Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии туристической базы пансионата "Колос"

3.2 Энергия ветра

3.2.1 Обзор ветроустановок

Ветер – один из нетрадиционных источников энергии. Ветер рассматривается специалистами как один из наиболее перспективных источников энергии, способный заменить не только традиционные источники, но и ядерную энергетику.

Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ:

·          Экологически чистое производство без вредных отходов;

·          Экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для атомных станций);

·          Доступность;

·          Практическая неисчерпаемость.

В ближайшем будущем ветер будет скорее дополнительным, а не альтернативным источником энергии. По оценкам зарубежных специалистов (в частности США, достаточная конкурентоспособность ветроэнергетических установок по сравнению с традиционными типами электростанций может быть обеспечена при сокращении стоимости ВЭУ примерно в два раза и повышении их надежности в 3-5 раз. Во многих странах мира (США, ФРГ, ДАНИЯ, ИТАЛИЯ, ВЕЛИКОБРИТАНИЯ, НИДЕРЛАНДЫ и др.) ассигнуются значительные государственные средства на НИОКР в области создания ВЭУ. Особое внимание при проведении этих работ уделяется повышению надежности установок, их безопасности, снижению шума, уменьшению помех теле- и радиокоммуникаций.

В настоящее время можно выделить следующие сановные направления использования энергии ветра:

·   Непосредственная выработка механической или тепловой энергии (ветротепловые, ветронасосные, ветрокомпрессорные, мельничные и т.п. установки);

·   Удовлетворение потребностей в электроэнергии мелких предприятий, фирм, учреждений и т.п.

В Дании к примеру в 1994 г. действовало приблизительно 3600 ветровых энергетических установок , обеспечивая 3% общей потребности в электроэнергии. В Калифорнии (США) действует 15 000 ВЭУ, обеспечивающих электроэнергией жителей Сан-Франциско. На конец 1997 г. в мире было приблизительно 20 000 ВЭУ, вырабатывающих 3000 МВт/ч электроэнергии в год. В 80-х годах удельная стоимость ВЭУ составляла 3000 дол/кВт, а стоимость вырабатываемой электроэнергии более 20 центов/(кВт/ч)./р.и./ В дальнейшем за счет усовершенствования ВЭУ удельная стоимость снизилась до 1000-1200 дол/кВт, а стоимость производимой электроэнергии до 7-9 центов/(кВт-ч). Для сравнения на новых ТЭС, работающих на газе и угле, она составляет 4-6 центов/(кВт-ч). Многие американские и европейские компании, многие правительства успешно продвигают ветровую технологию, понимая ее значимость. Так, в Калифорнии в 1987 г. установленная мощность ВЭУ составляла 13% по отношению к общей генерирующей мощности, а в 1990 г. - 24%.

В настоящее время наибольшее распространение получают ВЭУ мощностью 300-750 кВт по сравнению с ранее применявшимися ВЭУ мощностью 100кВт. В новых конструкциях ВЭУ используется аэродинамический профиль ветрового колеса, изготавливаемого из синтетических материалов. Насыщается конструкция многими электронными устройствами, включая контроль за изменением скорости ветра, обеспечивающими эффективность использования ветра. Новые конструкции лучше приспособлены к режиму ветра, в 1994 г. стоимость вырабатываемой электроэнергии уже составила 4-5 центов/(кВт-ч).

В США планируется использовать энергию ветра (кроме Калифорнии) в штатах Миннесота, Монтана, Нью-Йорк, Орегон, Техас, Вермонт, Вашингтон, Висконсин и др. ВЭУ занимают в настоящее время 0,6% площади страны. При использовании ветра в 48 штатах может быть выработано до 20% потребности в энергии США. Теоретические расчеты показывают, что в трех штатах: Северная и Южная Дакота и Техас потребность в электроэнергии может быть полностью обеспечена за счет энергии ветра.

