники и почему у вас их нет?




 

 ПРАКТИКУМ

 ^ Задание 18. Сравните возобновляемые источники энергии

Заполните таблицу и сравните Солнце, ветер, воду и биомассу как источники энергии. Какой источник наиболее подходит для вашей местности?

 

Энергоисточник
 

Положительные
стороны

Отрицательные
стороны

 
 

 
 

 
 





Ветер

Около 1% солнечной энергии, которую по лучает Земля, приводит в движение атмосферные воздушные массы. Это происходит, когда воздух начинает перемещаться из-за разницы температур в различных местах Земли. В целом эта энергия в 100 раз превышает все энергопотребление в мире. Но только маленькая часть этой энергии используется на практике.
Человечество научилось использовать энергию ветра на ранней стадии своего развития. Уже 3000 лет назад человек пускался в плавание на длинные расстояния, используя ветровую энергию.
Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели (двигатели карусельного типа см. рис.), возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.



Рис. Ветродвигатель карусельного типа

Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать ветродвигатель в качестве движителя для перемещения по воде.

Пятилопастное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в движение гребные колеса. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного направления может двигать судно в любом направлении

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией одновременно. Он начал создавать полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам не был обособлен от общих тенденций времени — использовать ветер, где это только возможно. Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном «Фраме»* («Фрам» [фр. fram вперед] — исследовательское судно Ф. Нансена, исследователя Арктики) он вращал динамомашину. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.

В России к началу нынешнего века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 кВт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был закрыт

Сложившаяся ситуация отнюдь не обусловливалась местным головотяпством. Такова была общемировая тенденция. В США к 1940 году построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать — экономисты подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее создатель и владелец П. Путнэм изложил свой горестный опыт в прекрасной книге «Энергия ветра», которая не потеряла до сих пор своей актуальности.

Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике сороковых годов не были случайны. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились удельные капитальные вложения на крупных тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантирует и низкие цены и удовлетворительную экологическую чистоту.

Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.
ВЕТЕР
Ветер дует везде — на суше и на море. Человек не сразу понял, что перемещение воздушных масс связано с неравномерным изменением температуры и вращением земли, но это не помешало нашим предкам использовать ветер для мореплавания.

^ Глобальные ветры

К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер.

Пассаты образуются в результате нагрева экваториальной части земли. Нагретый воздух поднимается вверх, увлекая за собой воздушные массы с севера и юга. Вращение земли отклоняет потоки воздуха. В результате устанавливаются дующие круглый год с постоянной силой северо-восточный пассат в северном полушарии и юго-восточный — в южном. Пассаты дуют в приэкваториальной области, заключенной между 25 и 300 северной и южной широтами соответственно. В северном полушарии пассаты охватывают 11% поверхности океанов, а в южной — 20%. Сила пассатного ветра обычно составляет 2...3 балла.

Западный ветер дует круглый год с запада на восток в полосе от 40 до 600 южной широты вдоль кромки дрейфующих льдов Антарктиды. Это самый сильный постоянный ветер. Его сила достигает 8...10 баллов и редко бывает менее 5 баллов.

В глубине материка нет постоянного направления ветра. Так как разные участки суши в разное время года нагреваются по-разному можно говорить только о преимущественном сезонном направлении ветра. Кроме того, на разной высоте ветер ведет себя по-разному, а для высот до 50 метров характерны рыскающие потоки.

Потенциал атмосферы можно вычислить зная ее массу и скорость рассеяния энергии. Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия ветра, превращающаяся в тепло, составляет примерно 82 триллиона киловатт-часов в год. Конечно, всю ее использовать невозможно, в частности, по той причине, что часто поставленные ветряки будут затенять друг друга. В то же время отобранная у ветра энергия, в конечном счете, вновь превратится в тепло.

Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 м/с. Если выйти на высоту в 100 метров, используя подходящую естественную возвышенность, то везде можно ставить эффективный ветроагрегат.

