Вітрова енергія

Ми живемо на дні повітряного океану, у світі вітрів. На нашій планеті постійно й усюди дують вітри • від легкого вітерцю, до могутніх ураганів. Кінетична енергія, що рухаються повітряних мас - величезна. По оцінках різних авторів, загальний вітроенергетичний потенціал Землі рівний 1200 ТВт, однак можливості використання цього виду енергії в різних районах Землі неоднакові. Середньорічна швидкість вітру на висоті 20-30 м над поверхнею Землі повинна бути досить великий, щоб потужність повітряного потоку, що проходить через належним чином орієнтований вертикальний переріз, досягала значення, прийнятного для перетворення.

Ідея використовувати силу вітру відома давно: у Персії і Єгипту вітряні млини - прообраз сучасних вітрових генераторів - використовувалися вже в ІН столітті до нашої ери. А в XV столітті млина використовувалися вже повсюдно, більш того в Голландії конструкція була модернізована й стала застосовуватися для розв'язку таких завдань як осушення боліт та піднімання вантажів. Як приклад на рис. 9.1. показаний пристрій вітряного млина. Тут: І - лопаті вітрового колеса; 2 - корпус; 3 - мірошницькі жорна.

До середини минулого сторіччя вітродвигуни існували переважно у вигляді "класичних" селянських млинів. Це було обумовлено тим, що по своїй ефективності вітродвигуни не могли конкурувати як з дизельними електростанціями, так і гідроелектростанціями. Однак до кінця XX століття нафта суттєво подорожчала і по даним деяких аналітиків, її запасів вистачить не більше ніж на 60-80 років. Виходить, необхідний пошук інших джерел енергії, зокрема - енергії вітру. На початку століття Н.Е. Жуковський розробив теорію вітродвигуна, на основі якої могли бути створені високопродуктивні установки, здатні одержувати енергію від самого слабкого вітерцю. З'явилася безліч проектів

Рис. 9.1. Пристрій вітряного млина

вітрових агрегатів, незрівнянно більш досконалих, чому старі вітряні млина. У нових проектах використовуються досягнення багатьох галузей знання. Однак, незважаючи на двохтисячорічну історію різноманітних удосконалень, принцип дії всіх вітродвигунів залишився практично незмінним. Різниця лише в тому, що колись колесо з лопатями, що оберталось під напором вітру, через систему передач посилало крутний момент на мірошницькі жорна, а зараз він передається на вал генератора, що виробляє струм.

Нагадаємо, що робота всіх сучасних генераторів електричного струму заснована на явищі електромагнітної індукції при русі провідника в магнітному полі. На рис. 9.2. показаний принцип одержання змінного електричного струму. Електрорушійна сила виникає при обертанні замкненого провідника а постійному магнітному полі. У якості замкненого провідника як, правило, використовується дротова обмотка. Кінці цієї обмотки приєднані до двох мідних контактних кілець, укріплених на одній осі обертання. При обертанні замкненого провідника він постійно перетинає магнітний потік, величина якого визначається за допомогою наступного співвідношення:

(9.1)

Де: а- кут, складено нормаллю η до площини витка й вектором індукції магнітного поля В; Ф₀ - максимальне значення потоку при а=0; S- площа витка.

При рівномірному обертанні витка з кутовою швидкістю ω кут рівнин тому електрорушійна сила, створювана одним витком, може бути показана за допомогою наступного виразу:

(9.2)

Рис. 9.2. Принцип одержання змінного електричного струму

Якщо використовується не один замкнений виток, а N витків, то амплітуда електрорушійної сили Е₀ буде в N раз більше.

