Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

РАЗВИТИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

Этапы истории ветроэнергетики

Энергия ветра использовалась человеком с древнейших времен. Сначала в мореплавании до появления паровой машины, заменившая паруса на судах. Но и ветроэнергетика имеет многовековую историю. Первые простые ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. В Египте около м. Александрия до сих пор сохранились остатки каменных ветряных мельниц, барабанного типа с вертикальной осью вращения, построенные еще в 2-1 вв. до н.э. В 7 веке н.э. в Персии (Иране), Греции (рис. 1.1) были построены более совершенные конструкции - крыльчатые с горизонтальной осью вращения. Несколько позже, видимо в 8-9 вв. ветряные мельницы появились в Западной Европе и на Руси. Начиная с 13 века ветродвигатели получили широкое распространение в Голландии, Дании, Англии и России для подъема воды, измельчения зерна и в качестве привода различных станков и механизмов.

В 1582 г.. В Голландии была построена первая маслобойня, использующая энергию ветра. В середине XIX в. в Голландии использовалось для различных целей около 9 тыс. ветродвигателей. В период промышленной революции с введением паровых двигателей использования энергии ветра в Голландии пошло на убыль. В начале XX в. здесь работало только около 2,5 тыс. ветродвигателей, а до 1960 г.. менее 1 тыс. из них все еще находились в рабочем состоянии. В конце XIX века появилась идея использовать энергию ветра для генерирования постоянного электро-

греческий мельница

Рисунок 1.1 - Греческий мельница

ческого тока. На рис. 1.2 показана ветроустановка браша мощностью 12 кВт, генерировала постоянный ток для зарядки аккумуляторных батарей. Система в целом работала автоматически в течение 20 лет и требовала минимального ухода.

Установка браша (1888 -1908, Кливленд, Огайо)

Рисунок 1.2 - Установка браша (1888 -1908, Кливленд, Огайо)

Установка браша стала важным этапом в истории развития ветроэнергетики. Во-первых, она была достаточно большой. Во-вторых, в ней была использована двухступенчатая повышающая ременная трансмиссия с передаточным числом 50: 1, при этом генератор вращался со скоростью 500 об / мин. 1, наконец, это была первая попытка соединить хорошо развитую систему ветряной мельницы с новой электрической технологии. В то же время установка показала, что багатолопатеви ветротурбины слишком медленные и малоэффективны для електрогенерування.

Следующий важный шаг перехода от ветряных мельниц в ветроэнергетических установок сделал Пол Лакур в Дании в начале прошлого века. Он был первым, кто создал аэродинамическую трубу и применил аэродинамический профиль в своих витроустаковках. Тогда же была предложена скоростная трехлопастная ветротурбина, что лопасти с аэродинамическим профилем. Она вращала генератор мощностью 3 кВт при напряжении 110 В. Интересно отметить, что именно на этапе развития маленьких ветроустановок возникла проблема оптимального количества лопастей для ветротурбины. Двухлопастные ветротурбины выдерживали значительные вибрации при изменении направления ветра, тогда как трехлопастные не имели этого недостатка.

В 1925 году был создан новый вид ротора - ротор Савониуса, названный в честь его создателя. Преимуществами такого типа роторов является высокий стартовый момент и способность воспринимать ветер с любой стороны, а недостатками - низкая быстроходность и коэффициент использования энергии ветра, а также значительная масса конструкции. Другим новым типом ветротурбины, появившейся в 30-х годах прошлого века, была вертикальная ветротурбина, предложенная Ф. Дарье. Этот тип ветротурбины практически не использовался до начала 1970-х годов, когда в Канаде, а затем и в других странах начались исследования больших ветроагрегатов с таким ротором.

Основой теории ветродвигателей является разработки и результаты исследований, выполненных в Центрального аэрогидродинамического института (ЦАП) и в других организациях в период с 1920 по 1950 год Н.Е. Жуковским, К.П. Ветчинкин, А. Уфимпевим, С.М. Белоцерковский, К.К. Федяевським, С. Сабинин, Г.Ф. Проскурой, А.И. Борисенко, Д. Я. Алексалольським, Ю.В. Кондратюком, К.П. Вашкевичем и другими учеными, которые разработали и осуществили на практике несколько эффективных схем ветроустановок, позволяющие плавно изменять скорость вращения ветроколеса и мощность генератора. Эти разработки, развитие этих идей и воплощения их в проекты современных ВЭС с дополнением современными материалами и новейшими знаниями по аэродинамике турбин, динамике и прочности конструкций - основа современной ветроэнергетики.

