Альтернативные источники энергии

Размеры струйных течений в поперечнике достигают 400-600 км, а протяжен­ность - др 1000 км. Обычно они не подвержены большим сезонным изменениям, но могут менять свое расположение по высоте. Так, над Восточной Сибирью и Чу­коткой они иногда опускаются до высоты 3-4 км от поверхности Земли. Ско­рости воздушных масс в ядре струйного течения составляют 30-80 км/ч, но часто доходят до 200 км/ч.

Таким образом, тепловая энергия, непрерывно поступающая от Солнца, преобразуется в кинетическую энергию движения в атмосфере огромных масс воздуха, циркуляция которых и называется ветром.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРА

Ветер является одним из наиболее мощных энергетических источников, который издавна используется человеком, и при благоприятных условиях может быть утилизован в интересах народного хозяйства в значительно больших масштабах, чем это имеет место в настоящее время. По ориенти­ровочным оценкам, энергия,'которая непрерывно поступает от Солнца, соответствует суммарной мощности, превышающей 1011 ГВт. Это опре­деляет возможную годовую выработку энергии ветроагрегатами, равную 1,18 • 1013 кВт -ч, что во много раз превышает количество энергии, потреб­ляемой сегодня в мире. По оценкам МИРЭК, ежегодно в мире потребляет­ся около 3 млрд. т условного топлива. В развитых странах потребление достигло 0,6 т условного топлива в год на одного человека, в развиваю­щихся - в 3 раза меньше.

Энергетические установки обычно используют ветер в приземном слое на высоте до 50 - 70 м, реже - до 100 м от поверхности Земли, поэтому наибольший интерес представляют характеристики движения воздушных потоков именно в этом слое. В дальнейшем, по мере создания соответ­ствующих технических средств, могут оказаться практически ценными также струйные течения, характерные для тропопаузы.

Важнейшей характеристикой, определяющей энергетическую цен­ность ветра, является его. скорость. В силу ряда метеорологических факто­ров (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности, коли­чества тепловой энергии, поступающей на Землю, и других причин), а также вследствие влияния рельефных условий непрерывная длительность ветра в данной местности, его скорость и направление изменяются по слу­чайному закону. Поэтому мощность, которую может вырабатывать ветро-установка в различные периоды времени, удается предсказывать с очень малой вероятностью. В то же время суммарную выработку агрегата, осо­бенно за длительный промежуток времени, можно рассчитать с высоким уровнем достоверности, так как средняя скорость ветра и частота распре­деления скоростей в течение года или сезона изменяются мало.

Единицами измерения скорости в СССР являются метр в секунду (м/с) и километр в час   (км/ч), за рубежом применяют также миля в час(1 миля/ч = 0,44 м/с). Направление вектора скорости измеряется в граду­сах или румбах и показывает его угловое положение относительно направ­ления (обычно северного), принятого за начало отсчета.

Для измерения мгновенной скорости ветра, т.е. пути воздушного пото­ка, пройденного им за промежуток времени, измеряемый секундами или даже долями секунд, пользуются анемометрами различных конструкций. Чем меньше интервал времени усреднения скорости, тем менее инерцион­ным должно быть ветроприемное устройство анемометра. Поэтому для подобных измерений используют специальный класс приборов - мало­инерционные.

Усредненную за более длительные промежутки (несколько десятков се­кунд или минут) скорость потока измеряют анемометрами и интегрирую­щими устройствами разнообразных типов, которые имеют также приборы для получения визуальных отсчетов и регистрирующую часть, обеспечи­вающую запись скоростей на ленту. Погрешность измерения скорости анемометром может доходить до 5 —7%, поэтому в тех случаях, когда тре­буется большая точность, например при испытаниях в аэродинамической трубе ветродвигателей и их моделей, используют трубку Пито, соединен­ную с микроманометром. На некоторых метеостанциях наряду с анемо­метром иногда еще используют флюгер Вильда, но он не дает требуемой точности измерений скорости, и практически для получения данных с целью проведения энергетичееких расчетов он непригоден.