Рис. 9.3. Існуючі варіанти вітрових коліс вітрогенераторів

Відомо, що величина енергії, повітряного потоку пропорційна кубу швидкості вітру. Однак не вся енергія повітряного потоку може бути використана навіть за допомогою ідеального пристрою. Теоретично, коефіцієнт корисного використання енергії, що міститься в повітряному потоці, може досягати значення до 59,3 %. Однак, на практиці, згідно з опублікованими даними, максимальний коефіцієнт корисного використання енергії вітру в реальному вітроагрегаті рівний приблизно 50 %. Більше того, і цей показник досягається не при всіх швидкостях вітру, а тільки при його оптимальній швидкості. Також потрібно врахувати, що частина енергії повітряного потоку губиться при перетворенні механічної енергії в електричну, яке здійснюється із ККД звичайно 75-95 %. Враховуючи всі ці фактори, питома електрична потужність, видавана реальним вітроенергетичним агрегатом, очевидно, становить 30-40 % потужності повітряного потоку. Однак іноді вітер має швидкість, що виходить за межі розрахункових швидкостей. Швидкість вітру буває настільки низкою, що вітроагрегат зовсім не може працювати, або настільки високої, що вітроагрегат необхідно зупинити й вжити заходів по його захисту від руйнування. Якщо швидкість вітру перевищує номінальну робочу швидкість, частину механічної енергії, що отримується, не використовується, для того щоб не перевищувати номінальної електричної потужності генератора. Враховуючи ці фактори, питомий виробіток електричної енергії протягом року, очевидно, становить 15 30% енергії вітру, або навіть менше, залежно від місця розташування й параметрів вітроагрегата.

Основним елементом конструкції вітрогенератора с вітрове колесо. У цей час розроблене багато різних варіантів вітрових коліс, з різними конфігураціями лопатей.

Це двох, трилопатеві, багатолопатеві. Самі лопаті різняться по геометрії своп поверхні. На рис. 9.3. показані деякі, із застосовуваних у цей час, вітрових коліс.

На рис. 9.4. показана конструкція типового ветроелектричного генератора.

Де: 1 - лопаті; 2 -ковпак ротора; 3- гондола з електричним генератором; 4 - стабілізатор, що служить для відстеження напрямку вітру; 5 - несуча щогла; 6 - силова шафа з акумуляторними батареями й перетворювачем; 7 - фундамент.

Експериментальні дані показали, що вітроенергетична установка, розташована на майданчику, де середньорічна питома потужність повітряного потоку становить близько 500 Вт/м² (швидкість повітряного потоку при цьому рівна 7 м/с), може перетворити і електроенергію близько 175 із цих 500 Вт/м².

Прагнення освоїти виробництво вітроенергетичних машин привело до появи на світі безлічі таких агрегатів. Деякі з них досягають десятків метрів у висоту, і, як вважається, згодом вони могли-би утворювати справжню електричну мережу. На рис. 9.5. схематично показана вітроелектрична установка, побудована Національним керуванням по аеронавтиці й дослідженню космічного простору (НАСА) у штаті Огайо. Де: 1 - лопаті вітрового колеса; 2 - ковпак ротора; 3 - електричний генератор; 4 - трансмісія; 5 - гондола; 6 - поворотний механізм; 7 - вежа; 8 - сходи; 9 - силова шафа; 10 - фундамент. На вежі висотою 30,5 м генератор у поворотному обтічному корпусі; на валу

Рис. 9.4. Схема типа вітроелектричного генератора

генератора укріплений установлений пропелер п двома алюмінієвими лопатами довжиною 19 м і вагою 900 кг. Уся установка починає працювати при швидкості вітру більших 13 км/год. а максимально продуктивності (100 кВт) досягає при швидкості вітру 29 км/год.

При цьому, максимальна швидкість обертання лопат пропелера становить близько 40об/хв. При створенні таких установок сама важка проблема полягає в тому, щоб при різній силі вітру забезпечити однакове число обертів пропелера. Адже при підключенні до мережі генератор повинен давати не просто якусь електричну енергію, а тільки змінний струм із заданою частотою, тобто зі стандартною частотою 60 Гц. Тому кут нахилу лопатей стосовно вітру регулюють за рахунок повороту їх навколо поздовжньої осі: при сильному вітрі цей кут гостріше, повітряний потік вільніше обтікає лопати й віддає їм меншу частину своєї енергії. Крім регулювання лопат увесь генератор автоматично повертається на щоглі проти вітру.

