ЕНЕРГІЯ ВІТРУ.

2.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ.

Важливішою характеристикою, що визначає енергетичну цінність вітру, є його швидкість. Енергію вітру доцільно використовувати у районах, де його середньорічна швидкість перевищує 3 м/с. Найбільша ефективність досягається у районах із середніми швидкостями вітру понад 5 м/с.

Наступна важлива характеристика — повторюваність швидкостей вітру, що дорівнює сумарному числу годин за рік або місяць, яке виражається у процентах загального часу, протягом якого у якомусь певному пункті спостерігається однакова швидкість вітру. Ця величина є показником енергоресурсу вітру для даного району.

З точки зору використання енергії вітру територію України можна розділити на такі райони: із значним потенціалом енергоресурсу—Івано-Франківська, Тернопільська, Хмельницька, Черкаська, Кіровоградська, Полтавська, Харківська і Дніпропетровська області; з високим — Закарпатська, Запорізька, Донецька, Чернівецька, Луганська, Херсонська і Одеська області; із найбільшим потенціалом — Республіка Крим.

Із урахуванням особливостей використання вітрової енергії визначились два напрями розвитку вітроенергетики.

Перший напрям — автономна вітроенергетика. Вона призначена в основному для механізації трудомістких робіт сільськогосподарського виробництва. Для цієї мети застосовують вітродвигуни як постійного, так і змінного струму потужністю кілька десятків кіловат.

Другий напрям — системна вітроенергетика — використання енергії вітру для великомасштабного виробництва електроенергії па ВЕС потужністю сотні кіловат із видачею потужності в енергосистему.

2.2. ОСНОВНІ ТИПИ ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК

Під вітродвигуном розуміють будь-який пристрій, що використовує кінетичну енергію вітру для вироблення механічної енергії.

Вітроенергетичний агрегат ВЕА—це система, що складається із вітродвигуна, однієї чи кількох робочих машин (генератора, насоса, компресора тощо), що використовують для вироблення певного виду енергії та виконання заданого процесу.

Вітроенергетична установка ВЕУ являє собою комплекс технічних пристроїв, до якого входять вітроагрегат і, залежно від схеми, акумулюючий або резервуючий пристрій, двигун, що дублює потужність вітродвигуна, системи автоматичного керування чи регулювання режимів роботи установки та її елементів (рис. 9.20).

Вітродвигун ВД безпосередньо перетворює енергію вітрового потоку ВП у механічну, яка надалі використовується для привода машин або трансформується в електрику або теплоту.

Вітродвигуни, що використовуються як привод електричного генератора (ВЕУ), поділяють на два основні типи: роторні (ВДР), що характеризуються ортогональністю вектора кутової швидкості обертання ВД та аксіальної складової вектора швидкості вітрового потоку, і пропелерного (ВДП), що характеризується колінеарністю вектора кутової швидкості обертання ВД і аксіальної складової вектора швидкості вітрового потоку.

Розрізняють три типи вітродвигунів. До першого типу відносять вітродвигуни, в яких вітрове колесо розміщене у вертикальній площині, тобто перпендикулярно напрямку вітру; до другого — вітродвигуни із горизонтальним розміщенням вітрового колеса; до третього — барабанні, що працюють за принципом водяного млинного колеса, у яких вісь обертання розміщена горизонтально, перпендикулярно напрямку вітру.

Залежно від кількості використовуваних лопатей ВД поділяють на одно-, дво-, три-, багатолопатеві. При цьому кількість лопатей та їх геометричні розміри визначають величину коефіцієнта заповнення площини вітроколеса:

К_з= (9.12.)

де S_Σ — площа лопатей ВД; S_o — площа вітроколеса.

ВЕУ служать для підйому води, зарядження акумуляторів, освітлення, живлення електроприладів тощо.

Рисунок 9.20. Вітродвигун.

1 – ручна лебідка; 2 – стабілізатор; 3 – поворотна частина лопаті; 4- відводка;

5 – триплечовий важіль; 6 – пружина регулювання; 7 – муфта кінематичного зв’язку;

8 – редуктор; 9 – генератор; 10 – віндроза.