Мгновенная скорость ветра часто определяет динамическое воздейст­вие воздушного потока на ветродвигатель. Динамические характеристи­ки потока, его порывы влияют на работу автоматических систем регули­рования и ориентации. Количество энергии, которую может выработать ветроагрегат, зависит в первую очередь от усредненной скорости ветра за определенный интервал времени и по всему сечению потока, равному площади поверхности, ометаемой ветроколесом. Именно эта скорость в основном определяет также режимы работы агрегата.

Средняя скорость ветра v за выбранный промежуток времени Т = t2—t1 определяется отношением суммы измеренных значений мгновен­ной скорости Vj к числу измерений n:

 Среднесуточную скорость vсут находят делением на 24 суммы среднеча­совых скоростей v4, а среднегодовую vr — делением на 365 суммы всех

vcyT за год.

Средние значения скоростей в рассматриваемом районе, как правило, определяют по данным наблюдений на метеостанциях, а в ряде случаев — по материалам анеморазведок. В зависимости от категории и класса метеостанции, требований и особенностей объектов, находящихся побли­зости от обслуживающих станций, метеорологические сроки наблюдений за скоростью ветра устанавливаются различные. Чаще всего приняты интервалы в 3, 4 или 6 ч с измерениями в определенное время, но на части метеостанций и специальных объектов ведут непрерывную запись ско­ростей (например, на Московской и других телебашнях, при некоторых аэропортах, в зонах с аномальным ветровым режимом и т.д.) или прово­дят ежечасные наблюдения.

Класс открытости метеостанции, степень защищенности (затененности препятствиями) анемометра учитывают при измерениях скорости ветра различных направлений (по румбам). Для классификации станций поль­зуются специальной методикой, предложенной В.Ю. Милевским, которая изложена в литературе по метеорологии. Методика обеспечивает возмож­ность лучшей сопоставимости наблюдений, их репрезентативности для обслуживаемой зоны. На метеостанциях получают и накапливают доста­точно точные для практики сведения о среднепериодных скоростях, ко­торые в сравнении с данными, вычисленными по среднечасовым скорос­тям, дают относительно небольшую погрешность. Надо иметь в виду, что на показания анемометров влияют их расположение, макро- и микро­рельеф местности, класс открытости метеостанции. Это следует учиты­вать при пересчете скоростей для определенной высоты и для каждого конкретного района, где предполагается установка ветроагрегата, даже если он расположен сравнительно недалеко от станции.

Средние скорости ветра меняются в различное время суток, разные ме­сяцы и сезоны. Поэтому рассматривают суточный, месячный и сезонный ход скоростей, определяющий общую тенденцию их изменения в ука­занные периоды и оценивающий макроструктуру воздушного потока. Предельные значения скоростей ветра, данные об его интенсивности и микроструктура потока в различных точках его поперечного сечения и продольного вектора за относительно короткие интервалы времени яв­ляются важными режимными характеристиками ветра, используемыми в расчетах на прочность и долговечность агрегатов, при проектировании механизмов привода, систем регулирования и ориентации, схем совмест­ного использования с другими установками и др.

Важной характеристикой является вертикальный профиль ветра, т.е. изменения его скорости по высоте в приземном слое. Влияние зем­ной поверхности на скорость и направление ветра уменьшается по мере увеличения высоты. Поэтому скорость обычно возрастает, а порывис­тость и ускорения потока снижаются. Градиент скоростей летом, как правило, меньше, чем зимой, когда вертикальный перепад температур относительно небольшой. При адиабатическом градиенте температуры в нижних слоях атмосферы вертикальный профиль ветра v (К) аппроксими­руется зависимостями вида

Важнейшее значение для надежности и долговечности ветроэнергети­ческой установки имеют значения предельных скоростей ветра в зоне. \ Они определяют принимаемые расчетные нормативы при проектировании узлов и конструкций установки на прочность, параметры регуляторов, аэродинамические характеристики лопастей. При определении расчетных значений максимальных скоростей ветра различной вероятности, поль­зуются формулой Л.С. Гандина и Л.Е. Анапольской

где F(x) — вероятность того, что v превзойдет заданное значение х; (1, у - параметры уравнения, зависящие от характеристик зоны и режи­мов ветра; е — основание натурального логарифма.

