Сила ветра

Энергия ветра

Ветер – это форма солнечной энергии. Ветры вызываются неравномерным нагревом атмосферы солнцем, неровностями земной поверхности и вращением Земли. Характер ветрового потока изменяется в зависимости от рельефа земли, водоемов и растительного покрова. Энергия ветра – это кинетическая энергия движущегося воздуха. Эту энергию ветра можно собрать. Энергия ветра - это преобразование этой энергии ветра в полезную форму энергии, такую ​​как электроэнергия с использованием ветряных турбин, механическая энергия с использованием ветряных мельниц, перекачка или отвод воды с помощью ветряных насосов и в качестве парусов для приведения в движение кораблей. Энергия ветра является возобновляемым или нетрадиционным источником энергии. Это чистый и экологически чистый источник энергии. Он доступен в больших количествах во многих частях мира. При производстве электроэнергии не образуются парниковые газы.

Общее количество экономически извлекаемой энергии ветра очень велико. Аксель Клейдон из Института Макса Планка в Германии провел «сверху вниз» расчет количества энергии ветра, начав с приходящей солнечной радиации, которая вызывает ветры, создавая разницу температур в атмосфере. Он пришел к выводу, что можно извлечь где-то между 18 ТВт и 68 ТВт (тераватт, что составляет один триллион ватт). Кристина Арчер и Марк З. Джейкобсон представили оценку «снизу вверх», основанную на фактических измерениях скорости ветра. Согласно этой оценке, на высоте 100 метров над сушей и морем доступно 1700 ТВт энергии ветра. Из этой доступной мощности можно извлечь от 72 до 170 ТВт практически конкурентоспособным способом. Позже они оценили его в 80 ТВт. Однако исследование Гарвардского университета оценивает в среднем 1 Вт/кв. м и мощность от 2 до 10 МВт/кв. км для крупных ветряных электростанций, что позволяет предположить, что эти оценки общих глобальных ветровых ресурсов завышены примерно в 4 раза.

Выработка электроэнергии из энергии ветра происходит с помощью ветряных турбин. Каждый ветряк соединен с генератором (альтернатором). Проще говоря, ветряная турбина — это противоположность вентилятора. Вместо того, чтобы использовать электричество для производства ветра, как вентилятор, ветряные турбины используют ветер для производства электричества. Ветер вращает лопасти, которые вращают вал, соединенный с генератором для производства электроэнергии. Несколько турбин соединены вместе, чтобы получить желаемую мощность. Эта сборка большого количества ветряных турбин называется ветряной электростанцией. Ветряная электростанция обычно строится там, где скорость ветра достаточна для вращения лопастей турбины.

Энергия ветра

Использование энергии ветра для производства электроэнергии растет очень быстрыми темпами. Энергия ветра использует ветряные турбины для сбора энергии движущегося воздуха и преобразования этой энергии в электричество. Принцип получения энергии ветра из энергии ветра заключается в следующем.

Суммарная энергия ветра, протекающая через воображаемую площадь A в течение времени t , определяется следующим уравнением

Где? - плотность воздуха, v - скорость ветра, Avt - объем воздуха, проходящий через точку A (которая считается перпендикулярной направлению ветра), Avt? следовательно, масса m проходит в единицу времени. Обратите внимание, что ½ ?v ² - кинетическая энергия движущегося воздуха на единицу объема.

Мощность – это энергия в единицу времени, поэтому мощность ветра, падающая на A (например, равная площади ротора ветряной турбины):

Из приведенного выше уравнения следует следующее.

• Мощность прямо пропорциональна плотности воздуха ?. По мере увеличения плотности воздуха мощность турбины увеличивается.
• Мощность прямо пропорциональна рабочей площади лопаток турбины. Если увеличить длину лопасти, соответственно увеличится радиус охвата, а значит, увеличится мощность турбины.
• Сила ветра также зависит от скорости и в открытом воздушном потоке пропорциональна третьей степени скорости ветра (v). Доступная мощность увеличивается в восемь раз, когда скорость ветра удваивается. Поэтому ветряные турбины для электроснабжения сети должны быть особенно эффективными при более высоких скоростях ветра.