Для вітроенергетичної установки суттєвим є система автоматичного регулювання роботи ВЕУ (САРВ). У загальному випадку СЛРВ включає дві взаємозв’язані підсистеми керування: автоматичного керування і контролю механічних параметрів (СУМ) та автоматичного керування і контролю електромагнітних параметрів (СУЕ). Вони повинні функціонувати разом і цим забезпечується автоматичне підтримання заданого режиму роботи ВЕУ.

 

2.3. СПІЛЬНЕ ВИКОРИСТАННЯ ГЕЛІО- ТА ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК

Аналіз вітрового та сонячного режимів по сезонах року свідчить, що взимку зменшується сонячна радіація і зростає середня швидкість вітру, а влітку відбувається зниження швидкості вітру і збільшення рівня сонячної радіації. Тому поєднання енергії вітру і сонця згладжує нерівномірність вироблення енергії, підвищує надійність енергопостачання споживачів протягом року.

У силу закономірних і стохастичних коливань у часі швидкості вітру та сонячної енергії добове вироблення енергії іноді не узгоджується із вимогами графіка споживання.

Для ліквідації цих недоліків у схемі геліовітроенергетичних установок необхідно передбачити акумулятор. При цьому за рахунок спільної роботи вітрових та сонячних установок значно скорочується ємність акумулятора порівняно із її значенням при роздільній експлуатації.

Геліовітроенергетичні установки можуть бути використані у схемі тепло- або електропостачання. У першому випадку геліоустановка перетворює сонячну енергію в теплоту, і нагріта вода акумулюється у баку. Вітроустановка виробляє електричну енергію, яка подається безпосередньо у ТЕН бака-акумулятора. Таким чином, об’єднане використання геліо-вітроустановок дозволяє автономно забезпечувати потребу в гарячій воді.

Використання геліовітроустановок у схемі електропостачання дає можливість розширити функціональні можливості комплексу. Принципова схема комбінованої геліовітрової установки (КГВТУ) наведена на рис. 9.21. Обігрів теплоносія, що направляється на опалення і гаряче водопостачання, відбувається у теплообміннику за рахунок сонячної енергії і електричного нагрівника, який використовує енергію вітру.

		1 – сонячний колектор; 2 – триходовий регулятор; 3 – вітроелектродинамічний нагрівник; 4 – регулювальний клапан; 5 – вентилятор; 6 – зворотний клапан; 7 – система гарячого водопостачання; 8 – споживач; 9 – термоакумулятор.

 

Рисунок 9.21. Схема геліовітротеплової установки.

Заслуговує на увагу використання геліовітроенергетичних установок для генерації біогазу. Підвищити ефективність теплопостачання автономних споживачів при застосуванні геліовітрової установки можна при її роботі спільно із тепловим насосом. Такі агрегати можуть працювати як влітку (охолодження), так і взимку (обігрів).

3. ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГІЯ

3.1. ГЕОТЕРМАЛЬНІ РЕСУРСИ ТА ЇХ ТИПИ

Геотермальна енергія, під якою розуміють теплоту вулканічних осередків, парогідротерм і глибоко залягаючи гірських порід, є одним із видів нетрадиційних джерел енергії, готових для практичного використання.

Геотермальні ресурси — це частина теплової енергії твердої, рідкої та газоподібної фаз земної кори, яку можна ефективно видобувати із надр і використовувати для теплопостачання споживачів або на виробництво електроенергії. Їх поділяють на гідротермальні ресурси — теплота пари і термальних вод— і на петрогеотермальні ресурси — теплота гірських порід.

Велика частина термальних вод—це жорсткі (із жорсткістю 2,8—11,7 мг-екв/л і вище) та високо мінералізовані води (із вмістом солей від 1 до 35 г/л і вище і температурою води від ЗО до 90 °С), які не відповідають вимогам, що ставлять до теплофікаційних вод. Використання термальних вод у традиційних системах теплопостачання найчастіше неможливе. Існує також проблема скидання використаної води, оскільки, по-перше, її температура відносно висока (може досягати 60...70 °С) і, по-друге, у ній можуть міститися шкідливі речовини (феноли тощо).

Геотермальна енергія знаходить широке застосування для обігріву жилих приміщень і теплиць, у промислових та лікувальних цілях. У всіх цих випадках на поверхню землі самостійно або через пробурені свердловини виходить гаряча вода або пара.

Всі джерела геотермальної енергії можна поділити на гідро- та петротермальні. Гідротермальні джерела, у свою чергу, поділяють на водяні, пароводяні та парові.

