Вітроенергетика: загальні відомості, основні поняття, визначення.

Вітроенергетика

Рисунок 4.1 Вертикальні вітряні електростанції, Дніпропетровськ

Сьогодні, енергію вітру використовують для отримання електричного струму. Галузь, що займається перетворенням енергії вітру в електричний струм, називається вітроенергетика.

Найбільш популярним на сьогоднішній день є застосування вітрогенераторів. Ветрогенератори широко застосовуються як в крупних масштабах, це величезні електростанції, так і в малих, для приватного користування.

Програми по підтримці розвитку нетрадиційних джерел енергії привели до того, що у наш час на всій планеті 2% від всієї електрики здобувається за допомогою вітру і цей відсоток продовжує збільшуватися з року в рік, завдяки зменшенню вартості даної технології.

До країн, які найінтенсивніше розвивають технології і ринки НВДЕ|, слід віднести: США, країни ЄС (в першу чергу, Швецію, Австрію, Фінляндію, Німеччину, Португалію, Іспанію), Японію, Китай. Останнім часом активізувалися в цьому напрямі Бразилія і Індія. Росте вартість акцій компаній, які займаються НВДЕ. Все це дасть можливість прискорити розвиток технологій і їх впровадження в промислове виробництво.

У вітроенергетичному секторі на даний час працюють близько 70 країн світу. Серед країн з найбільшими потужностями вітроенергетики - Німеччина, США, Іспанія, Індія, Китай, Данія. Росте загальна потужність таких установок (річний приріст в 2007 році - 26,6 %), так і одинична потужність, яка на найближчий період може досягти 1 Гвт, розвивається вітроенергетичне| машинобудування|. У країнах ЄС до 2010 року планується довести виробництво вітрової електроенергії 10 % від загального об'єму електрогенерації.

У США до 2020 року планується досягти 15 % виробництва електроенергії за рахунок вітру, удосконалюються турбіни, розширюється діапазон швидкостей вітру, які можуть бути використані вітроустановками.

На сьогоднішній день Європа стоїть на першому місці по використанню енергії вітру. Особливий розвиток і використання вітроенергетика придбала в Германії, Данії і Іспанії. У Данії 20% використовуваній енергії здобувається за допомогою вітру.

Цікаво, що перша в світі вітроелектростанція потужністю 100 кВт була побудована в Радянському Союзі в 1932 р. в Криму.

Сумарна потужність вітрових електричних установок (ВЕУ) сьогодні в Україні наближається до 30 мегават. За даними , сумарна потужність у кінці 1999 року дорівнювала 11.4 МВт, а в кінці 2000 року вже 24.15 МВт. Таким чином, приріст склав більше 100 відсотків. Україна залишається єдиною країною колишнього Радянського Союзу, в якій активно розвивається вітроенергетика. Тут налагоджено серійне виробництво вітроагрегатів. Поки це ліцензійні ВЕУ USW56-100 потужністю 107,5 кВт.

Запаси енергії вітру та можливості її використання.

Як відомо, вітер існує скрізь - як на суші, так і на морі. Незважаючи на факт, що ідея про те, що переміщення повітряних мас пов'язано з нерівномірним зміною температури і обертанням землі, не відразу прийшла людині в голову.

Пасати і західний вітер відносять до глобальних вітрів. У результаті нагрівання екваторіальній частині землі утворюються пасати. При нагріванні, нагріте повітря піднімається вгору, забираючи при цьому з собою північні і південні повітряні маси. В результаті цього явища, з'являються дуючі куглий рік з постійною силою в північній півкулі північно-східний пасат і в південній півкулі – південно-східний пасат. Пасати дмуть в області, званої, приекваторіальній, яка укладена між 25 і 30o північної і південної широти відповідно. Пасати охоплюють близько 11% поверхні океанів в північній півкулі і близько 20% в південному. Зазвичай сила пассатного вітру не перевищує 2-3 балів.

Уздовж крайки дрейфуючих льодів Антарктиди, приблизно в смузі 40 до 60^o південної широти, із заходу на схід, куглий рік дме західний вітер. Такий вітер є одним із самих сильних постійних вітрів. Його сила може досягати 8-10 балів і практично не буває нижче 5 балів. В глибині материка немає постійного напряму вітру. Можна впевнено говорити тільки про сезонне напрямку вітру, тому що різні ділянки суші в різний час року нагріваються по-різному. Крім того, вітер поводиться по-різному в залежності від висоти, а для висот 50 метрів характерні нишпорять потоки.