В Северной Германии стоимость вырабатываемой ВЭУ электроэнергии составляет 13 центов/(кВт•ч). Предполагалось к 1995 г. ввести вэу общей мощностью 500 МВт и уже в первой половине 1994 г. установленная мощность ВЭУ составила 95 МВт.

В Индии наибольший ветряной бум, поддержанный правительством, начался в 1994 г. Уже в середине 1994 г. было ведено в эксплуатацию 120 МВт и в течение последующих 12 мес. должно быть введено еще 970 МВт. В результате выполнения этой программы в некоторых регионах Индии располагаемая генерирующая мощность возросла в десятки раз.

В Китае, Новой Зеландии, Швейцарии, Канаде и на Кубе официально приступили к осуществлению проектов строительства ВЭУ.

На Украине с помощью американских фирм предусматривается строительство ВЭУ общей мощностью 500 МВт.

Среди стран, которые еще имеют возможность развития ветроэнергетики, следует указать Аргентину, Канаду, Китай, Россию, Мексику, Южную Америку и Тунис, где возможно за счет энергии ветра покрывать до 20% потребности в электроэнергии.

Наконец, 20 малых субтропических стран, где потребности в электроэнергии удовлетворяются за счет дорогих дизель-генераторных установок, имеют возможность развивать использование ветра.

Развитие ветроэнергетики как источника энергии в некоторых странах сталкивается с противодействием. С одной стороны, ветровые фермы занимают большие площади. С другой стороны, возникают проблемы, связанные с изменением ландшафта при строительстве ВЭУ. Площади, занимаемые ВЭУ, могут быть использованы для сельскохозяйственных нужд. Стоимость 1 га земли в зависимости от регионов может составлять от 100 до 2500 дол. и более. Опыт подсказывает, что требования сохранения эстетики в большинстве случаев могут быть решены.

Другой проблемой, связанной со строительством ВЭУ, возникшей в 1994 г. стала потенциальная возможность гибели птиц на путях их миграции. Орнитологи указывают, что некоторые пути миграции птиц проходят через площади, занимаемые ВЭУ. В связи с этим возникла необходимость провести научные исследования для понимания природы и масштабов проблемы. Эксперты надеются на успешное ее решение.

Немаловажными проблемами также являются влияние уровня шума, создаваемого установкой и влияние работы ВЭУ на системы радиосвязи.

Еще одной из проблем ветроэнергетики является то, что регионы, благоприятные для использования энергии ветра, удалены от крупных индустриальных центров, а строительство новых линий электропередач потребует значительных затрат времени и средств. Так, по расчетам специалистов линия электропередачи для передачи мощностью 2000 МВт на 2000 км может стоить 1,5 биллиона дол.

В СССР, а затем в России, ветроэнергетика отстает от ведущих капиталистических стран, хотя географическое положение нашей страны наиболее благоприятно для использования именно этого вида ВИЭ. Особенно справедливо это для степных районов России, к которым относится Республика Бурятия.

Суммарная кинетическая энергия ветра на Земле оценивается величиной порядка 0,7×1021 Дж /16/. Однако большая часть этой энергии выделяется над океанами. Тем не менее, как уже отмечалось, над равнинами, не покрытыми лесами, энергия ветра также довольно высока. Кроме того в такой местности ветер отличается большей устойчивостью, что особенно важно для работы ветроэнергетических установок.

Ниже приведены некоторые из ветроустановок различных мощностей, используемых в мире.

3.2.2 Определение основных параметров ветроэнергетики

Удельная мощность ветрового потока Nудi(Vi), проходящего через 1 м2 поперечного сечения определяется по формуле/8/:

 (3.3.)

где:  - заданная плотность воздуха при нормальных условиях  

V - скорость ветра, м/с;

Таким образом мощность ветра пропорциональна его скорости в третьей степени, и для оценки этой мощности достаточно иметь информацию о скорости ветра.