Для оценки относительной скорости ветра в метеорологической прак­тике используют коэффициент, %,

где - — измеренная в определенный час скорость; v - средняя скорость за выбранный промежуток времени; vmax> vmin — экстремальные значе­ния скорости ветра за этот период.

Линии, соединяющие точки на карте, имеющие равные величины К', называются изоплетами.

Энергия Е воздушного потока с поперечным сечением F, Дж:

E = mv2/2.                                                                                      

Секундная масса т воздуха, протекающая со скоростью v через это сече­ние, кг/с:

m =pFv.                                                                                          

Подставляя E в m, получаем, Дж/с,

E = pv3F/2,                                                                                     

где р — плотность воздуха, равная для нормальных условий 1,23 кг/м3 (при t = 15 °С и р = 101,3 кПа или 760мм рт. ст.).

Таким образом, энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. Ветроколесо может преобразовать в полезную работу только часть этой энергии, которая оценивается коэффициентом использования энергии ветра £. Для идеального крыльчатого ветроколеса максимально достижимая величина £, рассчитанная по классической теории Н.Е. Жу­ковского и теории Г.Х. Сабинина, равна соответственно 0,593 и 0,687. Современные ветродвигатели при работе в номинальном (расчетном) режиме преобразуют в механическую работу не более 45 — 48% кинетической энергии ветрового потока, что вызвано различными потерями и другими причинами. Кинетическая энергия, которой потен­циально обладает ветровой поток, зависит от скорости ветра v, температуры воздуха t и атмосферного давления р. Удельная мощность (секунд­ная энергия), которая заключена в потоке, имеющем поперечное сечение, равное 1 м2, при t = +15°С и p= 101,3 кПа округленно составляет:

Скорость ветра, м/с.......     4        6        8         10      14        18      22

Мощность потока, кВт/м2   ...     0,04   0,13   0,31    0,61    1,67     3,6    6,25

По отношению к этим условиям изменение температуры воздуха от + 15 до 0 °С повышает мощность потока примерно на 6%, а при t = +30 °С энергия, заключенная в потоке, наоборот, снижается на 5%. При постоян­ной температуре воздуха 0°С изменение атмосферного давления, напри­мер, от 103,7 до 97,3 кПа (от 770 до 730 мм рт. ст.) снижает энергию по­тока примерно на 6%.

  §1.3ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА И РАБОТЫ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ

Воздушный поток, как и любое движущееся тело, обладает энергией движения, или запасом кинетической энергии. Последняя с помощью ветроколеса или другого рабочего органа преобразуется в механическую энергию. В зависимости от назначения ветроустановки механическая энер­гия с помощью исполнительных механизмов (генератора, компрессора, электролизера и т.д.) может быть преобразована в электрическую, тепло­вую или механическую энергию, а также в энергию сжатого воздуха. Согласно (3.7) — (3.9) секундная кинетическая энергия Е воздушного потока с площадью поперечного сечения F, имеющего массу т, плот-яость р и скорость v, равна pFv3/2. Замечая, что F - ПR2, и сделав соот­ветствующие подстановки, получим, Н*м/с,          

Рис1.1. Карусельный ветродвигатель-шторка

Рис   1. 2.   Модель карусельного ветродвигателя с поворачивающимися лопастями

1 -     вертикальная ось; 2 - горизонтальные планки; 3 - поворачивающиеся лопасти; 4 -ось лопасти

Следовательно, секундная энергия, или мощность воздушного потока, пропорциональна его плотности, плошали поперечного сечения и кубу скорости.