Рис. 9.5. Вітроелектрична установка, побудована Національним керуванням по аеронавтиці й дослідженню космічного простору в штаті Огайо

Існує так само багато різних типів малопотужних вітрогенераторів. Розглянемо деякі з них. Так, наприклад, фірма Forgen робить два типи малопотужних вітрогенератору Forgen 500 і Forgen 1000 з вертикальними осями обертання. Вони мають вітроколеса барабанного типу - турбіни, які мають більший пусковий момент, що суттєво для районів, де швидкість вітру багато днів у році не перевищує 3-5 м/с. При різких змінах швидкості вітру вони досить стабільно тримають постійні оберти. Вітроколеса барабанного типу - тихохідні, що досить обмежує їхнє застосування. ККД у них низький (близько 10%). Причина тихохідності в тому, що максимальна швидкість на краях лопатей турбіни - це швидкість потоку, що набігає, повітря й не більш. Головна перевага таких вірогенераторів - це відсутності хвостового стабілізатора. Вони працюють при будь-якому напрямку вітру. Вітрогенератори Forgen 500 і Forgen 1000 призначені для роботи в мережі постійного струму з напругою 12 В або 24 В. Максимальна вихідна потужність Forgen 500 становить 10 Вт. Він може встановлюватися на маломірних судах. Максимальна вихідна потужність вітрогенератора Forgen 1000 - ЗО Вт. Вітрогенератор Forgen 500 при швидкості вітру 15 вузлів може робити в середньому до 12 ампер-годин електроенергії в добу, a Forgen 1000 за тих самих умов - до 24 ампер-годин, залежно від вітру б стану батареї. Конструкція вітрогенераторів Forgen така, що при екстремальній силі вітру саморегулюється швидкість обертання турбіни.

У схожій установці, VAWT застосовані лопаті, що мають форми літакового крила. Лопаті виготовлені з посиленої пластмаси з додавання скловолокна й епоксидної смоли. Конструкція цього вітрогенератора показано на рис. 9.6. Вітрогенератор Wind Rotor Mini Vertical. Його робить компанія Ropatec (Італія). Він так само має турбіну з вертикальною віссю обертання, діаметр ротора якої 1,5 м.

Лопати турбіни мають профіль літакового крила. Вага ротора 160 кг. Вихідна напруга генератора 120 В. Вихідна потужність, при швидкості вітру 10 м/с, становить 280 Вт, а при швидкості вітру 14 м/с - 750 Вт. Тому віднести його до малопотужних вітрогенераторів можна тільки умовно. Пускова швидкість цього вітрогенератора становить 3 м/с, а максимальна швидкість вітру не обмежена. Такий вітрогенератор може використовуватися для стаціонарного електроживлення невеликого будинку або автономного

