Энергия воздушного потока и мощность ВЭУ

Кинетическая энергия (Дж) воздушного потока со средней скоростью (м/с), проходящего через поперечное сечение F ( м²), перпендикулярное v, и массой воздуха т (кг) рассчитывается по формуле

Масса воздуха определяется по формуле

где — плотность воздуха, кг/м³.

 

Обычно в расчетах принимают р = 1,226 кг/м³, соответствующую следующим нормальным климатическим условиям: t= 15 ^о С р = 760 мм рт. ст. или 101,3 кПа. Если в (4.1) в качестве т взятсекундную массу воздуха (кг/с), то получим значение мощности развиваемой потоком воздуха (Дж/с или Вт), т.е.

Для F= 1 м² получаем значение удельной мощности ветрового потока со скоростью

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже для указанного рабочего диапазона скоростей ветра приведены значения N_уд:

|

										25;
	4,9	16,55	39,2	76,6

 

Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую происходит с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые можно классифицировать:

• по мощности — малые (до 10 кВт), средние (от 10 до 100 кВт), крупные (от 100 до 1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт); 1

• по числу лопастей рабочего колеса — одно-, двух-, трех- и многолопастные;

• по отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока — с горизонтальной осью вращения, параллельной (рис. 4.2, а) или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рис.4.2, б).

В настоящее время в мире и России наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие основные компоненты: рабочее колесо 1, гондола с редуктором 2 и генератором, башня 3 и фундамент 4.

Башня — чаще трубообразная, реже — решетчатая, на ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующие энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала poтора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В качестве генератора могут использоваться: синхронные и асинхронные (чаще всего), а также (реже) асинхронизируемые синхронные генераторы.

 

Рис. 4.2. Виды ветроэнергетических установок:

а — ВЭУ с горизонтальной осью вращения; б— ВЭУ с вертикальной осью вращения; 1 — рабочее колесо; 2— гондола с двигателем и редуктором; 3— башня; 4— фундамент установки

 

Для каждой ветроэнергетической установки можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра:

1) при которой мощность ВЭУ равна нулю;

2) при которой и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

3), при которой и мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора или разворота его лопастей параллельно вектору скорости ветра.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра на высоте башни. (м) и диаметра ротора ВЭУ (м) рассчитывается по формуле

(6.3)

где определяется по формуле (6.2); — ометаемая площадь ВЭУ с горизонтальной осью вращения, определяемая по формуле. — КПД ротора (около 0,9); — КПД электрогенератора (около 0,95); — коэффициент мощности, обычно принимаемый равным 0,45 в практических расчетах, который учитывает долю получаемой мощности ветродвигателем от воздушного потока. После подстановки всех указанных значений в (6.3) получаем

для ориентировочных расчетов

Для малых ВЭУ находится обычно в пределах 2,5—4 м/с,

а — от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4—5 и 12—15 м/с соответственно. Предельная допустимая скорость ветра по соображениям прочности ВЭУ составляет 60 м/с.

Чем выше расчетная скорость ветра, тем выше эффективность ВЭУ. Обычно в качестве нее применяется среднегодовая скорость ветра , которая относительно мало меняется по годам. В то же время скорость ветра в течение года может существенно меняться во времени (как в течение суток, так и года в целом). Для нее характерны случаи, когда скорость ветра равна нулю (штиль), или не превышает (в этом случае мощность ВЭУ равна нулю из-за малой скорости ветра), или превышает (здесь мощность ВЭУ также равна нулю, но уже по соображениям прочности сооружений). Это означает, что гарантированная мощность ВЭУ в этих случаях равна нулю, и их использование может лишь привести к экономии других видов энергоресурсов. Процесс изменения скорости ветра в течение года имеет свои закономерные зависимости (зимой скорость ветра выше, чем летом; в полдень выше, чем утром).

В ветроэнергетических расчетах учитывается также и «роза ветров», т.е. характерные направления скоростей ветра в данной точке в течение года. Особое значение «роза ветров» приобретает в случае строительства ветропарков или ветроэлектростанций (ВЭС), состоящих из нескольких десятков или даже сотен ВЭУ в данной местности.