Ми можемо обчислити потенціал атмосфери, знаючи її масу і швидкість розсіювання енергії. Наприклад, для приземного шару товщиною близько 500 метрів, енергія вітру, перетворюється в тепло, складе приблизно 82000000000000 кіловат-годин на рік. Зрозуміло, ми не зможемо використати її повністю, хоча б тому, що часто поставлені вітряки будуть заважати один одному, затемнюючи інших. Однак, взята у вітру енергія, знову перетвориться в тепло.

Зазвичай, середньорічні швидкості повітряних потоків на стометровій висоті перевищують 7 м/с. При виході на висоту 100 метрів, можна використовувати ефективний вітроагрегат скрізь, використовуючи відповідну природну височину.

Одними з перших вітрів, які були використані нашими предками для мореплавання, були місцеві вітри, тобто бризи. Бризи-це різновид легких вітрів, які облямовують берега материків і великих островів і викликаються добовим коливанням температури. Різниця температури на суші і в морі вдень і вночі обумовлює періодичність бризів. Вдень суша нагрівається швидше, ніж море. В наслідок цього, тепле повітря піднімається над берегом, а на його місце прагне зайняти прохолодне повітря з моря. А вночі, як відомо, берег швидше і сильніше охолоджується, ніж море. Тому вночі відбувається зворотна картина: тепле повітря піднімається над морем, а його замінює холодне повітря з суші - берегової бриз. Іншими постійно дмуть вітрами є мусони. Такі вітру дмуть в Індійському океані і перш за все пов'язані з різним зміною температури материка і океану. Влітку суша під впливом сонячних променів, нагрівається сильніше. Внаслідок цього вітер дме з моря на сушу. А взимку мусон дме з берега на море. Але в результаті обертання землі з'являються, так звані, сили Коріоліса, які впливають на мусони і відхиляють їх праворуч. Ось чому влітку дмуть південно-західні мусони, а зимою північно-східний. Мусони можуть досягати дуже великої сили і викликати в Індійському океані поверхневі течії, які відповідають місцевим вітрам.

Однією з перших машин для отримання і використання енергії вітру був вітрило. У вітродвигуна і вітрила один і той же принцип роботи, також як і одне джерело енергії. Ю.С. Крючков, досліджуючи вітрило, показав, що його можна представити як вітродвигун з нескінченним діаметром колеса. Парус - свого роду найбільш досконала лопатева машина, з найвищим коефіцієнтом корисної дії, яка використовує енергію вітру безпосередньо для руху.

У вітроенергетиці використовуються вітроколеса і ветрокаруселі, вона відроджується, зараз, перш за все в наземних умовах. Подібні комерційні установки вже побудовані і успішно експлуатуються в США. Частина фінансування подібних проектів надходить з бюджету держави, а інша частина інвестується майбутніми споживачами екологічно чистої енергії.

Першими розробками теорії вітродвигуна прийнято вважати роботи У Залевського в 1918 році. Він зацікавився одночасно авіацією і вітряками. Він створив повну теорію вітряка і вивів кілька положень, яким, за логікою, повинна відповідати вітроустановка.

На початку ХХ століття, на хвилі загальної ідеї використовувати вітер скрізь, де це можливо, інтерес до повітряних гвинтів та вітроколеса не був відокремлений від загальних тенденцій часу. Найперше поширення вітроустановки одержали в сільському господарстві. Повітряний гвинт широко використовувався в якості приводу суднових механізмів. Вітроустановка також була встановлена на дослідному судні "Фрам", на якому відомий мандрівник Ф.Нансен досліджував Арктику. Вітроустановка на цьому судні обертала динамо машину. На вітрильниках ж вітряки теж відігравали велику роль: вони приводили в рух насоси і якірні механізми.

Одним з головним недоліків вітряної енергії залишається її мінливість в часі, проте і це можна компенсувати за рахунок розташування вітроустановок. Якщо об'єднати кілька десятків великих вітроагрегатів, то їх середня потужність буде залишатися постійною. Також існує можливість доповнення вітрогенератором існуючих джерел енергії. Але найголовніше, що саме від вітродвигуна можна отримувати безпосередньо механічну енергію.

Швидкість вітру вимірюється в кілометрах в годину (км/год) або метрах в секунду (м/с): 1 км/год = 0.28 м/с• 1 м/с = 3.6 км/год.