Часть полной энергии потока, воспринятой ветроколесом, которую вет­родвигатель преобразует в механическую энергию, оценивается коэффи­циентом использования энергии ветра

 который зависит от типа ветродвигателя и режима его работы.

Секундная работа или мощность, Н-м/с, развиваемая ветроколесом, оп­ределяется по формуле

Р= pv3F

Так как плотность воздуха очень мала (в 800 раз меньше плотности воды), то для получения относительно больших мощностей приходится применять ветродвигатели со значительной поверхностью ветроколеса. Постоянные изменения скорости v приводят к тому, что мощность, раз­виваемая двигателем, изменяется в очень больших пределах: от нуля во время штиля до величины, в десятки раз превосходящей установленную мощность, на которую рассчитывают ветродвигатель при расчетной ско­рости ветра. Для преобразования кинетической энергии воздушного потока в меха­ническую энергию могут быть использованы ветродвигатели различных типов. Первыми (примерно в XVIII в. до н.э.) появились, по-видимому в Персии и Китае, двигатели с вертикальной осью вращения, как наиболее простые. Они получили название карусельных. Чтобы получить вращаю­щий момент на оси, лопасти, движущиеся навстречу ветру, должны быть прикрыты шторкой (рис. 4.3) или поворачиваться ребром к потоку (рис. 4.4). Для этого они укрепляются на оси с помощью шарниров и на активном участке пути (в зоне А) фиксируются в нужном положении специальными устройствами (упорами).

Рис. 1.3. Роторный ветродвигатель

Рис. 1.4.  Барабанный ветродвигатель

Разновидностью двигателей карусельного типа являются роторные двигатели, у которых рабочие поверхности выполнены не плоскими, а криволинейными (рис. 4.5). Поэтому давление на них при движении по направлению действия потока и против него разное, что и обусловлива­ет возникновение вращающего момента. Двигатели с плоскими рабочи­ми поверхностями, вращающимися относительно горизонтальной оси, получили название барабанных (рис. 4.6).

Все перечисленные типы двигателей работают в результате наличия разности сил лобового давления, образуемых относительно оси враще­ния. При этом нетрудно показать, что наибольшую мощность двигатель развивает в том случае, когда рабочая плоскость, воспринимающая давле­ние ветра, движется по направлению потока со скоростью, примерно рав­ной 1/3 его скорости. Большинство из указанных типов двигателей имеет весьма простую конструкцию, но тем не менее они не нашли широкого распространения из-за своей тихоходности, громоздкости, малого значе­ния коэффициента использования энергии ветра ij (в лучших условиях он не превышает 0,18), больших трудностей, возникающих при необходи­мости оборудования их системами автоматического регулирования разви­ваемой мощности и частоты вращения.

В последние годы в ряде зарубежных стран (США, Канаде, Аргентине, Великобритании и др.) большое внимание привлекли к себе ветродвига­тели с вертикальной осью вращения, предложенные в 30-х годах фран­цузским изобретателем Дарье. Этот ветродвигатель (рис. 4.7) отличает­ся тем, что его ветроприемное устройство — ротор состоит из двух-четы­рех изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении аэродинамичес­кий профиль. Лопасти, закрепленные в точках А и Б на оси вращения, изогнуты так, что образуют пространственную конструкцию, вращаю­щуюся под действием подъемной силы, возникающей на лопастях от ветрового потока. Это позволяет повысить величину £ до 0,3—0,32. Пре­имуществами такого ветродвигателя являются его меньший относитель­ный вес на единицу мощности, чем у других типов двигателей с верти-

риc. 1.5. Ветродвигатель (ротор) системы Дарье:

1 -     лопасти; 2 - вал; 3 - растяжки; 4 - опора; 5 - привод

кальной осью вращения, большая быстроходность. Кроме того, в отли­чие от двигателей с горизонтальной осью система Дарье не нуждается в механизме ориентации по направлению ветрового потока.

