Лекция №8. Ветроэнергетические установки

 

План лекционного занятия: основные типы ветроэнергетических установок. Устройство ветроэлектрических установок (ВЭУ) различной мощности.

Цель: знание    основных типов и устройств ветроэнергетических установок.

 

    Принцип действия всех ветроустановок один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Реальный к.п.д. лучших ветровых колес достигает 45% в случае устойчивой работы при оптимальной скорости ветра.

    Существуют две принципиально разные конструкции ветроэнергетических установок (ВЭУ): с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

    Конструктивная схема ВЭУ с горизонтальной осью приведена на рисунке 8.1.

1 – лопасти; 2 – колпак ротора; 3– гондола с электрическим генератором; 4 – стабилизатор, служащий для отслеживания направления ветра; 5 – несущая мачта; 6 – силовой шкаф с аккумулляторными батареями и преобразователем; 7 – фундамент.

Рисунок 8.1- Конструктивная схема ВЭУ с горизонтальной осью

    Основными элементами установки являются ветроприемное устройство (лопасти), редуктор передачи крутильного момента к электрогенератору, электрогенератор и башня. Ветроприемное устройство вместе с редуктором образуют ветродвигатель. Благодаря специальной конфигурации лопастей в воздушном потоке возникают несимметричные силы, которые создают крутильный момент. 

    Поскольку ветер может изменять свою силу и направление, ветровые установки оборудуются специальными устройствами контроля и безопасности. Эти устройства состоят из механизмов разворота оси вращения за ветром (виндроза), наклона лопастей относительно земли при критической скорости ветра, системы автоматического контроля мощности и аварийного отключения для установок большой мощности.

    Наиболее часто на ВЭС (рисунок 8.2) используется трехлопастное ветроколесо с горизонтальным расположением оси ротора. Усовершенствование идет по пути увеличения размеров лопастей, улучшения технико-экономических показателей энергетического оборудования и электронного управления, использования композитных материалов и применения более высоких башен. Некоторые ВЭУ функционируют с переменной скоростью или вообще не используют редуктор и работают по методу прямого привода. Так, при мощности ВЭУ 2,5 МВт диаметр лопастей ветроколеса достигает 80 м, а высота башни более 80 м.

    Экспериментальные данные показали, что ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м² (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м².

 

 

Рисунок 8.2 - Ветровая электростанция Кордай

 

    Недостатки ветрогенераторов:

    1) Малая вырабатываемая мощности средних и малых ветровых генераторов.

    2) Крупные ВЭС, состоящие из сотен ветряков, оказывают небольшое, но реальное влияние на климат окрестностей. Высота современных ветродвигателей – до 100 метров, размах лопастей – до 50 метров, и проектируются еще более крупные установки. Результаты компьютерного моделирования работы ВЭС показывают увеличение скорости ветра у земли в среднем на 0,6 м/с, повышение температуры воздуха  0,7⁰С, увеличение испарения влаги из почвы на 0,3 мм/сут. в сутки.

    3)  Для ВЭС требуются большие площади для размещения установок.

 

8.2 Устройство ветроэлектрических установок (ВЭУ) различной мощности

Ветроустановки в силу конструктивных особенностей не полностью используют потенциальную энергию ветра. Часть энергии теряется за счет инерции покоя ветроколеса, часть – за счет режима регулирования и часть – за счет вывода ветроколеса из-под ветра. На рисунке 8.3 показана зависимость мощности, развиваемой ветроустановкой, от скорости ветра.

 

Рисунок 8.3 - Зависимость мощности ветроустановки от скорости ветра

 

Утилизируемая энергия ветра зависит от трех основных параметров, называемых базовыми скоростями ветра. Первый параметр – минимальная скорость ветра (v_min), при которой ветроколесо начинает вращаться. Второй – расчетная скорость (v_p), при которой ветроустановка выходит на расчетный режим и развивает номинальную мощность. Третий – максимальная скорость ветра (v_max), скорость выше максимальной становится критической для ветроустановки.