На рис показаны области энергии среднегодовых потоков ветра Европейской части стран СНГ .Если взять только нижний 100-метровый слой и поставить установку на 100 квадратных километров, то при установленной мощности около двух миллиардов киловатт можно выработать за год 5 триллионов киловатт-часов, что в 2 раза больше гидроэнергетического потенциала стран СНГ.



Рис. Среднегодовые потоки энергии ветра на стометровой высоте

^ Местные ветры

Первыми для плавания использовались местные ветры. К ним относятся бризы* ( Бриз [фр. brose] — свежий ветер). Бризы — это легкие ветры, окаймляющие берега материков и больших островов, вызываемые суточным колебанием температуры. Их периодичность обусловлена различием температуры суши и моря днем и ночью. Днем суша нагревается быстрее и сильнее, чем море.

Теплый воздух поднимается над береговой полосой, а на его место устремляется прохладный воздух с моря — морской бриз. Ночью берег охлаждается быстрее и сильнее, чем море, поэтому теплый воздух поднимается над морем, а его замещает холодный воздух с суши — береговой бриз.

Вторыми, постоянно дующими ветрами, являются муссоны** (Муссон [арабск. мавсим] —время года). Эти ветры дуют в Индийском океане и связаны с сезонным изменением температуры материка и океана. Летом солнечные лучи сильнее нагревают сушу и ветер дует с моря на сушу. Зимой муссон дует с суши на море. Вращение земли вызывает появление сил Кориолиса, которые отклоняют муссоны вправо. Поэтому летом дуют югозападные муссоны, а зимой — северовосточные. Муссоны достигают большой силы и вызывают в Индийском океане соответствующие местным ветрам поверхностные течения.
^ УПРЯЖЬ ДЛЯ ВЕТРА
Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией.

Традиционная компоновка ветряков — с горизонтальной осью вращения (рис.) — неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.



Рис.. Крыльчатый ветродвигатель

Кроме того, концы лопастей крупной установки двигаясь с большой скоростью создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическая — мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии.

По прогнозам фирмы Боинг (США) на текущее столетие — длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров, что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 МВт. Сегодня самые крупные из них — вдвое «слабее». В большой ветроэнергетике только при массовом строительстве можно рассчитывать на то, что цена киловатт-часа снизится до десяти центов.

Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию примерно втрое более дорогую. Для сравнения отметим, что серийно выпускавшийся в 1991 году НПО «Ветроэн» крыльчатый ветродвигатель, имел размах лопастей 6 метров и мощность 4 кВт. Его киловатт-час обходился в 8... 10 копеек.

^ Типы ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис..



Рис. Типы ветродвигателей

Они делятся на две группы:

ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2...5);

ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Крыльчатые

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.

Коэффициент использования энергии ветра (см. рис.) у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных [14]. В то же время, у карусельных — намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.



Рис.. Коэффициенты использования энергии ветра и вращающие моменты различных типов ветродвигателей

Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование — использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов* (Мультипликатор [лат. multiplicator умножающий] — повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних.

Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.

В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. (6)). Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию — раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14...16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров.

У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми — взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

^ Неожиданные проявления и применения

Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений. Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания.

Появление экспериментального ветродвигателя на Оркнейских островах (Англия) в 1986 году вызвало многочисленные жалобы от телезрителей ближайших населенных пунктов .В итоге около ветростанции был построен телевизионный ретранслятор.

Лопасти крыльчатой ветряной турбины были выполнены из стеклопластика, который не отражает и не поглощает радиоволны. Помехи создавал стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски, предназначенные для отвода ударов молний. Они отражали и рассеивали ультракоротковолновый сигнал. Отраженный сигнал смешивался с прямым, идущим от передатчика, и создавал на экранах помехи.

Построенная в 1980 году в городке Бун (США) ветроэлектростанция, дающая 2 тысячи киловатт, действовала безотказно, но вызывала нарекания жителей городка. Во время работы ветряка в окнах дребезжали стекла и звенела посуда на полках. Было установлено, что шестидесятиметровый винт при определенной скорости вращения издавал инфразвук. Он не ощущается человеческим ухом, но вызывает низкочастотные колебания предметов и небезопасен для человека. После доработки лопастей от инфразвуковых колебаний удалось избавиться.