Ветряные турбины

В ветряной электростанции ветряная турбина использует кинетическую энергию, присутствующую в ветре, чтобы вращать первичный двигатель генератора переменного тока (генератора) для производства электроэнергии. Когда на лопасти турбины попадает достаточный ветер, они вращаются. Лопасти соединены с ротором. Таким образом, когда лопасти движутся, ротор также движется. В ветряной турбине система шага управляет скоростью вращения ротора. Ротор соединен с низкоскоростным валом. Этот низкоскоростной вал соединен с высокоскоростным валом генератора посредством зубчатой ​​передачи. Система передач повышает скорость вращения вала генератора до нормальной скорости обычного генератора. Этот высокоскоростной генератор производит электричество.

Ветряные турбины также состоят из контроллера, когда запускать или останавливать машину. Обычно ветряные турбины работают в диапазоне скоростей ветра. Когда скорость ветра пересекает нижний предел, турбина запускается и автоматически останавливается, когда скорость ветра достигает верхнего предела, также известного как скорость ветра выживания. Все ветряные турбины рассчитаны на эту максимальную скорость ветра (скорость выживания)

Ветряные турбины имеют анемометр, который определяет скорость ветра и регулярно отправляет информацию контроллеру о том, высока ли скорость ветра или нет. Тормоз срабатывает в аварийных ситуациях, чтобы остановить ротор механически, электрически или гидравлически. Ветряная турбина также содержит флюгер, привод рыскания и двигатель рыскания. Их функции заключаются в том, чтобы измерять направление ветра и регулировать ветряные турбины, чтобы они оставались впереди ветра при изменении направления ветра.

Как правило, ветряные турбины бывают двух видов. Ветряная турбина с горизонтальной осью (HAWT) и ветряная турбина с вертикальной осью (VAWT). Горизонтальная ось разделена на наветренную и попутную, а вертикальная ось разделена на лобовое сопротивление и подъемную силу.

В ветряной турбине HAWT вал турбины и генератора переменного тока выровнены горизонтально, а лопасти турбины расположены в передней части турбины, что означает, что воздух ударяет по лопастям турбины перед башней. В случае подветренной турбины HAWT валы ротора и генератора также расположены горизонтально, но лопасти турбины расположены после турбины, что означает, что ветер ударяет в башню раньше, чем лопасти.

Если мы наблюдаем турбину на основе сопротивления VAWT, вал генератора расположен вертикально с лопастями, расположенными вверх, а турбины обычно устанавливаются на земле или на крошечной башне. В случае турбины на базе лифта VAWT вал генератора расположен вертикально, а лопасть расположена вверху. Большинство крупных современных ветряных турбин представляют собой турбины с горизонтальной осью из-за их высокой эффективности. Так как лопасти всегда движутся перпендикулярно ветру, и получают мощность на протяжении всего вращения. Турбина состоит из следующих основных компонентов.

• Лопасть или ротор, преобразующий энергию ветра в энергию вращения вала
• Привод, включающий коробку передач и генератор
• Башня, поддерживающая ротор и трансмиссию
• Оборудование балансировки включает средства управления, электрические кабели, наземное вспомогательное оборудование и соединительное оборудование.

Компоненты ветряной турбины показаны на рис. 1

 Рис. 1. Компоненты ветряной турбины

Ветряная электростанция — это группа ветряных турбин, расположенных в одном месте и используемых для производства электроэнергии. Большая ветряная электростанция может состоять из нескольких сотен отдельных ветряных турбин, расположенных на обширной территории, но земля между турбинами может использоваться для сельскохозяйственных или других целей. Ветряная электростанция также может быть расположена в открытом море.