В диапазоне скоростей от минимальной до рабочей ветроустановка развивает тем большую мощность, чем больше скорость ветра. При скорости ветра v≥v_р с помощью специального регулировочного устройства автоматически устанавливается постоянный режим вращения ветроколеса и вырабатываемой мощности. Если v ≥ v_max, ветровой напор на ветроустанов- ку становится критическим и по условию механической прочности происходит ее отключение. Мощность, вырабатываемая ветроустановкой, отличается от мощности, развиваемой ветроколесом, на величину потерь при преобразовании утилизируемой энергии ветра в полезную:

 

 , кВт                              (8.1)

или с единицы ометаемой площади ветроустановки

,  кВт/м²,                         (8.2)

    где  – коэффициент полезного действия ВЭУ, учитывающий потери при передаче мощности от вала ветроколеса до рабочей машины.

Для ветроэлектрической установки , где  – КПД редуктора и генератора соответственно. Для наиболее совершенных конструкций двух - и трехлопастных ВЭУ можно принять ξ= 0,4, суммарный КПД  = 0,8.  

Для стандартных условий по давлению и температуре воздуха мощность, которую способна вырабатывать ВЭУ в зависимости от расчетной скорости ветра и диаметра ветроколеса, приведена на рисунке 8.4.

 

 

Рисунок 8.4- Зависимость мощности ВЭУ от диаметра ветроколеса при скорости ветра 6 м/c (1); 8 м/с (2); 10 м/с (3)

 

Полученные результаты приводятся с округлением (таблица 8.1). Анализ данных показывает, что для маломощной ВЭУ мощностью до 10 кВт при  v_p = 8 м/c требуется ветроколесо диаметром не менее 12 м, мощностью 100 кВт – 25 м.

В таблице 8.1 представлены данные о классификации ветроустановок в зависимости от развиваемой мощности, определяющей назначение и область применения.

Таблица 8.1- Классификация ветроустановок

Класс установки	Мощность, МВт	Диаметр колеса, м	Количество лопастей	Назначение
Малой мощности	До 0,1	3 – 10	3 – 2	Зарядка аккумуляторов, насосы, бытовые нужды
Средней мощности	Более 0,1 до 1,0	25 – 44	3 – 2	Энергетика
Большой мощности	Более 1,0	> 45	3 – 2	Энергетика

    9 Лекция № 9. Возможности использования геотермальной энергии

    План лекционного занятия: геотермальная энергия. Источники геотермально­го тепла. Распределение геотермальной энергии в мире и в Казахстане. Геотермальные электростанции.

    Цель: изучение природы геотермального тепла и принципа работы ГеоТЭС.

    9.1 Геотермальная энергия. Источники геотермально­го тепла.

    Мировой опыт показывает, что ряд стран и регионов успешно решают проблемы энергообеспечения на основе развития нетрадиционной энергетики, в том числе за счет использования геотермального тепла. Геотермальная энергия представляет собой естественное тепло нашей планеты.

    Недра Земли обладают огромными запасами энергии. Установлено, что энергии, накопленной планетой во время образования, недостаточно для поддержания высоких температур, и, вероятно, существует какой-то дополнительный источник энергии, который обеспечивает тепловой баланс планеты и высокоэнергетические процессы. Таким источником является, скорее всего, энергия распада радиоактивных элементов.

    По мере движения к центру Земли температура и давление повышаются. Так, ядро Земли радиусом 1350 км, состоящее из твердого железа, имеет температуру до 4000ºС, давление свыше трех миллионов атмосфер. За счет теплопроводности происходит выход тепла (геотермальное тепло) на поверхность Земли.

    В коре Земли аккумулировано около 1014 МДж/км², величина среднего геотермального потока составляет 0,06 Вт/м². Распределение потока по поверхности Земли крайне неравномерно, и есть участки с величиной теплового потока 10-20 Вт/м². Верхний слой Земли – кора имеет толщину не более 30 км на суше и 5 км – в океане. Твердые породы, слагающие кору, имеют среднюю плотность 2700 кг/м³, теплоемкость – 1000 Дж/кг·К, теплопроводность – 2 Вт/м·К.