Более совершенными двигателями являются так называемые крыль-чатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения ветроколеса, ра­бочий момент на котором создается за счет аэродинамических сил, воз­никающих на лопастях, которые в простейших конструкциях представ­ляют собой плоскости. В современных агрегатах применяют лопасти, имеющие специальный аэродинамический профиль. Они появились при­мерно в IV—III в. до н. э. в Александрии [321.

Рис. 1.6. Принципиальная схема ветродвигателя крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения:

/ - редуктор; 2 - генератор; 3 - вертикальный вал

Рис. 1.7. Принцип работы ветроколеса:

а - подъемная сила крыла Ру; б - план скоростей воздушного потока и сил, действующих на лопасть

Такие ветродвигатели более быстроходные, имеют меньшую относительную массу, снабжены устройствами, автоматически регулирующими развиваемую мощность, ограничивающими частоту вращения и ориентирующими ось вращения ветроколеса по направлению вектора скорости потока. Коэф­фициент использования энергии ветра у них примерно в 3 раза выше, чем у двигателей карусельного, роторного и барабанного типов.

В большинстве стран производят и применяют только крыльчатые вет­родвигатели. Двигатели других типов изготовляют обычно кустарным пу­тем или производят в очень небольших количествах. Поэтому в дальней­шем мы будем рассматривать только агрегаты и установки с двигателями крыльчатого типа. Основным рабочим органом такого двигателя являет­ся ветроколесо с лопастями, расположенными по радиусам и под некото­рым углом tp к плоскости вращения. Число лопастей может быть различ­ным и зависит от назначения двигателя. При обтекании воздушным пото­ком крыла под ним создается зона повышенного давления, а над ним, напротив, пониженного. Это обусловливает возникновение подъемной силы Pv, которая создает вращающий момент на ветроколесе

Электрические зарядные ветроагрегаты, предназначенные для зарядки аккумуляторов с целью освещения жилищ чабанов, полевых станов, юрт оленеводов, палаток и домиков различных экспедиций, а также для пита­ния сигнальных устройств, радиоузлов, приемников и телевизоров, обыч­но имеют мощность 1 кВт и используются в неэлектрифицированных, удаленных от линий электропередачи и малонаселенных районах, где vv > 3,5 м/с. Агрегаты мощностью от 50 Вт до 1,5 кВт применяют также в качестве энергоустановок для питания устройств катодной защиты ма­гистральных нефте- и' газопроводов, морских эстакад, питания автома­тических метеостанций и опреснительных установок индивидуального пользования. Агрегаты снабжены аккумуляторными батареями низкого напряжения (6—24 В), которые работают в буферном режиме.

Агрегат АВЭУ-2 (прежняя марка — АВЭС-0,1) имеет следующие узлы (рис. 5.26): ветроколесо 1 диаметром 2 м, головка 2, хвост 3, стойка 4 и электрический щиток с аккумуляторной батареей. Стойка головки при­креплена к опорному столбу 5 и растяжками 6, на котором укреплен ры­чаг ручного управления, с помощью которого, тормозя вал генератора, останавливают агрегат.

Ветроколесо имеет две металлические лопасти, поворачивающиеся в подшипниках втулки, закрепленной- на валу генератора. Центробежный регулятор работает по такому же принципу, как 'и агрегат «Беркут». В зависимости от скорости ветра и величины нагрузки частота вращения изменяется в диапазоне от 300  до 800 об/мин.

На стойке, несущей ферму с хвостовым оперением, закреплен генера­тор с возбуждением от постоянных магнитов. В нем расположены трех­фазная неподвижная статорная обмотка и ротор в виде восьмиполюсного постоянного магнита. Они размещены в корпусе из алюминиевого сплава. В зависимости от способа соединения обмоток генератор вырабатывает ток напряжением 26 или 15 В.