Для оценки перспективности ВЭУ в данной местности или регионе необходимо знать его валовые, технические и экономические ветроэнергетические ресурсы. Для России в целом указанные виды ресурсов соответственно равны: 80 000, 6218 и 31 ТВт • ч. На сегодняшний день использование указанных ресурсов ветра в России практически неощутимо. Обычно в мировой практике принято считать, что если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 5 или 6 м/с, то использование ВЭУ весьма перспективно.

Использование энергии ветра в России весьма незначительно, хотя в стране имеется хороший производственный потенциал для разработки серийных или массовых ВЭУ любой мощности (от сотен ватт до 1 МВт).

Весьма ощутимы успехи развития ветроэнергетики в мире, где ежегодный прирост мощности в последнее пятилетие составляет-30% и более в разных странах. На 01.01.2002 г. общая установленная мощность в мире составила 24 927 МВт при годовом приросте мощности 6824 МВт (27,37%).

 

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Солнечная энергетика — отрасль науки и техники, разрабатывающая основы, методы и средства использования солнечного излучения или солнечной радиации для получения электрической, тепловой и других видов энергии и использования их в народном хозяйстве.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность эквивалентен условному топливу в количестве 1,2 • 10¹⁴ т. Солнце, как и другие звезды, является раскаленным газом. В его составе 82% водорода, 17% гелия; остальные элементы составляют около 1%. Внутри Солнца существует область высокого давления, где температура достигает 15—20 млн град.

Солнечное излучение (СИ) — это процесс переноса энергии при распределении электромагнитных волн в прозрачной среде. По квантовой теории электромагнитные волны — это поток элементарных частиц и фотонов с нулевой массой покоя, движущихся в вакууме со скоростью света. В космосе через 1 м² в 1 с проходит 3 • 10²¹ фотонов, энергия которых зависит от длины волны (мкм).

Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн км. Площадь поверхности Земли, облучаемой Солнцем, составляет около 500 • 10⁶ км². Поток солнечной радиации, достигающей Земли, по разным оценкам, составляет (7,5—10) • 10⁷ кВт • ч/год, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии.

Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов: широты и долготы местности, ее географических и климатических особенностей, состояния атмосферы, высоты Солнца над горизонтом, размещения приемника СИ на Земле и по отношению к Солнцу и т.д.

Поток солнечного излучения на Землю меняется, достигая максимума в 2200 кВт • ч/м² в год для северо-запада США, запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Аравии и центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в пределах от 800 до 1400 кВт • ч/м² в год. При этом продолжительность солнечного сияния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год и несколько более. Максимум указанных значений на Земле составляет более 3600 ч/год. За год на всю территорию России поступает солнечной энергии больше, чем энергии от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.

В мире сегодня солнечная энергетика развивается весьма интенсивно, занимая видное место в топливно-энергетическом комплексе ряда стран, например в Германии.

Солнечная энергия на Земле используется благодаря солнечным энергетическим установкам, которые можно классифицировать по следующим признакам:

• по виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии — теплоту или электричество;

• по концентрированию энергии — с концентраторами и без них;

• по технической сложности — простые (нагрев воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители) и сложные.

Сложные установки можно разделить на два подвида. Первый базируется в основном на системе преобразования солнечного излучения в тепло, которое далее чаше всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К ним относятся: башенные солнечные электростанции (СЭС), солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами.

Второй подвид базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).

Солнечные коллекторы (СК) — это технические устройства, предназначенные для прямого преобразования СИ в тепловую энергию в системах теплоснабжения для нагрева воздуха, воды или других жидкостей. Системы теплоснабжения обычно принято разделять на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы теплоснабжения, которые для сбора и распределения солнечной энергии используют специальным образом сконструированные архитектурные или строительные элементы здания или сооружения и не требуют дополнительного специального оборудования.

В настоящее время в мире все большее распространение получают активные системы теплоснабжения со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения энергии СИ, которые по сравнению с пассивными позволяют значительно повысить эффективность использования СИ, обеспечить большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширить область применения солнечных систем теплоснабжения в целом.