    Геотермальные ресурсы и возможности их использования определяются температурой источника тепла и температурным градиентом. Температурный (геотермический) градиент g (ºС/км) является наиболее важным параметром, он показывает температуру тепла в слое Земли толщиной 1 км. В зависимости от значения этих показателей определяют геотермальные районы.

 

    9.2 Распределение геотермальной энергии в мире и в Казахстане

    Геотермальные районы подразделяются на 3 класса:

    - геотермальный, с температурным градиентом более 80 ºС/км;

    - полутермальный, с температурным градиентом от 40 до 80 ºС/км;

    - нормальный, с температурным градиентом менее 40 ºС/км.

    Геотермальные ресурсы исследованы во многих странах мира: в США, Италии, Исландии, Новой Зеландии, России, на Филиппинах и т.д.   Выявленные запасы геотермальных вод в России могут обеспечить примерно 14 млн м³ горячей воды в сутки, что эквивалентно 30 млн. т у.т.

В то же время выведенные на земную поверхность запасы геотермальных вод используются на 5%. В России эксплуатируются месторождения геотермальных вод на Сахалине, Камчатке и Курильских островах, в Краснодарском и Ставропольском краях, Дагестане, Ингушетии. Курильско-Камчатская зона молодого вулканизма отличается максимальной близостью

геотермальных систем к земной поверхности. Наиболее крупным и перспективным на Камчатке является Мутновское месторождение, расположенное в 130 км от г. Петропавловск-Камчатский. Буровые работы здесь ведутся с 1978 года. На сегодня пробурено около 90 скважин глубиной от 250 до 2500 м. Суммарные запасы оценены в 245 МВт.

    Казахстан обладает большим геотермальным потенциалом. Температура воды многих напорных источников в устье скважин  40-100 °С. Разведанные их запасы на территории Республики составляют около 100 млрд. тонн условного топлива, что на порядок превышает суммарные запасы нефти и газа страны. Большинство геотермальных источников в основном находятся в Западном Казахстане - 75,9%, Южном Казахстане - 15,6% и Центральном Казахстане - 5,3%.

    По месту расположения геотермальные воды вскрыты в Илийской впадине, Сырдарьиском, Иртышском, Мангышлак-Устюртском, Чу-Сарысуйском, Келесском и Зайсанском артезианском бассейнах. В пределах Илийской впадины выделяются промышленно перспективные артезианские бассейны - Алматинский и Жаркентский. Напорные, низкоминерализованные воды данных бассейнов с температурой 40-100 °С лишний раз подчеркивают свою выгодность в теплоснабжении и выработке электрической энергии. Запасы бассейнов соответственно 106,5 и 216 млрд куб. м, что суммарно эквивалентно примерно 1,8 млрд тонн условного топлива. Громадным энергетическим потенциалом располагает Сырдарьинский артезианский бассейн с запасом 470,3 млрд куб. м. и температурой напорных вод от 30-75 °С и выше. В решении проблем тепло- и энергоснабжения южного региона Казахстана очень перспективен Келесский артезианский бассейн с запасами 120,5 млрд куб. м. и температурой напорных вод 40-85 °С.

    По разным экономическим причинам гидротермальные ресурсы нашей страны пока не привлечены в качестве источников энергии. В незначительном объеме они используются в бальнеологии и орошении бахчевых культур. Однако по своим потенциальным возможностям они имеют великолепное будущее, так как обязательно станут основным источником энергии Западного и Южного Казахстана.

 

    9.3 Геотермальные электростанции. Использование энергии океана. Энергетические ресурсы океана

    Одним из перспективных направлений использования геотермальной энергии является строительство геотермальных тепловых электростанций (ГеоТЭС). Ресурсной базой современных геотермальных электростанций являются месторождения парогидротерм с температурой теплоносителя выше 150º С.