Рис. 9.6. Вітрогенератор з вертикальною віссю обертання

електроживлення вилучених об'єктів. Основні переваги вітрогенераторів з вертикальною віссю обертання лопатей: профіль лопаті типу літакового крила дозволяє при невеликому діаметрі більш ефективно використовувати вітрогенератор на низьких швидкостях вітру; "ловить" вітер з будь-якого напрямку без механічних пристосувань. Такі генератори можна встановлювати на плоскі дахи тому що лопаті завжди вище генератора. Вітрогенератор "Бджола" ВЕУ-015 від ТОВ "Енергетика й клімат" призначений для забезпечення електроенергією об'єктів з малим енергоспоживанням. Виробник рекомендує застосовувати її в польових таборах, на пасіках, яхтах і т.п. "Бджола" дуже зручна для живлення автономних об'єктів, таких, як ретранслятори, маяки, метеостанції, рекламні щити, різні системи контролю й спостереження, збору й передачі даних і т.п. Маса ВЭУ-015 "Бджола" у зборі 9 кг. П'ятилопатевий гвинт (вітроколесо, турбіна) цього вітрогенератору має діаметр 1,2 м, а його винос від осі щогли всього 20 см, при повній довжині вітроустановки 1,5 м. "Бджола" має тихохідний генератор на постійних магнітах без обмотки збудження, який приводиться безпосередньо турбіною (вітроколесом). Відсутність мультиплікатора й системи порушення генератора забезпечує високий ресурс цієї вітроустановки. Номінальна потужність ВЕУ- 015 становить 150 Вт, при номінальній частоті обертання 800 про/хв. Номінальна вихідна напруга генератора 12 В, а його ЕРС може досягати 60 В. обертах). Розрахункова швидкість вітру 8 м/с. ВЕУ-015 "Бджола" нормально функціонує в широкому діапазоні швидкостей вітру без регулювання турбіни. Стартова швидкість вітру 3 м/с, а максимальна експлуатаційна швидкість для "Бджоли" - 45 м/с. Для порівняння різних типів і розмірів, що випускаються вітрогенераторів на рис. 7.9. показано два різні міні вітрогенератора. Слід зазначити, що вітроенергетичні установки найбільш ефективні в невеликих, віддалених поселеннях, для енергоспоживачів, віддалених від централізованих систем енергопостачання.

Рис. 9.7. Різні типи міні вітрогенераторів

Для них енергія вітру й Сонця є самим економічним і доступним джерелом електрики. Характерний щодо цього приклад Данії, розташованої на численних островах, які важко об'єднати централізованою енергосистемою. Сьогодні тут налічується понад S тисячі вітроустановок, на які доводиться близько 8% усієї вироблюваної в країні електроенергії. При цьому, на початку 1990 років 1 кВт год електроенергії коштував одну шведську крону, у цей час її вартість стала майже в 4 рази дешевше. Це значно менше аналогічного показника для АЕС і вугільних ТЕС, і навіть для дешевої шведської гідроенергії. Датські вітроустановки користуються більшим попитом – понад половину світового попиту на них задовольняється датськими фірмами.

При використанні енергії вітру виникає проблема: надлишок енергії у вітряну погоду й недолік її в періоди затишності. Виникає проблема нагромадження й зберігання енергії. Найпростіший спосіб полягає в тому, що вітрогенератор запускає насос, який накачує воду в розташований вище резервуар, а потім вода, стікаючи з нього, пускає в хід водяну турбіну й генератор постійного або змінного токи. Існують і інші способи. Один з таких способів - використання акумуляторних батарей-акумуляторів. Це гальванічні елементи, у яких хімічна речовина накопичується на електродах в результаті електролізу, а потім витрачаються при відборі струму.

У даний час найбільше поширення одержав свинцевий (або кислотний) акумулятор. У найпростішому виді кислотний акумулятор складається із двох свинцевих електродів, що перебувають у розчині сірчаної кислоти. У результаті взаємодії свинцю із сірчаною кислотою, на електродах утворюється сірчанокислий свинець (Pbso₄) і розчин сірчаної кислоти насичується цією сіллю. При зарядці акумулятора на його електроді, з'єднаним з позитивним полюсом джерела струму, свинець окислиться в перекис Рbо₂, а другий електрод перетворюється в чистий свинець. При розрядці акумулятора його позитивний електрод розкислюється й на ньому знову утворюється Pbso₄. Електрорушійна сила свинцевого акумулятора досягає значення 2,6 В.

Також використовуються запізонікелеві (або лужні) акумулятори. Такі акумулятори мають один електрод із заліза, а іншої – з нікелю. У якості електроліту, у таких акумуляторах використовується розчин їдкого калію (КОН). Електрорушійна сила лужного акумулятора досягає значення 1,4 В.