В России имеются метеорологические службы, занимающиеся регистрацией скорости ветра , следовательно имеются достаточно достоверные статистические данные о его скорости. Однако при этом следует помнить, что на метеостанциях скорость ветра измеряется на высоте 10 м над поверхностью Земли в данной местности. Поэтому если ветроколесо находится на другой высоте, то скорость ветра следует пересчитать по следующей эмпирической формуле /16/:

, (3.4.)

где: Vh - скорость ветра на высоте h, м/с;

V - скорость ветра по данным метеостанции, м/с;

h - высота оси ветроколеса, м;

b - эмпирический коэффициент.

Для открытых мест параметр b=0,14 /16/. На основании статистических метеорологических данных определены параметры энергии ветра в течение года (табл.3.3.1.).

Таблица 3.4 Вероятность скорости ветра по градациям (в % от общего числа случаев)/9/

Из таблицы 3.4. видно, что наиболее вероятные скорости ветра равны 4 - 12 м/с. Удельная энергия, при этом, определялась с учетом вероятностного характера скорости ветра по формуле :

 (3.5.)

где: Nуд - удельная мощность ветра ,Вт/м2 ;

Vi - i-тая скорость ветра, м/с;

ti(Vi) - вероятность действия i-той скорости ветра во время t.

Для проектирования электроснабжения важным параметром является продолжительность штиля (V£1м/с). Из таблицы 3.4. определяем, что вероятность практического штиля в нашей зоне составляет 0,14 -0,30 в зависимости от времени года, однако максимальное количество идущих подряд штилевых дней для Республики Бурятия равно четырем /8/.Это обстоятельство следует учитывать при проектировании ветроэлектрических установок и определения глубины аккумулирования электроэнергии.

Как видно из данной главы Байкальский регион имеет колоссальный ресурс возобновляемых источников энергии, причем как солнца, так ветра, что позволяет с достаточной эффективностью внедрять установки на основе ВИЭ.

4. Технологическая часть

Как показал опыт эксплуатации экодомов, для отопления зданий в условиях Сибири /9/, использование активных солнечных систем неэффективно. Учитывая тот факт, что Гостевой дом будет использоваться в основном в летнее – осенний период целесообразнее будет использовать комбинированную систему теплоснабжения, т.е. для отопления предлагается использовать пассивную солнечную систему, а для горячего водоснабжения – солнечные коллектора с теплоносителем вода.

На рис. 4.1. представлена схема системы солнечного теплоснабжения.

Рис. 4.1.Схема системы солнечного теплоснабжения.

1-солнечный коллектор, 2- бак аккумулятор горячей воды, 3- теплообменник, 4- здание с напольным отоплением, 5- дублер, 6- пассивная солнечная система, 7- галечный аккумулятор, 8- заслонки, 9- вентилятор, 10- подача теплого воздуха в здание, 11-подача рециркуляционного воздуха из здания.

4.1 Обзор пассивных систем солнечного отопления

Пассивная система солнечного отопления проста по конструкции и имеет высокую эффективность, система способна обеспечить до 60 % загрузки отапливаемых сооружений /18/.

Сооружение с пассивным использованием теплоты солнечной радиации можно определить как построенную с учетом климатических процессов данной местности систему отопления, использующую строительные элементы, максимально аккумулирующую энергию солнечного излучения для обеспечения микроклимата в помещении, в соответствии с нормами проектирования.

Пассивные гелиосистемы условно разделяют на открытые и закрытые.

В открытых системах лучи солнечного излучения проникают в отопительное помещение через оконные проемы (увеличенных размеров) и нагревают строительные конструкции помещения. Последние при этом являются приемниками и аккумуляторами теплоты.

Такие системы очень просты, но имеют недостатки, а именно: неустойчивость теплового режима; в ряде случаев из-за интенсивной инсоляции возникает некомфортное состояние в помещении; необходимость использования дополнительной нагревательной системы.

В закрытых системах поток солнечной радиации в помещение не проникает, а поглощается приемником солнечной радиации, совмещенного с наружными ограждающими конструкциями. Такая система выполняет как функции основного конструктивного назначения (элементы сооружения), так и функции приема, аккумулирования и передачи теплоты.