Витровикористання в СССР рассматривался как важная государственная проблема. Уже в 1924 гг. Под руководством М.В. Красовского в отделе ветродвигателей ЦАП был разработан быстроходный двигатель мощностью в 50 л.с. с новой системой регулирования частоты вращения колеса, предложенной Г.Х. Сабинин. Она получила название стабилизаторнои. С целью расширения работ по созданию ветродвигателей и использования энергии ветра в 1930 г.. На базе отдела ветродвигателей ЦАГИ был организован Центральный ветроэнергетическим институт (ЦВЭИ), единственная в мире в то время научно-исследовательская организация такого профиля.

При конструировании ВЭУ наиболее сложным и ответственным моментом является обеспечение управления оборотами ветроколеса, так как условия параллельной работы на сеть требуют постоянства частоты вращения генератора независимо от скорости ветра. Для этого используется поворот лопасти вокруг неподвижной оси. С изменением положения лопасти по отношению к направлению ветра меняются и аэродинамические сиди, действующих на нее, что и положено в основу регулирования. Поворот лопастей осуществляется либо аэродинамически с помощью кер- ма-стабилизатора, соединенного с центробежным регулятором, расположенным в крыле, что предложено, как сказано выше, профессором Х. Сабинин, или механическим путем - сервомоторами.

Промышленный выпуск электродвигателей для механического привода машин был налажен в начале XX в, а электрических ветроагрегатов с генераторами небольшой мощности - примерно в 20-годах. В 1937 году вблизи Ялты была построена усовершенствованная ВЭС мощностью 100 кВт, которая находилась от него на расстоянии 32 км. Годовая выработка энергии составляло около 280 тыс. КВт • ч. при коэффициенте использования энергии ветра 0,32. Генератор и регулирующие устройства были установлены на вершине башни высотой 30 м. Частота вращения ветроколеса регулировалась путем поворота лопастей. Башня имела наклонную опору, установленную на тележке, который перемещался по кольцевой направляющей для ориентации ветроколеса на ветер.

В 40-50 годах XX века в СССР получило интенсивное развитие строительство ВЭС. В этот период было налажено серийное производство специализированных и универсальных ветродвигателей мощностью от 0,7 до 11 кВт, главным образом с механическими и электрическими трансмиссиями. В послевоенный период было выпущено более 40 тыс. Ветродвигателей, которые с большой эффективностью применялись в колхозах и совхозах.

Второе дыхание ветроэнергетика получила после нефтяного кризиса 1972-1973 годов, когда многие развитые страны озаботились своей зависимости от импорта нефти из арабских стран.

Рассматривая историю развития мировой ветроэнергетики, следует отметить значительный вклад украинских ученых в ее развитие. Именно в Украине рождались принципиально новые технические решения, стали стандартом для современных ВЭУ и по которым к настоящему времени сохраняется украинский приоритет. Одним из выдающихся украинских ученых в области аэрогидродинамики и теории авиации был Г.Ф. Проскура, которому принадлежит приоритет в развитии теории пропеллерных ветротурбин.

В 1933 году под руководством Г.Ф. Просфоры спроектирована ветросиловой станция мощностью 4500 кВт (диаметр колеса 80 м, высота башни 150 м). Конфигурация этой ВЭУ соответствовала европейской концепции того периода. Экспериментальный ветроагрегат мощностью 100 кВт был разработан и установлен в Балаклаве в 1931 г.. Он производил электроэнергию для трамвайной линии Балаклава - Севастополь и был разрушен во время войны. Это первая сетевая установка мощностью 100 кВт, диаметром 30 м (рис. 1.3). Она работала на электрическую сеть напряжением 6,3 кВ вместе с тепловой электростанцией мощностью 20 МВт, что находится от нее на расстоянии 32 км (в Севастополе). По своим размерам (диаметр ветроколеса 30 м, мощность 100 кВт при скорости ветра 10 м / с, высота башни 25 м, частота вращения ветроколеса 30 об / мин) эта станция не имела себе равных ни в СССР, ни за рубежом (в 1942 г. . во время войны станцию ​​разрушили). Кабина гондолы (длина 13,7, ширина 2,5, высота 3,8 м), где розмишувалися генератор, электроаппаратура, редуктор с эластичными муфтами, была выполнена подобной фюзеляжа самолета. Ветроколесо мало три лопасти свободно возвращались на свои махах под действием стабилизаторов системы регулирования Г.Х. Сабинина и М.В. Красовского. Лопасти имели обтекаемый профиль, аналогичный профиля крыла самолета, и длину 11 м при ширине 2 м у основания и 1 м в конце. Махи были сделаны из стальных труб диаметром 350 мм.