Ветродвигатели могут не только вырабатывать энергию. Способность привлекать внимание вращением без расходования энергии используется для рекламы. Наиболее простой — однолопастный карусельный ветродвигатель представляет собой прямоугольную пластинку с отогнутыми краями (рис.). Закрепленный на стене он начинает вращаться даже при незначительном ветре.



Рис. Однолопастной карусельный двигатель

На большой площади крыльев карусельный трех-четырех лопастный ветродвигатель может вращать рекламные плакаты и небольшой генератор. Запасенная в аккумуляторе электроэнергия может освещать крылья с рекламой в ночное время, а в безветрен­ную погоду и вращать их.

123922. г.Москва, ул. Красная Пресня. д.9 стр. 4
Тел.: (095) 777-48-08, 956-62-63 e-mail: ups@ups.ru


Ветряные электростанции производят электроэнергию только тогда, когда дует достаточно сильный ветер. Для ветряных турбин с горизонтальной осью вращения он должен превышать 4 - 5 м/сек - если их мощность велика, более 200 кВт, или 2 - 3 м/сек, если их мощность менее 100 кВт. Подобные ветроэлектростанции обычно состоят из башни, на вершине которой располагается кабина с электрогенератором и редуктором, к оси которого прикреплены лопасти ветровой турбины. Кабина с машинным отделени ем поворачивается в зависимости от направления ветра, используя электрический мотор или сам ветер.

Менее распространены ветряные электростанции с вертикальной осью вращения. Их преимущество - расположение электрогенератора на земле, отсутствие необходимости ориентации на ветер. Однако эта ветротурбина требует для нормальной работы значительно более высоких скоростей ветра и предварительной раскрутки от внешнего источника.

Изменчивая природа ветра рождает основную проблему ветроэнергетики - переменную в каждый момент времени мощность ветряной электростанции. Поэтому невозможно получить от одной изолированно работающей ветроэлектростанции стабильный по величиен мощности источник энергии. Для преодоления этого недостатка ветроэлектростанция должна иметь аккумуляторы электроэнергии, что и делается для ветроэлектрических установок небольшой мощности, или она должна быть присоединена к энергосистеме. В энергосистеме использование энергии ветра будет приводить к экономии органического топлива. Кроме того, в энергосистеме, включающей в себя гидроэлектростанции с большими водохранилищами возможно аккумулировать энергию ветра в больших объёмах. Аккумулирование энергии ветра возможно в больших объёмах за счёт производства водорода.

Ветровая энергия широко используется в странах, имеющих благоприятный ветровой климат, плоский рельеф и испытывающих недостаток в других природных энергетических ресурсах, таких, как нефть, газ, уголь. К числу передовых стран по использованию ветровой энергии относятся, прежде всего, Германия, Дания, Испания, США. Мировым лидером является Германия, в которой отказались в 90-х годах от строительства атомных электростанций и за короткое время построили более 8700 МВт ветроэлектрических агрегатов, выработка которых превышает выработку атомной электростанции в 3000 МВт. Серийная единичная мощность ветроэлектрических агрегатов увеличилась за последнее время с 400 кВт до 2, 5 - 3 МВт. В число ведущих стран по использованию энергии ветра вошла Индия, где на настоящее время построено столько же ветротурбин, сколько и в Дании. Производство ветряных электростанций стало важной частью экспорта Дании и Германии. Эта отрасль в последние 10 лет обеспечила работой более 50 000 человек в Европе и развивалась быстрее, чем отрасль телекоммуникации (мобильные телефоны)!

Применение ветроэнергеэтики - не только вопрос уровня развития технологии и наличия ветроресурса. В Дании ветроресурс выше, чем в Германии, но в Германии ветроэнергетика развивается более интенсивно, поскольку приняты политические решения, способствующие внедрению возобновляемых источников энергии.

В России за последние 5 лет построено и пущено в эксплуатацию несколько новых ветроэнергетических установок. В Башкирии установлены 4 агрегата по 550 кВт, в Калининградской области, на берегу мор