ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Нагрев воздуха в поле силы земного тяготения приводит к возникно­вению свободного движения атмосферы. Использование кинетической энергии движения воздушных масс и определяет работу ветроэнергетиче­ских установок (ВЭУ). Мощность воздушного потока зависит от его кине­матических характеристик: скорости и направления движения, продолжи­тельности ветреной и штилевой погоды, характера изменения скорости ветра во времени, площади поперечного сечения струй воздуха. На эти ха­рактеристики влияет ряд не зависящих от человека факторов: метеоусло­вия, колебания температуры и атмосферного давления, рельеф местности, период суток и года, что обусловливает их непредсказуемость и изменение по случайному закону. Поэтому определить заранее, какими будут ско­рость и направление ветра в данный момент времени, не представляется возможным. Вместе с тем, их значения, усредненные для каждого периода времени, допустим, лета или зимы, остаются стабильными в течение мно­гих лет. Это позволяет оценить ветроэнергетические ресурсы конкретного района и принять обоснованное решение о выборе оптимальной мощности ВЭУ [9].

При использовании энергии ветра различают ветродвигатели, ветро­энергетические агрегаты и ветроэнергетические установки. Ветродвига­тель - устройство, предназначенное для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию. Ветроэнергетический агрегат - совокупность ветродвигателя и технологической машины (электрогенера­тора, насоса, компрессора), привод которой осуществляется с помощью ветродвигателя. Ветроэнергетическая установка включает в себя ветро­энергетический агрегат и ряд дополнительных устройств, необходимых для бесперебойной работы технологических машин в период безветрия и обес­печения высокого КПД эксплуатации ветродвигателя при любом направле­нии и силе ветра. К таким устройствам относятся резервный (дублирую­щий) двигатель, включаемый в штилевую погоду, аккумулятор энергии, системы автоматического регулирования ориентации ветродвигателя в по­токе воздуха при различном направлении ветра и частоте вращения ротора.

Мощность ветродвигателя N (Вт) прямо пропорциональна плотности воздушного потока р (кг/м3), площади поперечного сечения потока воздуха F (м2), охватываемой лопастями ветродвигателя, а также скорости потока ветра в третьей степени w3 (м3/с3): N = pFw3. Выработка электроэнергии Э (кВт • ч) воздушным потоком за т часов работы ветроэнергетической уста­новки составит: Э = 3,6 Nt.

Существует несколько модификаций ветродвигателей, однако наибо­лее широко распространены ветродвигатели лопастного типа. Лопасти имеют определенный профиль, и при обтекании их потоком воздуха на передней кромке лопасти возникает избыточное давление, а на кормовой кромке лопасти - разрежение. Разность давлений и создает силу, под дей­ствием которой вращается ротор ветродвигателя.

Трехлопастные ветродвигатели имеют лопасти, которые вращаются в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси, на которой установлен электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию. Щит управления аг­регата расположен в отдельном здании, находящемся обычно под башней, на которой смонтирован ветродвигатель. Ветродвигатель должен свободно поворачиваться относительно вертикальной оси, проходящей через центр башни. Поворот осуществляется автоматически с помощью стабилизатора, который устанавливает ветродвигатель так, что при любом направлении ветра плоскость вращения лопастей перпендикулярна вектору скорости набегающего воздушного потока. Ветродвигатель работает при этом с мак­симальным КПД.

Ветродвигатель немецкого инженера Вагнера состоит из двух лопа­стей с углом между ними 110°. Лопасти укреплены на валу под углом 55° к горизонту и поэтому попеременно находятся внизу, занимая горизонталь­ное положение, что обеспечивает размещение ветродвигателя на земле, а значит, необходимость в башне отпадает. С помощью стабилизатора ветро­вой агрегат автоматически принимает выгоднейшее положение относи­тельно потока воздуха.

Ветродвигатель французского инженера Дарье по форме лопастей на­поминает миксер - воздушная турбина с вертикальной осью вращения. На валу турбины закреплено эллипсовидное алюминиевое кольцо из двух по­луколец в виде ленты шириной 5 м, длиной 27 м. Во время вращения на лопасть, движущуюся в направлении обдува, ветер оказывает большее, а на встречную лопасть меньшее давление. Разность этих давлений и заставляет вращаться воздушную турбину. Электрогенератор, приводимый во враще­ние валом турбины, располагается на земле. Это упрощает его монтаж и обслуживание. Ветровой агрегат не нуждается в башне, не требуется и ста­билизатор для слежения и фиксации положения турбины в потоке воздуха: лопасти ветродвигателя одинаково хорошо воспринимают силовое воздей­ствие ветра независимо от направления его движения. Ветродвигатель соз­дает незначительное динамическое сопротивление воздушному потоку, что обеспечивает должную механическую прочность установки в штормовую погоду. Недостаток: для пуска ротор ВЭУ необходимо раскрутить каким - либо вспомогательным двигателем (обычно, электромотором).

Ветродвигатель вихревого типа выполнен в виде полой вертикальной цилиндрической башни с верхним коническим основанием, в котором рас­положена воздушная турбина. По высоте башни на ее боковой поверхности сделаны продольные щелевые вырезы. Каждый вырез снабжен створкой, с помощью которой при необходимости вырез может быть закрыт. При рабо­те ветродвигателя открыты вырезы, расположенные на поверхности башни со стороны набегающего потока воздуха. При штормовой погоде открыты все вырезы, и воздух свободно продувает башню, оказывая на нее мини­мальное силовое воздействие. Вырезы являются входными каналами для воздуха, поступающего в башню. Они устроены так, что воздух входит в башню тангенциально, начинает в ней вращаться и образует вихрь, кото­рый под действием центробежной силы прижимается к стенкам башни и отбрасывается от ее оси, где возникает область пониженного давления. Поднимаясь вверх, воздух входит в коническое основание, где благодаря уменьшению радиуса вращения центробежная сила в направлении движе­ния потока возрастает и достигает максимального значения в горловине башни. За счет центробежных сил в центре горловины разрежение стано­вится наибольшим, и сюда, через проемы, устремляется воздух, который затем идет в воздушную турбину, где его кинетическая энергия преобразу­ется в механическую энергию вращения ротора двигателя. Эта энергия с помощью вала передается на приводимую ветродвигателем технологиче­скую машину или электрогенератор.

Вихревые ветродвигатели просты по конструкции, не нуждаются в специальной ориентации башни относительно направления ветра, управле­ние работой створок может быть автоматизировано. Вихревые ветродвига­тели работают и в безветренную погоду, если перепад температур воздуха в нижней и верхней части башни будет более 10 °С. Такой перепад темпера­тур легко создать за счет солнечной энергии.

Основным недостатком всех ВЭУ является зависимость от погодных условий и невозможность в связи с этим прогнозирования графика выра­ботки энергии. Если же в состав ВЭУ входит аккумулятор энергии, то вет­ровой агрегат работает непрерывно с максимальной мощностью: при ее недостатке включается дополнительный двигатель, а при избытке излишки вырабатываемой энергии поступают в аккумулятор. В качестве дублирую­щих двигателей чаще всего используют дизельные установки и гидроакку - мулирующие электростанции. К недостаткам ВЭУ относятся также значи­тельные (на единицу выработанной энергии) площади, занимаемые ВЭУ, шум, создаваемый вращающимися лопастями ветродвигателя, часть спек­тра звукового излучения которого может приходиться на опасную инфра - звуковую область.