Водяні геотермальні джерела залягають на різній глибині. Одна із основних умов їх існування—наявність непроникного для води шару води гірських порід, який передає тепло від мантії до формацій, що містять у великих кількостях воду. Перебуваючи під тиском, вищим від атмосферного, вода тут може нагріватися до температури, що перевищує 100 °С, і виходити на поверхню звичайно у вигляді пароводяної суміші.

Температура води або пари у всіх геотермальних джерелах залежить від їх відстані до мантії землі. Термальні води, котрі підігріті до температур, необхідних для енергетичного використання, часто зустрічаються на глибинах 2 – 6 км.

Петротермальні родовища розміщені у районах земної кори, де нема води. При температурному градієнті 20 – 40 °С на 1 км у товщі землі на глибинах понад 3 км досягаються температури, достатні для підігріву води або одержання пари.

3.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕОТЕРМАЛЬНИХ ДЖЕРЕЛ

Найважливішим параметром є геотермічний градієнт— величина, що характеризує наростання температури гірських порід у міру збільшення глибини їх залягання у земній корі. У середньому на кожні 100 м температура у надрах землі зростає на 3 °С.

Важливою характеристикою геотермальних джерел є повний корисний тепловміст джерела теплоти.

Сухі скельні породи мають градієнт dТ/dz. Для однорідного матеріалу при відсутності конвекції з глибиною температура буде збільшуватись лінійно. Якщо глибина г зростає у напрямку від поверхні землі (де z=0), то:

T=T_o+ (9.13)

де T_о — поверхнева температура.

Теплота Q_п, яка може бути використана в елементі завтовшкиΔz на глибині z при Т>Т₁, дорівнює:

ΔQ_п = (ρ_пАΔz) с_п (T-T₁) =(ρ_пАΔz) с_п (9.14)

де А — площа масиву, що розглядається.

У природних водоносних пластах, що залягають на значній глибині, джерело теплоти знаходиться всередині шару води. Частина пласту зайнята порами, заповненими водою (Р′), інший простір—скельною породою з щільністю ρ_п.

Припустимо, що товщина водоносного шару h набагато менша від глибини залягання z₂ і що температура всієї маси рідини дорівнює Т₂. Мінімальна корисна температура дорівнює Т₂.

Характеристики джерела теплоти визначають за аналогією для сухих скельних порід:

Т₂ = T_о + = T_о +G_TZ (9.15)

(9.16)

де ρ_в, с_в — відповідно густина і теплоємкість води.

Тут пористість Р′ задається у частках.

Термальну воду використовують для опалення за однією із таких принципових схем:

1) воду із свердловин подають безпосередньо в опалювальні прилади;

2) здійснюють попередню обробку води;

3) застосовують двоконтурну систему, за якої вода, котра циркулює у системі опалення або гарячого водопостачання. нагрівається водою у проміжному теплообміннику.

Одноконтурна система може бути застосована лише для слабкомінералізованих вод.

За другою схемою здійснюють хімічну підготовку води з тим, щоб термальна вода відповідала властивостям теплофікаційної води.

Найбільш рекомендованою є третя схема теплопостачання об'єктів від термальних вод. Як проміжні теплообмінники застосовують розбірні пластинчасті теплообмінники.

Для розв'язання проблеми опалення і гарячого теплопостачання житлових та виробничих будинків від термальних вод користуються такими рекомендаціями.

За наявності значних ресурсів геотермальних джерел, що розміщені поблизу споживачів і обмежені щодо навантаження, найдоцільніша схема із паралельною подачею геотермальної води на опалення і гаряче водопостачання. У районах із обмеженими ресурсами геотермальних вод та значними навантаженнями споживачів перевагу віддають схемі із послідовною подачею геотермальної води на опалення і гаряче водопостачання.

Якщо потреба у теплоті перевищує тепловий потенціал експлуатаційних ресурсів геотермальної води, рекомендуються схеми із паралельною або послідовною подачею води на опалення і гаряче водопостачання із піковим догрівом геотермальної води. Як приклад наведена схема із паралельним (рис. 9.22) і послідовним (рис. 9.23) догрівом геотермальної води.

Рисунок 9.22. Схема з паралельною Рисунок 9.23. Схема з послідовною