Генератор соединен с электрическим щитком трехжильным кабелем, пропущенным сквозь трубу стойки, которая может поворачиваться в

Таблица 1

Полезная мощность и подача агрегата «Сокол», м3/чупорном шарикоподшипнике и направляющей втулке. Щиток имеет один-два селеновых выпрямителя, собранных по трехфазной двухполу-периодной схеме, амперметр для контроля работы агрегата, выключатели, предохранитель и зажимы для присоединения нагрузки к аккумулятор­ной батарее (рис. 5.27). Транзисторный преобразователь используется для питания телевизора.

Рис.1.9. Электрическая схема агрегата АВЭУ-2:

/ - ветроэлектроагрегат; 2 — электрощит; 3 - преобразователь; 4 - телевизор; 5 - радиоприемник;  6 - аккумуляторные батареи;   7 - электрическое освещение

Рис. 1.10. Электрический агрегат Д-4 для зарядки аккумуляторных батарей

Для предохранения батарей от перезаряда и выкипания электролита предусмотрена релейная автоматика, которая подключа­ет к генератору дополнительную нагрузку при достижении напряжения аккумулятора 15 В и избытке мощности. Этим снижаются напряжение и ток заряда до 0,5 - 1 А.

Агрегат работает с аккумуляторными батареями 6СТ-128 или ЗСТ-84 напряжением 6,12 или 24 В.

Агрегат Д-4 представляет интерес как пример весьма прос­того по конструкции и устойчивого в работе устройства для получения электрической энергии. Он имеет ветроколесо с регулятором частоты вра­щения, редуктор, генератор, опору с хвостом, опорный столб с растяж­ками и рычагом механизма ручного пуска и останова, а также электри­ческий щиток. Простейший по конструкции редуктор и генератор постоян­ного тока мощностью 750 Вт составляют головку Колесо и ре­гулятор по принципу действия такие же, как у агрегата «Беркут».

ГЛАВА 2

ВИДЫ ЭНЕРГИИ МИРОВОГО  ОКЕАНА

§2.1ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ОКЕАНСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Резкое увеличение цен на топливо, трудности с его полу­чением, сообщения об истощении топливных ресурсов — все эти видимые признаки энергетического кризиса выз­вали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энер­гии Мирового океана.

Естественно, этот интерес особенно велик в странах, не обладающих достаточными собственными топливными ресурсами, т. е. запасами нефти, газа, угля и пр. Напри­мер, в Японии осуществляется национальная программа «Солнечный свет», которая предусматривает к 2000 г. покрытие более 70 % всего энергетического потребления страны за счет новых источников энергии, в том числе — за счет энергии океана. В Англии на исследования в этой области  было выделено 13 млн. фунтов стерлингов. Предполагается, что наилучший прин­цип преобразования энергии волн ляжет в основу буду­щих мощных волновых электростанций, способных обес­печить значительную часть (до 30 %) потребности этой страны в электроэнергии. В Норвегии реализуется про­грамма по использованию энергии морских волн; па ис­следования в этой области израсходовано 10 млн. крон. Ведется строительство двух опытных волновых электро­станций, каждая из них будет ежегодно производить около 1,5 млн. кВт-ч электроэнергии предположительной сто­имостью не более 0,6 крон за 1 кВт-ч.

В разных видах аккумулирует энергию Мировой океан. Вопрос состоит в том, чтобы найти оптимальные способы  ее использования.

По оценкам разных авторов, доступная часть энергии Мирового океана, т. е. та часть, которая может быть практически использована при современном уровне тех­ники преобразования, во много раз превышает уровень современного потребления энергии в мире, который определяется цифрой около 3-1020 Дж в год (44,8 % от этой цифры покрываются нефтью; 32,4 — углем; 20 — газом; 2,8 % — энергией,   вырабатываемой   гидро-  и  атомными станциями). Больше всего в океане тепловой энергии, по­скольку океан — гигантский тепловой аккумулятор энер­гии Солнца.

Страницы: 1, 2, 3, 4