Применение солнечной энергии

ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

Дания. К концу прошлого века ветряные мельницы были основ­ным источником энергии в сельскохозяйственных районах Дании. Их называли «рабочими лошадками» и часто устанавливали на кры­шах амбаров; согласно оценкам мощность этих установок вместе с промышленными общим числом более 30 тыс. составляла примерно 200 МВт [3]. В 1890 г. профессор Лякур начал работы по йегро - энергетике. Получив значительную поддержку датского правитель­ства, он не только построил ветроагрегат в Асхове, но и создал лабораторию, полностью оснащенную научными приборами, и аэро­динамическую трубу. В период с 1890 до 1908 г. проф. Лякур раз­работал более эффективный и быстроходный ветроагрегат с упро­щенной системой регулирования частоты вращения и впервые начал производство с его помощью электрической энергии. Ветроколесо в Асхове диаметром 22,85 м имело четыре лопасти и было установ­лено на стальной мачте высотой 24,38 м. С помощью конической передачи крутящий момент передавался на вертикальный вал, со­единенный с системой конических передач, расположенных в основа­нии мачты; этот приводной механизм был соединен с двумя генера­торами постоянного тока мощностью по 9 кВт каждый. Установка явилась первым достоверным примерам преобразования энергии ветра в электрическую. К 1910 г. несколько сотен ветроагрегатов мощностью до 25 кВт обеспечивали электроэнергией сельские насе­ленные пункты.

Использование ветроэнергетических установок продолжало рас­ти и в период второй мировой войны. Пик был достигнут в январе 1944 г., когда 88 ветроагрегатов выработали 481 785 кВт-ч электро­энергии'[4]. В число этих 88 установок входил агрегат Шмидта, построенный в Гедзере в 1942 г. Колесо диаметром 24,38 м имело три деревянные лопасти. Первоначально мощность агрегата, выраба­тывавшего постоянный ток, составляла 70 кВт, а в 1955 г. он был реконструирован для получения переменного тока. В течение первых пяти лет эксплуатации агрегат выработал приблизительно 700 тыс. кВт-ч, или 2 тыс. кВт-ч в год в расчете на 1 кВт установленной мощности.

США. В 1922 г. Ежегодник электрификации и энергетики фер­мерского хозяйства перечислил 54 фирмы, занятые производством ветровых насосных и электрогенерирующих установок. К концу 20-х годов была образована одна из крупнейших фирм по производству ветроагрегатов — компания «Джэкобс винд электрик» (штат Минне­сота) [5]. Фирма была основана Джэкобсом, который ввел в кон­струкции своих ветроагрегатов два важных усовершенствования: трехлоластный винт, который позволил практически устранить виб­рации, возникающие у двухлопастных винтов вследствие колебаний суммарных усилий, воздействующих на лопасти при их перемещении из горизонтального в вертикальное положение, и центробежный ша­риковый регулятор угла поворота лопастей, обеспечивающий переход их во флюгерное положение при скорости ветра выше 8,05 м/с и поддерживающий постоянную частоту вращения привода генерато­ра. Ветроколесо диаметром около 4,27 м было непосредственно со­единено с генератором без зубчатой передачи. Возможно, наиболее известным явилось применение ветроагрегатов этой фирмы в Антарк­тике во время одной из научных экспедиций адмирала Бэрда в 30-х годах. Когда Бэрд в 1946 г. вернулся обратно в Антарктику, ветро­агрегат продолжал работать. Компания Джэкобса перестала су­ществовать в 1957 г. после проведения электрификации сельских районов.

В 30-х годах американский инженер Путнам разработал, а фир­ма «Смит энд Путнам» изготовила двухлопастный ветроагрегат с диаметром ветроколеса 53,34 м; агрегат был установлен в местеч­ке Грандпаз-Ноб в центральном районе штата Вермонт в 1941 г.

Синхронный электрогенератор И лопасти ротора были смонтированы на башне высотой 33,54 м, а электроэнергия выдавалась непосредст­венно в сеть центрального района Вермонта. .Ветроагрегат номиналь­ной мощностью 1,25 МВт хорошо проработал около 18 мес. до по­ломки основного подшипника генератора, которая, очевидно, не связана с конструктивными особенностями ветровой установки. В последующие два года из-за военной обстановки замена подшип­ника оказалась невозможной. В течение этого времени лопасти оста­вались неподвижными и испытывали полную ветровую нагрузку. При первоначальной сборке лопастей и опорных лонжеронов, изготовлен­ных в основном из нержавеющей стали, в них были пробиты за­клепочные отверстия; в 1942 г. в металле вокруг этих отверстии были обнаружены трещины. Было решено провести ремонт не в за­водских условиях, а на месте. 26 марта 1945 г. через месяц после замены подшипника трещины внезапно расширились, а один из лон­жеронов сломался, в результате чего обрушилась лопасть. Прово­дившая работы фирмы «С. Морган Смит» решила, что дальнейшие затраты на ремонт ветроагрегата нецелесообразны, и сделала анализ рентабельности сооружения других ветроагрегатов в штате Вермонт. Экономические исследования показали, что удельные капитальные затраты на 1 кВт установленной мощности будут приблизительно на 60% выше, чем соответствующие затраты на традиционные энерго­установки.