    Первый опыт выработки электроэнергии осуществлен в 1904 году вблизи Лардерелло (Италия) в гипертермальном районе. Почти все существующие ГеоТЭС размещены именно в таких районах. В настоящее время в мире накоплен определенный опыт строительства и эксплуатации геотермальных ТЭС. Они сооружены в США (более 700 МВт), Италии, Новой Зеландии, Японии и т.д. Затраты на 1 кВт установленной мощности ГеоТЭС во многом определяются стоимостью скважины и занимают промежуточное положение между аналогичными затратами на ТЭС и АЭС.

В мире широко распространены геотермальные ТЭС на месторожде-ниях пароводяной смеси с конденсационными турбинами. В них применяется тепловая схема с конденсационными турбинами. Она более эффективная по сравнению с тепловой схемой с противодавленческими турбинами.
Геотермальная пароводяная смесь или влажный пар с неконденсирующимися газами (НКГ) из подъемной скважины 1подается в сепаратор 2, откуда пар поступает на вход конденсационной турбины 3, а минерализованная вода направляется на реинжекционную скважину 8 для возврата в пласт. Отработанный пар подается в смешивающий конденсатор 4. Поскольку в большинстве случаев на геотермальных месторождениях нет источников охлаждающей воды (реки или пруда-охладителя), применяется оборотная система отвода сбросного тепла, включающая циркуляционный насос 6, башенную градирню 5 и конденсатный насос 7. Неконденсирующиеся газы, обычно содержащие большое количество сероводорода, удаляются из конденсатора эжекторами и подаются на верхний срез градирни для рассеивания в атмосфере вместе с паровым факелом.
Оборудование для таких ГеоТЭС выпускается в ряде стран: Италии, США, Японии.

1 - подъемная скважина; 2 - сепаратор; 3- конденсационная турбина;

4- конденсатор; 5- градирня; 6 - циркуляционный насос;

7- конденсатный насос; 8- нагнетательная скважина.

Рисунок 9.1 - Схема ГеоТЭС с конденсационной турбиной

 

Максимальная мощность конденсационного энергоблока составляет 100 МВт (ГеоТЭС Гейзеры, США), но обычно мощности энергоблоков находятся в интервале 12…50 МВт.

В одноконтурной паротурбинной ГеоТЭУ энтальпия сухого насыщенного пара после сепарации определяется по его температуре из таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара или диаграммы. Мощность ГеоТЭУ определяется из соотношения:

, кВт,                                  (9.1)

    где h_t – термический КПД паросилового цикла;

        h_оi – относительный внутренний КПД турбины;

        h_э - электрический КПД турбогенератора;

        d – удельный расход пара, кг/с.

Расход холодной воды из окружающей среды на конденсацию пара равен:

,                                                   (9.2)

    где h_к - энтальпия конденсата, кДж/кг;

    с = 4,19 кДж/(кг∙К) – теплоемкость воды,

    Dt_хв – перепад температур холодной воды в конденсаторе, ^оС.

В ГеоТЭУ имеют место также затраты энергии на собственные нужды (главным образом, на привод циркуляционного насоса, подающего воду из окружающей среды в конденсатор, и на привод насоса закачки отработанной воды в пласт), которые учитываются коэффициентом h_сн. Полный КПД установки равен произведению h = h_t h_оi.h_э h_сн, в действующих установках он составляет 15…22 %. С учетом использования для нужд теплоснабжения горячей воды, отделяемой в сепараторе, полезное использование геотермального ресурса может превышать 50 %.

   10 Лекция №10. Использование низкотемпературных носителей энергии

 

План лекционного занятия: использование низкотемпературной энергии земли. Тепловые насосы. Принцип работы, примеры использования.

Цель: приобретение знаний по практическому использованию тепловых насосов.

 

Предыдущая123456789Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: