 |
Лекция 15. Ветроэнергетика. Отрицательное воздействие ветроэнергоустановок на окружающую среду
|
|
|
|
ЛЕКЦИЯ 15
ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
Человек начал использовать энергию ветра задолго до изобретения водя-ного колеса. Еще 4000 лет тому назад были известны установки для подачи во-ды, ветряные мельницы и парусные суда. Следует помнить, что первоначальный источник энергии ветра – это энергия солнечного излучения, так как основной причиной активных процессов перемещения воздушных масс является разная плотность нагретого и холодного воздуха.
Энергию ветра можно успешно использовать при скоростях более 5 м/с. На территории России эти условия существуют на побережье Каспийского и Черного морей, на озере Байкал, Камчатке, Сахалине, побережье Ледовитого океана. Здесь время использования ветроагрегатов доходит до 6000 часов в год.
Первая в мире ветроэнергетическая установка (ВЭУ) с диаметром рабочего колеса 30 м и мощностью 100 кВт была спроектирована и построена в Крыму в 1931 году. Непосредственное участие в разработке и строительстве первых ВЭУ принимал Ю. В. Кондратюк (настоящая фамилия А. И. Шаргей), очень талантливый человек сложной судьбы (им спроектирован и построен элеватор в городе Рубцовске). В СССР
широко применялись ветродвигатели с диаметром колеса до 18 м и мощностью до 30 кВт. Годовой выпуск ветроагрегатов в 1956 году достигал 9000 штук. Однако с развитием крупных энергетических систем, базирующихся на КЭС и АЭС, а также в связи с электрификацией села в 60-е годы исследования в области ветроэнергетики были прекращены.
Проблемы, препятствующие широкому распространению ветровых установок:
постоянно меняющаяся скорость ветра;
электрическая энергия начинает вырабатываться тогда, когда дует ветер, а
|
|
|
не тогда, когда она необходима, а аккумулировать электрическую энергию
в больших количествах человечество пока не умеет.
В отечественной ветроэнергетике наметились два пути развития:
1) создание крупных одноагрегатных ВЭУ;
2) сооружение многоагрегатных ВЭУ.
Второй вариант более экономичен, так как ВЭУ состоит из 10... 15 установок единичной мощностью по 30 кВт. Это позволяет более эффективно сглаживать порывы воздушных течений за счет территориального рассредоточения отдельных агрегатов.
ВЭУ считаются экологически чистыми источниками энергии. Основывается такое утверждение на том, что они не дают вредных выбросов в атмосферу. Однако имеются и отрицательные воздействия.
Отрицательное воздействие ветроэнергоустановок на окружающую среду
1. Сильные порывы ветра, ураганы могут привести к разрушению ВЭУ. При этом наиболее опасной зоной является круг радиусом, равным высоте башни. Если же повреждение установки связано с отрывом лопастей, то радиус опасной зоны возрастает.
2. Вращающиеся лопасти создают помехи телепередачам и радиоприему УКВ в радиусе 3 км.
3. Шум, создаваемый ВЭУ средней мощности, слышен на расстоянии более 2 км, а на расстоянии 400 м уровень шума достигает 56 дБ.
Опросы населения показывают, что отдельно стоящие ВЭУ воспринимаются достаточно спокойно, но ветровые фермы вызывают определенное раздражение даже при их расположении на морском побережье.
4. Крупномасштабное применение ВЭУ на каком-то ограниченном участке может вызвать глубокие климатические изменения в данном районе.
5. Одиночная ВЭУ, а тем более ферма, требуют подъездных путей, ЛЭП, связи, управления. Поэтому территория, изымаемая для размещения ВЭУ, оказывается куда более значительной, чем может показаться на первый взгляд.
|
|
|
Принцип работы ветровой установки прост. Кинетическая энергия ветра превращается в энергию вращения ротора генератора. Используется двух- или трехлопастный ротор (рисунок 14. 1. ). Мощность ветрового двигателя NB опре-деляется по формуле:
NB D 2 
V 3 
,
где D – диаметр ветроколеса (м);
V – скорость ветра (м/сек);
- средний коэффициент мощности (коэффициент использования энер-гии ветра) - зависит от конструкции ветроколеса и скорости ветра. Электриче-ская мощность ветроустановки РЭЛ учитывает КПД ветродвигателя ( в ), КПД генератора ( г ) и КПД передачи ( п ).
Рисунок 14. 1. Ветроэнергетическая установка
Выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей вет-рового ротора и скорости ветра в кубе.
Максимальная проектная мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ) определяется для некоторой стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость
равна примерно 12 м/с, при этом с 1 м 2 ометаемой площади ( 
снимается
мощность порядка 300 Вт. В таблице 14. 1 представлены основные характеристики ВЭУ различных классов и силы ветра. В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 25... 33% его максимального проектного значения. Срок службы ветрогенераторов обычно не менее 15... 20 лет, а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 дол. США за 1 кВт проектной мощности.
Одно из основных условий при проектировании ветровых установок - обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны кубу скорости ветра, а раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5... 10 раз превышающей среднюю, поэтому установки приходится проектировать с очень большим запасом прочности. Кроме того, ско-рость ветра колеблется во времени, что может привести к усталостным разруше-ниям.
Таблица 14. 1
Параметры ветроэнергетических установок различной проектной мощности
при скорости 12 м/с
| Класс ВЭУ | Расчетная (проект- | Диаметр ветроколе- | Период враще- | |||||
| ная) мощность, кВт | са D, м | ния Т, с | ||||||
|
|
| |||||||
| Малые | 10, 25 | 6, 4, 10 | 0, 3, | 0, 4 | ||||
| Средние | 50, 100, 150 | 14, 20, 25 | 0, 6, | 0, 9,
| 1, 1 | |||
| Большие | 250, 500, 1000 | 32, 49, 64 | 1, 4, | 2, 1, | 3, 1 | |||
| Очень | 2000, 3000, 4000 | 90, 110, 130 | 3, 9, | 4, 8, | 5, 7 | |||
| большие | ||||||||
|
|
|