Общий вид БалаклавськоГ ВЭС мощностью 100 кВт

Рисунок 1.3 - Общий вид БалаклавськоГ ВЭС мощностью 100 кВт

Плоскость вращения ветроколеса карта наклон 12 ° к вертикали, что было вызвано необходимостью уменьшить вылет ветроколеса по башне. Головка установки опиралась через шаровую пяту на сферу, закрепленную наверху башни. На этой опоре верхняя часть ВЭУ возвращалась вокруг вертикальной оси при установке ветроколеса на ветер. Ферма гондолы соединялась шарнирно с наклонной хвостовой фермой, на нижнем конце которой также шарнирно был присоединен тележку с мотором и лебедкой. Хвостовая ферма служила для установки ветроколеса на ветер при изменениях его направления. Тележка опирался на рейку, уложенную вокруг башни по кругу радиусом 20,5 м. Тележку двигался по рельсу электродвигателем мощностью 1,5 кВт через червячную передачу. Включение его в работу происходило автоматически при изменении направления ветра. Для этого наверху кабины был установлен флюгер размером 400 × 700 мм. При изменении направления ветра флюгер включал одну из катушек электромагнитного переключателя, находился в кругу электродвигателя хвостового тележки. Двигатель перемещал тележку по рельсу до тех пор, пока ветроколесо не хватало снова против ветра и флюгер НЕ размыкал контакиу. Подъем на башню осуществлялся по хвостовой ферме, на которой для этого были возложены лестницы.

Генератор - асинхронный, трехфазного тока мощностью 92 кВт при частоте вращения 600 об / мин, что допускал длительное перегрузки на 10%, который включался автоматически центробежным механизмом.

Эксплуатационные испытания ВЭС проводились на двух режимах: при 19 и 30 оборотах ветроколеса в минуту. При этом оказалось, что режим работы ВЭС на 30 об / мин значительно выгоднее.

Постоянный рост мирового энергопотребления является одной из наиболее характерных особенностей деятельности современного человечества. Рост населения и ВВП являются ключевыми факторами роста спроса на энергию. На рис. 1.4 приведена динамика роста населения земли и процентного среднегодового прироста за столетний период. К 2050 году численность населения земного шара составит 9100000000, человек (порог в 7 млрд. Чел. Был достигнут 23.01.2011 г.). Однако, начиная с 1990 г.. Наблюдается устойчивая отрицательная динамика среднегодового прироста населения, что по итогам 2010г. Составила около 1,18%. Как же влияет прирост населения земли на общее потребление первичной энергии?

Динамика роста и прироста населения Земли с 1950 до 2050 pp.

Рисунок 1.4 - Динамика роста и прироста населения Земли с 1950 до 2050 pp.

Согласно прогнозу [34] мировое потребление первичной энергии будет расти примерно на 1,6% в год в период с 2011 по 2030, что даст общий прирост потребления на 36%. Темпы роста снизятся с 2,5% в год в 2000 - 2010 pp. до 2,1% в год в 2010 - 2020 pp. и 1,3% в год в 2020 - 30 pp. Сравнивая динамику роста народонаселения и потребления энергии видно, что энергопотребление будет увеличиваться, то есть жителям земли будет необходимо все больше и больше энергии для удовлетворения своих жизненных потребностей.

Основными источниками первичной энергии в настоящее время являются природные (ископаемые) источники, такие как уголь, нефть и природный газ. их доля в общем объеме потребляемой первичной энергии является определяющей и в разных странах колеблется в пределах 75-85%. Часть энергии, которой не хватает, производится атомными электростанциями и возобновляемыми источниками энергии, включая гидроэлектростанции.

Активное потребление природного топлива крайне негативно отражается на экологическом балансе Земли. Именно с этим многие ученые связывают причину изменения климата и повышения концентрации парниковых газов в атмосфере. После японской трагедии на атомной электростанции '' Фокусима "для многих стран мира встал вопрос о целесообразности их дальнейшего использования, а Германия вообще приняла решение о постепенном закрытии атомных электростанций, действующих в стране, и прекращение строительства и ввода в эксплуатацию новых. В связи с этим резко возросла роль экологически чистых и безопасных альтернативных источников энергии, в том числе и ветроэнергетики.

Человечество давно пыталось использовать энергию ветра для своих нужд. Так, уже в 200 году до н. е. в Персии появились первые ветряные мельницы, которые использовались для помола зерна. Мельницы такого типа были распространены в исламском мире и в XIII веке принесены в Европу крестоносцами. В XVI веке во многих городах Европы начинают строить насосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Например, в средневековой Голландии многочисленные ветряные мельницы использовались не только для помола зерна, но и откачивали воду из земель, защищенных дамбами. Отвоеванные у моря земли использовались в сельском хозяйстве. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.

Первые проекты ветроагрегатов, способных производить электроэнергию, появились в двадцатых годы XX века. Первый экземпляр ветродвигателя с роторами (цилиндрами) на четырех крыльях, диаметром 20 м, был установлен в 1926 г.. В Берлине на башне высотой 15 м [16].

Несмотря на то, что человечество уже давно научилось применять энергию ветра для своих нужд, начало его использования для промышленной генерации энергии можно отнести до 1990 г.. Такое возрождение стало возможным благодаря развитию технологий в области новых материалов и силовой электроники. Резкий толчок в развитии ветроэнергетики, например в Германии, дал принятый там в 1991 г.. Закон, по которому владельцы электрических сетей обязаны были принимать сеть производимую ветроэнергетических установок (ВЭУ) энергию и оплачивать ее по тарифу, установленному этим законом. Благодаря государственной поддержке резко увеличились инвестиции в ветроэнергетику, что привело к планомерному и стабильного роста результатов в течение двух десятилетий и ведущей роли Германии в технологическом и аппаратном развития ветроэнергетики в мире [45].

На сегодня ветроэнергетика прочно заняла свое место в качестве альтернативного, экологически чистый способ получения электроэнергии и продолжает стремительно развиваться. Этому способствуют последние достижения в области разработки новых видов генераторов электрической энергии (например синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов, генераторы с поперечным магнитным потоком), достижения в области силовой электроники, новых материалов и использование современных методов компьютерного моделирования задач электродинамики и аэродинамики .

Постоянно увеличивается единичная мощность ВЭУ. Осенью 2007 года фирмой Enercon (Германия) была введена в эксплуатацию ВЭУ типа Е126 с диаметром ветротурбины 127 метров, что развивает электрическую мощность 6,0 МВт. После небольшой доработки в 2009 году мощность этой ВЭУ увеличена до 7,58 МВт. На сегодня Е126 является самой мощной действующей ветроустановкой в ​​мире. Она построена по безредукторным принципу на базе кольцевого синхронного генератора. Монтажная высота установки составляет 198,5 метров [33]. Датская компания Vestas планирует выпустить в 2013 г.. Опытный образец ветрогенератора V164 - 8.0 MW единичной мощности 8 МВт. В 2014 г.. Эта мегатурбина будет установлена ​​в датском испытательном центре Oesterild [43].

Кроме увеличения единичной мощности ВЭУ идет интенсивное строительство ветровых парков и ветровых оффшорных зон (в прибрежных зонах морей), а также объединяются их энергетические системы. Например, в октябре 2010 г.. Смонтирован и в июне 2011 г.. Запущен в эксплуатацию ветровой парк в бельгийском городе Естинн, состоящий из 11 ВЭУ типа Е126 с проектной производительностью по выработке электроэнергии в 187 ГВт • ч. в год.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее