Применение солнечной энергии

НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ

Ветроагрегат с вертикальной осью. Современный ветроагрегат с вертикальной осью представляет собой сочетание двух изобретен­ных ранее устройств: ветроагрегата Дарье [20], в котором тонкие изогнутые дугообразные лопасти своими концами крепятся к нижней и верхней точкам вертикальной оси вращения, перпендикулярной направлению ветра, и ветроколеса Савониуса [21, 22] или S-образ­ного ротора, в котором две дуги разделены и перекрывают друг друга, образуя канал для прохода воздуха. Простейшие ветроколеса Савониуса изготовлялись из двух половинок разрезанной пополам обычной бочки, которые сваривались друг с другом, образуя лопасти [23]. На рис. 7.2 показано ветроколесо из стекловолокна. Ветроагре­гат Дарье является простым энергоустройством, но подобно другим системам с постоянным углом установки лопастей и высоким КПД он не может самостоятельно запускаться под нагрузкой. Ветроко­лесо приводится во вращение подъемной силой, действующей на про­филированные участки лопастей, причем S-образный ротор исполь­зуется в основном для разгона колеса Дарье. Коэффициент исполь­зования энергии ветра колеса Дарье приблизительно равен коэффи­циенту использования любой хорошей системы с горизонтальной осью вращения [24], но считается, что потенциальными преимущест­вами ветроколес первого топа являются меньшие затраты на изго­товление и простота обслуживания [25]. Важные исследования этой системы проводятся лабораторией «Сандиа» [1].

Модель ветроагрегата мощностью 100 кВт (проект ЭРДА).

Данный проект является основным в программе работ, проводимых США в области ветроэнергетики [2, 26—28] Ветроагрегат имеет двухлопастный пропеллер диаметром 38,10 м с переменным углом поворота лопастей. Пропеллер приводит во вращение синхронный генератор переменного тока через редуктор, установленный на сталь­ной башне высотой 30,48 м. Разработана программа испытаний

с целью получения данных по изготовлению, эксплуатации, рабочим характеристикам и экономическим показателям ветроэнергетических систем винтового типа, предназначенных для выдачи электроэнергии в сеть. Ветроколесо расположено за башней, а вместо традиционно­го хвостового стабилизатора, использовавшегося в более ранних конструкциях для ориентации ветроколеса, применяется система управления с силовым приводом. Выработка энергии начинается при скорости ветра 3,58 м/с, а номинальная мощность 100 кВт дости­гается при скорости 8,05 м/с, т. е. Нном/уп=2,25. Максимальная ско­рость вращения ветроколеса составляет 40 об/мин и поддерживается

при более высоких скоростях ветра путем изменения угла поворота лопастей, осуществляемого с 'помощью сложной гидравлической си­стемы управления.

Ветроустановка в Твинде (Дания). Крупнейший в мире строя­щейся установкой в 1976 г. [29] был ветроагрегат в Твинде непода­леку от западного побережья п-ва Ютландии. В декабре 1975 г.

было закончено сооружение железобетонной башни с расчетной вы­сотой оси ветроколеса над уровнем земли 54 м. Двухлопастное ко­лесо радиусом 27 м начинает вращаться при скорости ветра 3 м/с. тогда как номинальная скорость ветра составляет 14 м/с. При ско­ростях ветра от 14 до 20 м/с изменяется угол поворота лопастей, а при скоростях выше 20 м/с ветроколесо останавливается и лопа­сти фиксируются в нерабочем положении. Проект не финансируется датским правительством, а реализуется совместными усилиями жите­лей институтского городка, которые проводят все работы и выде­ляют средства на проект стоимостью свыше 350 000 долл.

Новая ветроустановка Ветроэнергетической компании Велико­британии. Новый подход к конструкции ветроагрегата принят Вет­роэнергетической компанией, которая разработала простую и надеж­ную. конструкцию ветроколеса пропеллерного типа с автоматической системой регулирования частоты вращения; ветроколесо не нуждает­ся в каких-либо дополнительных устройствах управления, может самозапускаться и защищено от превышения скорости. Поэтому оно не испытывает вибраций и надежно защищено от ураганных поры­вов ветра. В отличие от более ранних конструкций ветроагрегатов в данной конструкции нет электрогенератора в верхней части мачты. Вместо генератора установлена масляная гидравлическая система высокого давления, непосредственно соединенная с ветроколесом, энергия которого передается потребителю в виде энергии рабочей жидкости. На рис. 7.3 показана установка с ветроколесом диамет­ром 5 м. Модульная конструкция дает возможность использовать серийно выпускаемые узлы, обеспечивает высокую маневренность системы и позволяет приспосабливать ее к конкретным режимам путем соответствующего выбора и компоновки стандартных модулей. Возможности использования этой системы весьма широки — от непо­средственной выдачи электроэнергии в национальную энергосистему до применения в сельском хозяйстве, тепличном садоводстве, систе­мах центрального отопления, опреснительных установках, а также домашних системах отопления и освещения. Ветроагрегаты могут дополняться автоматическими системами аккумулирования энергии и резервными установками. Прототип модуля с ветроколесом диа­метром 18,3 м должен быть пущен в эксплуатацию в конце 1976 г. Этот агрегат сооружается на юге Англии и предназначен для отоп­ления крупной теплицы. Проведены также предварительные разра­ботки модуля с ветроколесом диаметром 46 м.

Программы крупномасштабного использования энергии ветра. Кроме США и Дании в Швеции, Голландии, Канаде, Израиле, ФРГ н Японии также приняты планы создания ветроэлектрических гене­раторов, которые могли бы выдавать электроэнергию непосредствен­но в сеть. В марте 1976 г. английская Ассоциация электротехниче­ских исследований сообщила Энергетическому комитету палаты общин, что крупные ветроагрегаты через 10 лет могут обеспечить до 10% всех потребностей Великобритании в электроэнергии, и реко­мендовала создать примерно 1500 ветроагрегатов. Отличительной особенностью таких программ является то, что они опираются на су­ществующую технологию и освоенную технику.

Комплексное использование энергии ветра и солнца. Рису­нок 7.4, где представлено распределение приходов солнечной радиа­ции [30] и ветровых ресурсов [17] на Британских островах, иллю - ; стрирует взаимодополняемость этих энергоисточников. Видно, что хотя среднегодовые дневные приходы суммарной радиации в север­ных районах ниже, зато ресурсы ветровой энергии в них значительно выше. Установлено, что во многих странах повторяемость сильных ветров наиболее значительна в зимние месяцы, когда потребность в энергии достигает максимума. С другой стороны, в этот период при­ход солнечной радиации, которую можно использовать для отопления и нагрева воды, наиболее низок. Решение этой проблемы может заключаться в комплексном использовании энергии - ветра и солнеч­ной энергии для отоплении с помощью применения туннельных, т. е.

снабженных диффузором, ветроколес. Теоретически туннельные ко-1 леса, которые могут свободно вращаться для ориентации в направ­лении ветра, способны вырабатывать значительно больше энергии, чем открытые ветроколеса того же диаметра. Например, Льюис ГЗ1 ] показал, что туннельное колесо диаметром 3,5 м вырабатывает на 46% больше энергии, чем обычное ветроколесо, а согласно работе Лилли и Рейнберда [32] это значение составляет 65%. Если тун­нельные колеса устанавливать не на башне, а монтировать в виде неподвижного комплекса, образующего «ветровую стену», ориенти-

рованную в направлении преобладающих ветров, то получается удовлетворительная с эстетической точки зрения конструкция, кото­рая не нарушает городской пейзаж так, как отдельно стоящий круп­ный ветроагрегат. Одна установка такого типа была предложена для жилого комплекса в Суссексе [33]; для долгосрочного аккуму­лирования тепловой энергии предполагалось использовать подземные водяные баки-аккумуляторы, а склоны выемок под баки для разме­щения солнечных коллекторов. Как показано на рис. 7.5, «ветровая стена» расположена наверху такого склона. Расчетный КПД тун­нельного колеса при фиксированном направлении и высоте располо­жения составляет 77% КПД обычного ветроагрегата такого же размера.