ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

В гл. 1 было показано, что 30 % всех 173 ООО ТВт солнечного излучения, падающего на землю, за счет альбедо земли переизлучается обратно в космос. Из 121 ООО ТВт оставшейся мощности 3 % (3600 ТВт) преобразует­ся в энергию ветров и из них 35 % (1200 ТВт) распределяется в нижних слоях атмосферы на высоте до 1 км. Современные потребности человечества в энер­гии составляют примерно 7 ТВт. Из этого следует, что потенциально энергия ветровых потоков может полностью удовлетворить все энергетические потреб­ности человечества. Конечно, такая качественная оценка выглядит чрезмерно оптимистичной. Сложно представить себе, каким образом можно разместить ветроустановки повсюду на Земле, включая территорию морей и океанов. Если ветроустановки расположить всего на 10 % суши, то потенциально возможно получение мощности 40 ТВт. Однако, зная, что плотность мощности ветрового потока зависит от его скорости в третьей степени, легко понять, что большая часть энергии ветровых потоков приходится на высокоскоростные течения, такие как штормовые и ураганные ветры. В настоящее время не существует ветротурбин, которые способны были бы работать при штормовых скоростях ветра, поэтому использовать энергию этих потоков пока технически невозможно.

Еще одна проблема эффективного использования энергии ветра состоит в том, что плотность энергии ветрового потока распределена неравномерно: в нижних слоях атмосферы она растет с увеличением высоты. На высоте 10 м при опти­мальных условиях расположения ветроколеса её значение в среднем составляет около 300 Вт/м2, тогда как на высоте 50 м — около 700 Вт/м2.

Необходимо также понимать, что утилизировать весь поток энергии, воз­действующий на ветроколесо, невозможно. Как будет показано в п. 13.6.5, мак­симальное значение коэффициента использования энергии ветра ограничено отношением 16/27.

Поскольку по своей природе ветер постоянно изменяет скорость, ветроуста­новки либо должны иметь устройства, аккумулирующие электрическую энергию (для автономных энергоустановок небольшой мошности), либо должны быть под­ключены к электрической сети, что характерно для больших ветровых ферм.

Следует отметить, что на Земле есть и такие районы, где ветры дуют практи­чески постоянно с одинаковой скоростью и в одном направлении. Использование там ветротурбин было бы весьма эффективным. Так, на всем северо-восточном побережье Бразилии дуют практически постоянные северо-восточные ветры со скоростью около 13 узлов (примерно 7 м/с). Плотность мощности при таких ско­ростях ветра составляет около 220 Вт/м2 т. е. с учетом предельного коэффициен­та использования энергии ветра 16/27 сім2 ометаемой ветроколесом площади может быть получено до 130 Вт полезной мощности. Практически постоянные направление и скорость ветра позволяют строить в этих местах ветротурбины, которые не нужно систематически ориентировать на ветер. Поскольку в данном случае они могут быть установлены жестко, то для них имеется возможность создать концентраторы ветрового потока, что может позволить повысить выра­ботку энергии в расчете на один ветроагрегат1).

13.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕТРОТУРБИН

Для минимизации стоимости производимой ветроустановкой электроэнергии необходимо опираться на зависимость расчетной мощности ветротурбины от ометаемой ею площади. Для ветротурбин в качестве расчетной мощности принимают максимально возможную мощность, снимаемую приеё стабильной работе. Ясно, что большую часть времени работы ветротурбина бу­дет вырабатывать мощность меньше максимальной. Отношение расчетной мощ­ности к ометаемой площади ветроколеса называется удельной нагрузкой, или нагрузкой ротора. В современных машинах нагрузка ротора составляет от 300 до 500 Вт/м2.

Рассмотрим горизонтально-осевую ветротурбину пропеллерного типа Boeing Model 2. Диаметр ее ротора 91,5 м. На конце каждой лопасти рассматриваемая установка имеет поворотный участок длиной 14 м. Этим участком контролиру­ется запуск и остановка ветроколеса, а также корректируется скорость его вра­щения. Так, с помощью поворотных лопастей ветроколесо занимет флюгерное положение при больших скоростях ветра. На рис. 13.5 показана зависимость выходной мощности ветротурбины от скорости набегающего ветрового потока. Заметим, что пуск данной машины осуществляется при скорости ветра 3,9 м/с, а при скорости 6,3 м/с машина выходит на частоту 17,5 об/мин, при которой генератор начинает работать синхронно с электрической сетью.

Вырабатываемая мощность повышается при увеличении скорости ветра до

12,5 м/с, а затем она остается постоянной при дальнейшем росте скорости до 26,8 м/с.

При превышении этой скорости лопасти машины выводятся во флюгерное положение и она полностью останавливается во избежание поломки. В таком положении она может выдерживать скорости до 56 м/с. Ветротурбина выра­батывает 2,5 МВт электроэнергии при скоростях ветра в диапазоне от 12,5 до 25 м/с, хотя при скорости 25 м/с она могла бы вырабатывать в 8 раз большую

Прим. ред. Использование искусственных концентраторов ветрового потока является не вполне очевидным техническим решением, однозначно приводящим к повышению эффективности преобразования ветровой энергии пропорционально коэффициенту геометрической концен­трации, поскольку в дозвуковом ветровом потоке стоящий перед ветроколесом концентратор вызовет перестройку воздушного течения и за его границами. Очевидно, что всю геометрически захватываемую концентратором массу воздушного потока не удастся направить на ветроколесо, представляющее собой для потока значительное гидравлическое сопротивление, значительная часть этой воздушной массы станет обтекать сам концентратор.

мощность, чем при 12,5 м/с. Ограничение вырабатываемой мощности, впрочем, как и полный останов турбины при больших скоростях, обусловлены прочно­стными ограничениями.

Ветротурбины зачастую работают совместно с электрической сетью. При этом частота вырабатываемой ветростанцией электроэнергии синхронизируется с частотой электрической сети.