Хотя скептики были склонны считать этот эксперимент дорого­стоящей неудачей, в истории развития ветроэнергетики он имел огромное значение. Впервые была осуществлена выработка электро­энергии с помощью синхронного генератора и выдача ее в энергоси­стему. Обе механические аварии были вызваны недостаточными ^зна­ниями механических свойств материалов. С тех пор были глубоко изучены конструкции подшипников и проблемы усталостной прочно­сти металлов, так что в современных ветроагрегатах возникновение таких аварий маловероятно. Программа исследований этих агрегатов включала систематические измерения в условиях эксплуатации, ко­торые показали, что на данной площадке в Грандпаз-Ноб средняя скорость ветра составляла всего 70% первоначального расчетного значения и что желателен выбор каких-либо других площадок для размещения агрегата. На сегодняшний день в основном решены тех­нические проблемы преобразования ветровой энергии в электриче­скую и доказана возможность развития ветроэнергетики как важно­го источника энергии в любой стране с подходящими ветровыми ре­сурсами.

СССР. В 1931 г. в СССР был построен первый ветроагрегат для получения электроэнергии, отдаваемой непосредственно в сеть пе­ременного тока Ялты на побережье Черного моря [7]. Ветроагрегат использовался как дополнительный источник энергии и был включен в сеть тепловой электростанции Севастополя, расположенного на расстоянии около 30 км.

Трехлопастное ветроколесо диаметром 30,48 м с помощью зуб­чатой передачи приводило во вращение ротор асинхронного генера­тора мощностью 100 кВт. Мачта высотой 30,48 м была снабжена подкосом, передающим давление ветра от верхушки мачты на землю. Основание подкоса перемещалось по круговому рельсовому пути с помощью электродвигателя, управляемого ^ крыльчаткой, чувстви­тельной к направлению ветра и установленной наверху мачты. Обли­цованные металлом лопасти могли устанавливаться в нерабочее

положение с помощью автоматической системы регулирования в ре­зультате воздействия центробежной силы на компенсационные за­крылки, так что агрегат и при сильном ветре мог работать примерно с постоянной скоростью. Сообщалось, что годовая выработка энер­гии достигала 279 тыс. кВт-ч при среднегодовой скорости ветра 6,7 м/с; однако удовлетворительное управление работой ветроагрега - та было затруднительно. В течение следующих двух десятилетий развитие ветроэнергетики в СССР ограничивалось созданием агре­гатов мощностью до 3 кВт і[5].

Великобритания. К 20-м годам текущего столетия в стране по­явился интерес к ветроэлектрическим установкам небольшой мощ­ности. Были опубликованы [8] результаты сравнительных испытаний семи различных ветроагрегатов серийного производства мощностью от 250 Вт до 10 кВт, а также практическое руководство для инже­неров, желающих построить собственный ветроагрегат [9]. В 30-е годы фирмой «Лукас» был создан ветроагрегат «Фрилайт» [10], обеспечивающий работу шести электрических ламп — трех по 40 Вт и трех по 25 Вт при напряжении 25 В. Ветроколесо агрегата «Фри­лайт» можно было вывести из-под сильного ветра с помощью спе­циальной рукоятки, установленной у основания. мачты.

Вскоре после войны были созданы две установки мощностью по 100 кВт. Первая из них была построена в Оркнейсе в 1950 г. фир­мой «Джон Браун» [11]. Она имела трехлопастное ветроколесо диа­метром 15,24 м, которое было установлено на мачте высотой 23,77 м и приводило во вращение асинхронный генератор переменного тока мощностью 100 кВт. Вторая установка была построена для фирмы «Энфилд кэйблз» фирмами «Дэхавилланд пропеллерз» и «Рэдхоф айрон энд стил» и имела пневматическую передачу, предложенную французским инженером Андро [12]. Две полые лопасти ветроколе - са диаметром 24,38 м имели на концах отверстия и при вращении действовали как центробежный насос. Создаваемый поток воздуха поступал в турбину у основания мачты; турбина была непосредст­венно связана с синхронным электрогенератором. Установка была построена в 1953 г. в Сент-Ольбансе, но из-за плохих ветровых условий ее не удалось испытать и в 1957 г. она была перенесена в Алжир, где эксплуатировалась компанией «Электрисите э газ д’Алжир». Номинальная мощность 100 кВт была достигнута вскоре после сооружения ее на новой площадке. Были 'также проведены исследования с целью оценки работы установки, и в 1960 г. Ассо­циация электротехнических исследований разработала графический метод определения параметров ветровых электрогенераторов [13]. Этот метод основан на результатах испытаний двух ветроагрегатов, один из которых мощностью 25 кВт построен на о. Мэн и имеет трехлопастное ветроколесо диаметром 12,19 м, а другой мощностью 7,5 кВт с диаметром трехлопастного ветроколеса 10 м — в Шотлан­дии. В обоих случаях было получено прекрасное соответствие между расчетными и экспериментальными данными.