VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Прогресс в современном человеческом обществе невозможен без активного потребления энергии, необходимой для успешного развития промышленности, сельского хозяйства и повышения уровня комфортности жизни. За последние десятилетия потребление энергии на душу населения возросло в десятки раз. В этой ситуации активное получение энергии за счет традиционных видов углеводородного топлива (уголь, газ, нефть) привело к резкому сокращению их запасов и одновременно к загрязнению окружающей среды. Однако, разведанные мировые запасы традиционного углеводородного топлива, по оценкам экспертов, способны удовлетворить мировую потребность лишь на следующие 60 лет. Прогрессирующее исчезновение традиционного топлива, которое наблюдается повсеместно, вынуждает людей искать альтернативные нетрадиционные подходы к использованию энергии. К таким источникам энергии можно отнести энергию возобновляемых источников (солнца, ветра, геотермальная энергия, энергия биомассы, малых горных водотоков, энергия волн и т.д.) Это те источники, которые практически находятся повсеместно, экологически чистые и имеют огромный потенциал.

Развитие энергетики, основанной на местных источниках энергии, является одним из самых приоритетных и актуальных направлений. Одно из таких источников – ветроэнергетика. Эта отрасль специализируется на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве.

В качестве преобразователей в основном используются ветроэнергетические установки (ВЭУ).

Преимущества:

• выработка экологически чистой энергии. Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 т СО₂, 9 т SO₂ и 4 т оксидов азота [1];

• небольшие эксплуатационные расходы, легкость эксплуатации.

Недостатки:

• непредсказуемость количества выработки энергии вследствие нестабильности силы ветра;

• экономически целесообразно применение только на тех территориях, где среднегодовая скорость ветра превышает 5 м/с.

По типу присоединяемых потребителей они подразделяются на бытовые и промышленные. В зависимости от геометрии ветроприемного устройства и его положения относительно направления потока ветра ветроэнергетические установки классифицируются на ВЭУ с горизонтальной или вертикальной осью вращения и безлопастные.

Наиболее широко в настоящий момент в качестве ВЭУ применяются трехлопастные ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения и синхронным двигателем [2…9], принципиальная схема работы которых приведена на рисунке.

Принципиальная схема промышленной трехлопастной ветроэнергетической установки с синхронным двигателем и горизонтальной осью вращения: 1 – лопасть; 2 – ступица; 3 – обтекатель; 4 – гондола (машинное отделение); 5 – редуктор; 6 – резервный тормоз; 7 – гидродинамическое соединение; 8 – генератор; 9 – измерительное оборудование; 10 – азимутальный тормоз; 11 – башня; 12 – поворотный механизм; 13 – азимутальный привод; 14 – тормоз; 15 – автоматический ввод резерва; 16 – фундамент башни; 17 – переключатель и предохранители; 18 – контроллер генератора; 19 – блок аккумуляторов; 20 – инвертор

Принцип работы ВЭУ заключается в преобразовании лопастямикинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения вала ветроприемного устройства, с последующей передачей её ротору генератора. В генераторе 8 происходит преобразование механической энергии вращения ротора в электрическую энергию. Вырабатываемый в генераторе переменный ток направляется в выпрямитель переменного тока, где он преобразуется в постоянный ток и затем поступает в контроллер 18. После этого постоянный ток поступает в инвертор 20, в котором он преобразуется в переменный ток с изменением частоты и напряжения. Полученная электрическая энергия направляется через блок автоматического включения резерва (АВР) к потребителю. Блок АВР предназначен для обеспечения электрической энергией потребителя из центральной системы электроснабжения, в случае если ветроэлектрогенератор будет не в состоянии обеспечить потребителя электроэнергией в полном объеме, в периоды с фактически более низкой, чем расчетная скоростью ветра v_ветр. Аккумуляторные батареи 19 также предназначены для накопления электроэнергии и использования её при слабом ветре.

Срок окупаемости ВЭУ средней мощности при скорости ветра 8 м/с приблизительно 5…7 лет, а срок службы – 15…20 лет [3].

На основании научно-технических и опытно-конструкторских разработок в настоящее время разработанная целая серия ветровых установок разной мощности для: освещения жилых и хозяйственных помещений; отопления жилых и хозяйственных помещений; питания электроэнергией электродвигателей рабочих машин; питания бытовой электро- и телерадиоаппаратуры; катодной защиты металлоконструкций (трубопроводов); зарядки электроаккумуляторов; аэрации речек и водохранилищ; водоснабжения; питания электропастухов для животноводческих пастбищ.

Средняя мощность колеса N_в зависит от средней скорости ветра за расчётный период v_{в ср} и определяется по формуле [8]:

, кВт, (1)

где ρ – плотность воздуха, кг/м³, - коэффициент использования мощности; - радиус колеса ветрогенератора, м.