Тепловоспринимающая конструкция, как правило, является и аккумулятором теплоты.

Схема сооружения с открытой системой отопления показана на рисунке 4.2. В помещении такого сооружения высока неравномерность суточных температур. При отсутствии инсоляции имеет место резкое охлаждение объема помещения.

Схема закрытой пассивной системы без циркуляции теплоносителя (по проекту А. Е. Моргана) показана на рисунке 4.3. В дневное время поток солнечной радиации нагревает массивную стену сооружения, которая ночью отдает свою теплоту внутреннему объему его. Из-за отсутствия циркуляции воздуха в помещении (или недостаточной циркуляции) внутренний воздух в помещении нагревается неравномерно: около стены теплоприемника воздуха температура наибольшая; при удалении от стены температура его уменьшается значительно.

Аналогично предыдущей является схема пассивного использования теплоты солнечной радиации для отопления, которая спроектирована Г. Хеем. В качестве тепловоспринимающего элемента служит металлическое покрытие, на котором лежат большие черные маты, наполненные водой.

Днем маты с водой открыты для нагрева солнечными лучами. На ночь маты закрываются изолированными панелями с помощью автоматического устройства, которое реагирует на сигнал реостата. Поэтому теплота, аккумулированная матами, передается в основном вниз, т. е. в помещение. Система Г. Хея более эффективно работает в широтах между 45° южной широты и 45° северной широты, в которых солнце находится высоко в небе и где зимы умеренные, а низкие температуры наблюдаются редко.

Примером пассивной закрытой системы с циркуляцией теплоносителя через тепло воспринимающую стену может быть система, приведенная на рисунке 4.4. (солнечный дом Ф. Тромба и Дж. Мишеля). Роль поглотителя и аккумулятора теплоты солнечной радиации играет обращенная на юг массивная бетонная стена дома, покрашенная в темный цвет и отделенная от наружного воздуха одинарным, двойным или тройным остеклением. У верхней и нижней частей стены находятся каналы для циркуляции теплоносителя (воздуха помещения).

Под воздействием солнечного излучения воздух, находящийся в промежутке между стеной и светопроникающим ограждением, нагревается и поступает через верхние каналы в помещение. Этот воздух замещает прохладный, поступающий из помещения через нижние каналы. Тем самым создаются условия для естественной циркуляции воздуха и обеспечивается более равномерная температура в помещении. Ночью, аккумулированная стеной теплота, передается помещению.

В жаркий период года стена Тромба—Мишеля является источником дополнительной теплоты, что создает некомфортные условия для тех, кто находится в помещении. Поэтому целесообразно на наружной поверхности стены уложить тепловую изоляцию, а в межстекольном пространстве — тепловоспринимающий экран из материала с высокой теплопроводимостью, чтобы теплота могла свободно передаваться в пространстве между экраном и стеной. Тепловоспринимающий экран нагревается до температуры 0...120°С и вследствие этого естественная конвекция воздуха становится интенсивной. Тепловые потери при этом сводятся до минимума. В жаркий период тепловая изоляция на наружной поверхности стены предотвращает дополнительное нагревание помещений.

Интенсивное движение воздуха около пола помещения и особенно вблизи канала и стены является источником дискомфорта у людей и может влиять на состояние их здоровья. Поэтому перед выходным отверстием необходимо установить защитный экран.

Заслуживает внимания предложение Д. Шахурди. Пространство между светопроникающим ограждением и стеной рекомендуется выполнить достаточно большим, с тем чтобы использовать его для выращивания растений. Стекла покрыты тонкой пленкой, в которой коэффициент проникновения солнечного луча меняется в зависимости от температуры. При низкой температуре пленка пропускает около 95 % солнечной радиации, если последняя падает на нее под прямым углом. В теплом состоянии она малопрозрачна. В результате солнечная теплота поступает в теплицу не только в солнечную, но и в холодную погоду.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6