В останній час були розроблені нікель- водневі акумулятори. Ці акумулятори являє собою герметичний лужний акумулятор, що поєднує в собі традиційний оксидно-нікелевий електрод і газовий водневий електрод. Електролітом у нікель-водневому акумуляторі є розчин гідроксиду калію (КІН). При заряді на водневому електроді виділяється водень, який накопичується у вільному обсязі акумулятора, підвищуючи його внутрішній тиск. Причому, цей тиск прямий пропорційно повідомленої зарядної ємності. При розряді водень електрокаталітично іонізується на водневому електроді й тиск знижується. Слід зазначити, що за рахунок складності процесу виготовлення таких акумуляторних батарей і їх високої вартості, нікель-водневі акумулятори, в основному призначені для використання в космічних апаратах. Були запропоновані й такі методи акумулювання як розкручування гігантських маховиків або нагнітання стисненого повітря в підземні печери й аж до виробництва водню як палива. Особливо перспективним представляється останній спосіб. Електричний струм

Рис. 9.8. Вітрогенератор, встановлений на морському дні

від вітроагрегата розкладає воду на кисень і водень. Водень можна зберігати в зрідженому виді й спалювати в паливних теплових електростанцій у міру потреби. Американський учений Вільям Херонімус вважає, що робити водень за рахунок енергії вітру найкраще на море. Із цією метою він пропонує встановити на березі моря високі щогли з вітродвигунами діаметром 60 м і генераторами. 13 тисяч таких установок могли б розміститися уздовж узбережжя Нової Англії (північний схід США) і "ловити" переважні східні вітри. Деякі агрегати будуть закріплені на дні дрібного моря, інші будуть плавати на його поверхні. Постійний струм від вітроелектричних генераторів буде живити розташовані на дні електролізні установки, звідки водень буде по підводному трубопроводу подаватися на сушу. Один з можливих варіантів такий станції наведено на Рис. 9.8

Фактично загальна встановлена потужність вітроелектростанцій в Україні складає 500 МВт (включаючи територію окупованого Криму - 87,7 МВт).

Рис. 3.1. Територгівельний розподіл вітрового потенціалу України

Рис. 9.9. Найбільша в Україні Ботієвська вітрова електростанція

Недоліки вітрогенераторів. Один із самих серйозних недоліків – мала вироблювана потужності середніх і малих вітрових генераторів. Що стосується недоліків потужних вітрових генераторів і комплексів вітроелектростанцій можна сказати наступне. Загальновідомо, що водоймище ГЕС змінює клімат у прилягаючій місцевості, а теплові електростанції, викидаючи двоокис вуглецю, впливає на глобальний клімат. Але тепер з'явилися дані про те, що й великі вітроелектростанції, що полягають із сотень вітряків, можуть виявляти невелике, але реальний вплив на клімат околиць. Висота сучасних вітродвигунів - до 100 метрів, розмах лопат - до 50 метрів, і проектують ще більш великі установки. Комп'ютерне моделювання, проведене в університеті Дьюка (США), показало, що більші групи вітряків можуть побільшати швидкість вітру в землі в середньому на 0,6 метра в секунду й підвищити температуру повітря на 0,7 градуси Цельсію. Випар вологи із грунту при цьому збільшиться навколо вітроелектростанції на 0,3 міліметра в добу. Усі ці дані усереднені на 24 години, а раннім ранком зміни будуть більше: швидкість вітру за кілька годин виросте на

Таблиця 9.1.

Вітрові електростанції

1,5 метра в секунду, а температура - на 2 градуси Цельсію. Ще одним з недоліків використання вітрових генераторів є сильні вібрації їх несучих частин, які передаються в грунт. Значна частина звукової енергії припадає на інфразвуковий діапазон, для якого характерно негативний вплив на організм людини й багатьох тварин. Нарешті, вітрова енергетика вимагає більших площ для розміщення установок. Тому системи вітрових установок намагаються розміщати в безлюдній місцевості, що у свою чергу здорожує вартість передачі енергії.