Для расчета среднегодовой мощности колеса следует использовать величину среднегодовой скорости ветра , м/с.

Номинальная мощность генератора ветроэлектрогенератора, определяется по формуле [8]:

, кВт, (2)

где η_г – коэффициент полезного действия генератора ВЭУ.

Среднее количество энергии, которую ветроагрегат выработает за год, находится по формуле [10]:

, (3)

где – среднегодовая выработка энергии ветроагрегатом, кВтч/год; – номинальная среднегодовая мощность ветроагрегата, Вт; – площадь поверхности, ометаемой ветроколесом, ; – среднегодовая скорость ветра, м/с.

Таким образом, для ветроагрегата среднегодовая выработка электроэнергии зависит от диаметра ветроколеса и среднегодовой скорости ветра.

Расчет срока окупаемости ВЭУ производится по следующей формуле:

, лет, (4)

где - закупочная стоимость ветроэлектрогенератора, руб; - среднегодовая выработка энергии ветроагрегатом, кВтч/год; - стоимость кВтч в данном регионе.

В качестве примера рассмотрим возможности использования ВЭУ в Нижегородской области. Климат нашей области, которая располагается в средней части умеренного пояса, умеренно континентальный с холодной продолжительной зимой и теплым сравнительно коротким летом. Считается, что здесь недостаточная сила ветра для их использования в энергетике, т.к. Нижегородская область находится в зоне ветров со среднегодовыми скоростями 2…4 м/с. Однако в районах, прилегающих к рекам, среднегодовые скорости ветра будут выше.

Таблица 1

Период наблюдения, месяц	Среднее значение скорости ветра, vветр, м/с	Количество наблюдений
01.02.2005 - 01.02.2015, Январь	1,9	2600
01.02.2005 - 01.02.2015, Февраль	2,2	2368
01.02.2005 - 01.02.2015, Март	2,1	2470
01.02.2005 - 01.02.2015, Апрель	2,0	2373
01.02.2005 - 01.02.2015, Май	1,8	2449
01.02.2005 - 01.02.2015, Июнь	1,5	2390
01.02.2005 - 01.02.2015, Июль	1,4	2441
01.02.2005 - 01.02.2015, Август	1,4	2451
01.02.2005 - 01.02.2015, Сентябрь	1,4	2383
01.02.2005 - 01.02.2015, Октябрь	1,7	2468
01.02.2005 - 01.02.2015, Ноябрь	2,0	2393
01.02.2005 - 01.02.2015, Декабрь	2,0	2453
Среднее значение за период 01.02.2005 - 01.02.2015	1,778	29039

Информация предоставлена сайтом "Расписание Погоды", rp5.ru

Согласно примерному расчету, для ветрогенератора марки ВЭУ-3000/5-3 с диаметром колеса 4,6 м и среднегодовой выработкой энергии в 252 кВтч/год, срок окупаемости составляет 192 года.

Заключение. Приведенные выше данные подтверждают, что использование ВЭУ на территории Нижегородской области ветросиловых установок для выработки электроэнергии является неэффективным.

Список литературы

1. Шонина Н.А. Ветроэнергетика // “Сантехника”. №2'2012.

2. Амерханов Р.А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии. – М.: КолосС, 2003. – 532 с.: ил.

3. Безруких П.П., Безруких П.П. (младший). Ветроэнергетика. Вымыслы и факты. Ответы на 100 вопросов. — М.: Институт устойчивого развития Общественной палаты Российской Федерации / Центр экологической политики России, 2011. – 74 с.

4. Германович В. Альтернативные источники энергии. – СПб.: Наука и Техника, 2011. – 320 с.

5. Елистратов В.В. Использование возобновляемой энергии : учеб. пособие / В.В. Елистратов. – СПб.: издательство Политехн. ун-та, 2008. – 224 с.

6. Лосюк Ю.А. Нетрадиционные источники энергии [Текст]: учебное пособие / Ю.А. Лосюк, В.В. Кузьмич. – Мн.: УП «Технопринт», 2005. – 234 с.

7. Милашечкина О.Н., Ежова И.К. Энергосберегающие здания. - СГТУ Саратов, 2006. – 75 с.

8. Обозов А. Возобновляемые источники энергии: учебное пособие для вузов / А.Дж. Обозов, Р.М. Ботпаев - Бишкек, 2010. – 218 с.

9. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. – 280 с.

10. Колесник Г.П. Нетрадиционные и возобновляемые источники электроэнергии. Методические указания к самостоятельной работе студентов. / Составители Г.П. Колесник, С.А. Сбитнев – Владимир, Владим. гос. ун-т. 2014. – 57 с.

Код для цитирования: Скопировать