Солнечные коллекторы классифицируются по следующим признакам:

1) назначению — для горячего водоснабжения, отопления;

 

2)виду теплоносителя — жидкостные и воздушные;

3)продолжительности работы — сезонные и круглогодичные;

4)техническому решению — одно-, двух- и многоконтурные. Сегодня наиболее распространены плоские водонагреватели

или СК, позволяющие использовать как прямую, так и диффузную составляющую СИ, которая весьма значительна в условиях России.

Такой СК представляет собой теплоизолированный с тыльной стороны к СИ и боков ящик, внутри которого расположены теплопоглощающие каналы, по которым движется теплоноситель. Сверху СК закрыт светопроникающим материалом. Циркуляция теплоносителя в таком подогревателе (чаще всего воды) может осуществляться принудительно с помощью небольшого насоса или естественным путем за счет разности гидростатических давлений в столбах холодной и горячей воды (рис.4.3).

Рис. 4.3. Солнечный водонагреватель

Обычный солнечный водоподогреватель для нагрева воды до 50—60 ^о С, в котором облучаемая поверхность ориентирована на юг под углом 25—35 град к горизонту, имеет дневную производительность в среднем 70—80 л воды с 1 м² поверхности нагревателя.

В ряде стран мира солнечные коллекторы систем теплоснабжения стали обычным атрибутом жизни. Технологии эффективного нагрева воды для бытовых целей с помощью СИ достаточно хорошо отработаны. Например, в США более 60% находящихся в среднем на широте Крыма частных и общественных бассейнов обогреваются за счет СИ. При этом используются простейшие и дешевые системы — бесстекольные, без тепловой изоляции, пластиковые.

Солнечные фотоэлектрические установки в настоящее время находят все более широкое распространение в качестве источника энергии для средних и малых автономных потребителей, а иногда и для больших солнечных электростанций, работающих в энергосистемах параллельно с традиционными ТЭС, ГЭС и АЭС. Конструктивно СФЭУ обычно состоит из солнечных батарей в виде плоских прямоугольных поверхностей, работа которых состоит в преобразовании энергии СИ в электрическую. В фотоэлектрическом генераторе электрический ток возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементе при попадании на него СИ. Наиболее эффективны те из них, которые основаны на возбуждении ЭДС на границе между проводником и светочувствительным полупроводником (например, кремний) или между разнородными проводниками.

За последние десятилетия фотоэнергетика значительно продвинулась вперед в решении двух основных проблем: повышения КПД СФЭУ и снижения стоимости их производства.

Наибольшее распространение получили СФЭУ на основе кремния трех видов: моно- и поликристаллического, а также аморфного. В промышленном производстве находятся СФЭУ со следующими КПД:

• монокристаллический — 15—16% (до 24% на опытных образцах);

• поликристаллический — 12—13% (до 16% на опытных образцах);

• аморфный — 8—10 % (до 14% на опытных образцах).

Все эти данные соответствуют так называемым однослойным фотоэлементам. Сегодня уже исследуются двух- и трехслойные фотоэлементы, которые позволяют использовать большую часть солнечного спектра по длине волны солнечного излучения. Для двухслойного фотоэлемента на опытных образцах получено КПД 30%, а трехслойного 35—40 %.

Наконец, в последние годы появился весьма перспективный конкурент для кремния в СФЭУ — арсенид галлия. Установки на его основе даже в однослойном исполнении имеют КПД до 30% при гораздо более слабой зависимости его КПД от температуры, поскольку во время работы СФЭУ поверхности их сильно нагреваются, что приводит к снижению энергетических показателей. Для охлаждения таких установок необходимо использовать воду.

В настоящее время СФЭУ с успехом используются в ряде стран мира, особенно в Японии, Германии и США.

По экспертным оценкам, вновь вводимая за год мощность СФЭУ в мире в 2005 г. составит 200 МВт, а в 2010 г. — 700 МВт при среднегодовом приросте около 25%.

Сегодня в России имеются достаточная научная база для развития фотоэнергетики и мощное промышленное производство, которое способно создавать любые современные СФЭУ.

 

Раздел третий