Почти все большие ветряные турбины обычно имеют одинаковую конструкцию, которая состоит из ветряной турбины с горизонтальной осью, имеющей направленный против ветра ротор с тремя лопастями, прикрепленными к гондоле на вершине высокой трубчатой ​​башни. В ветряной электростанции отдельные турбины соединены между собой сетью среднего напряжения (около 33 кВ), системой сбора электроэнергии и сетью связи. На подстанции этот электрический ток среднего напряжения повышается по напряжению с помощью трансформатора для подключения к системе передачи электроэнергии высокого напряжения.

Спецификация проекта для ветряной турбины обычно основана на кривой мощности и гарантированной наличии. Типовой диапазон рабочих температур составляет от ?20 до 40 градусов С. В регионах с экстремальным климатом и жаркой погодой требуются версии. Ветряные турбины могут быть спроектированы и проверены в соответствии со стандартами IEC 61400.

Аэродинамика HAWT немного сложна. Воздушный поток на лопатках отличается от воздушного потока вдали от турбины. Аэродинамика на поверхности ротора демонстрирует явления, которые редко наблюдаются в других аэродинамических областях. В 1919 году физик Альберт Бетц показал, что для идеальной машины для извлечения энергии ветра основные законы сохранения массы и энергии позволяют улавливать не более 59,3 % кинетической энергии ветра. Современные турбины приближаются к этому пределу закона Бетца и могут достигать 60–70 % этого теоретического предела

Ветряные турбины обычно проектируются для производства максимальной мощности в широком диапазоне скоростей ветра. Все ветряные турбины обычно рассчитаны на максимальную скорость ветра. Ветряные турбины имеют следующие три режима работы.

• эксплуатация при скорости ветра ниже номинальной
• около номинальной скорости ветра (обычно при паспортной мощности)
• эксплуатация при скорости ветра выше номинальной

При превышении номинальной скорости ветра мощность должна быть ограничена. Это делается разными способами. Система управления состоит из трех основных элементов, состоящих из датчиков для измерения переменных процесса, приводов для управления улавливанием энергии и загрузкой компонентов, а также алгоритмов управления для координации приводов на основе информации, собранной датчиками.

Другие вопросы ветроэнергетики

• Поскольку скорость ветра непостоянна, годовая выработка энергии ветряной электростанции никогда не превышает суммы паспортных данных генератора, умноженных на общее количество часов в году. Отношение фактической производительности за год к этому теоретическому максимуму называется коэффициентом загрузки завода (PLF). Типичный достигаемый PLF составляет от 15 % до 40 %. Более высокие значения PLF в верхней части диапазона достигаются в благоприятных местах и ​​связаны с усовершенствованием конструкции ветряной турбины.
• В ветроэнергетике почти никогда не бывает серьезных технических сбоев, поскольку отказы отдельных ветряных турбин практически не влияют на общую мощность, поэтому распределенная ветровая энергия очень надежна и предсказуема.
• Хотя ветряные электростанции оказывают относительно небольшое воздействие на окружающую среду по сравнению с электростанциями, работающими на ископаемом топливе, существует некоторая обеспокоенность по поводу шума, создаваемого лопастями ротора, эстетического (визуального) воздействия и гибели птиц, влетающих в роторы. .
• Основная проблема использования ветра в качестве источника энергии заключается в том, что он носит непостоянный характер, поскольку ветер не всегда дует, когда требуется электричество. Ветер нельзя хранить (хотя электричество, вырабатываемое ветром, можно хранить, если использовать батареи), и не все ветры можно использовать для удовлетворения спроса на электроэнергию в определенное время. Кроме того, хорошие ветровые площадки часто расположены в удаленных местах, вдали от районов с электроэнергией.
• Разработка ветровых ресурсов должна конкурировать с другими видами использования земли, и эти альтернативные виды использования могут быть более ценными, чем производство электроэнергии. Однако ветряные турбины могут быть расположены на земле, которая также используется для выпаса скота или даже для ведения сельского хозяйства.






Металлургические аспекты гальванизации стали Солнечная фотоэлектрическая энергия