Нетрадиційна енергоекономія (апаратура)

Вступ.

1. Питомі характеристики енергетичного потенціалу вітру на території України.

2. Питання розробки і використання вітроенергетичних установок невеликої потужності.

Висновки.

Список використаної літератури.

Вступ

У пошуках альтернативних джерел енергії в багатьох країнах чимало уваги приділяють вітроенергетиці. Вітер служив людству протягом тисячоліть, забезпечуючи енергію для вітрильних суден, для розмелу зерна і перекачування води. В даний час головне місце займає виробництво електроенергії. Уже сьогодні в Данії вітроенергетика покриває близько 2% потреб країни в електроенергії. У США на декількох станціях працює близько 17 тисяч вітроагрегатів загальною потужністю до 1500 Мвт. Вітроенергетичні пристрої випускаються не тільки в США і Данії, але і Великій Британії, Канаді, Японії і деяких інших країнах.

Для того, щоб будівництво вітроелектростанції виявилося економічно виправданим, необхідно, щоб середньорічна швидкість вітру в даному районі складала не менш 6 метрів за секунду. У нашій країні вітряки можна будувати на узбережжях Чорного і Азовського морів, у степових районах, а також у горах Криму і Карпат. У нинішню епоху високих цін на паливо можна вважати, що вітродвигуни виявляться конкурентоздатними по вартості і зможуть брати участь у задоволенні енергетичних потреб країни.

1. Питомі характеристики енергетичного потенціалу вітру на території України

Уряд України схвалив комплексну програму будівництва вітрових електростанцій (Постанова Кабінету міністрів № 137 від 3 лютого 1997 р.). Для її виконання необхідно визначити вітроенергетичний потенціал приземного шару атмосфери на території нашої держави та найбільш сприятливі регіони для будівництва ВЕУ. Основою розрахунків вітроенергетичних ресурсів може бути інформація про параметри вітрових потоків, тобто середні місячну та річну швидкості вітру, ймовірність повторення швидкостей за величиною та напрямками тощо. Вимірювання та статистичне оброблення параметрів вітру здійснюється в організаціях Державного комітету з гідрометеорології та на відомчих метеостанціях.

Безпосереднє використання результатів для визначення вітроенергетичних ресурсів у багатьох випадках може призвести до значних похибок, зумовлених такими причинами:

1. Швидкості вітру на метеостанціях вимірюються на висоті 9 — 20 м, тоді як вісь обертання лопатей сучасних вітроелектричних установок може розміщуватись на висотах до 52 м.

2. Незважаючи на ретельне вимірювання швидкості вітру в місці розташування вимірювального пристрою, воно буде не точним через його затінення різними перешкодами (дерева, будівлі тощо). Якщо не враховувати цього, отримані результати суттєво відрізнятимуться від аналогічних, зроблених на придатній для будівництва вітроустановок відкритій місцевості. Як приклади можна навести умови затінення метеостанції Очаків та особливості рельєфу місцевості метеостанції Мисове. На метеостанції Очаків вимірювання вітру здійснюється на висоті 10,6м над земною поверхнею, тоді як висота перешкод з трьох напрямків сягає 15 — 20 м, а відстань до них—40 — 80 м. Лише в північно-східному напрямку перешкоди відсутні. Тому вимірювальний пристрій реєструє меншу швидкість ніж на відкритій місцевості. Протилежними є умови на метеостанції Мисове, де вимірювальний майданчик розташований на березі моря на скелі заввишки 15 м, а анеморумбометр типу М-63 розміщений на щоглі заввишки 9 м. Тому під час використання результатів вимірювання потрібно враховувати як висоту розташування анеморумбометра на щоглі, так і висоту природного підвищення [6, c. 112-113].

Ситуація з невизначеністю вихідних даних може бути вирішена двома способами. Перший — отримання вірогідних даних про швидкість вітру для задач вітроенергетики полягає у створенні мережі автоматизованих вимірювальних пунктів, розташованих на відкритих майданчиках та функціонуючих без чергового персоналу, з періодичним обробленням результатів вимірювання сучасною обчислювальною технікою. Створення такої мережі повинно здійснюватись на перших етапах виконання комплексної програми будівництва вітрових електростанцій. Другий спосіб полягає у приведенні вихідних даних до рівнозначних умов для отримання експертних оцінок вітронергетичних ресурсів та визначення техніко-економічних показників застосування вітроустановок на початку виконання комплексної програми. А саме: до висоти 10м над земною поверхнею, що відповідає міжнародному стандарту; до умов відкритої місцевості. Основні характеристики енергетичного потенціалу вітру такі:

Еп — природний потенціал, що являє собою кінетичну енергію вітрового потоку за рік і переноситься через перетин розміром 1 м2 на висоті Н над земною поверхнею;

vp— розрахункова швидкість вітру, на якій пере-носиться найбільша його енергія протягом року;

Ет — потенціал, який можна технічно реалізувати, — річний обсяг енергії, що його можна отримати за допомогою вітроустановки з площею вітроколеса 1 м2. Його центр розташований на висоті Н над земною поверхнею [4, c. 81].

2. Питання розробки і використання вітроенергетичних установок невеликої потужності

Нині в умовах, коли Україна покриває значну частину своїх енергетичних потреб за рахунок поставок з Росії та інших країн нафти і природного газу, гостро постає питання використання нетрадиційних джерел енергії — і в першу чергу енергії вітру.

Слід відзначити, що річний технічний вітроенергетичний потенціал України оцінюється в 30 ТВт-год. В Україні розгорнуто будівництво мережних вітряків потужністю 110 кВт, виробництво яких організовано американсько-українською фірмою "УІНДенерго" на заводах оборонно-промислового комплексу. Особливістю цих вітроенергетичних установок є те, що вони починають стартувати зі швидкістю вітру 7 м/с і розвивають номінальну потужність при швидкості вітру 13 м/с, тобто будівництво мережних вітрових установок потужністю 110 кВт доцільно лише в Криму і Карпатах. Коефіцієнт використання номінальної потужності установок на 110 кВт на першій в Україні Донузлавській ВЕС становить близько 6 %.

В Україні створено кілька вітроенергетичних установок невеликої потужності. Це установки ВЕУ-075 (фірма "Світ вітру", Харків), ВЕУ-10 (" Крименерго"), АВЕ-3 та ін., однак державні випробування пройшли лише установки ВЕУ-075 та ВЕУ-10. їх основним недоліком є те, що вони розраховані на досягнення номінальної потужності при швидкостях вітру, вірогідність появи яких в Україні дуже незначна (рис. 1).

Згідно з картою потенціалу вітрової енергії в Україні на більше 80% території середня швидкість вітру становить до 4,5 м/с, 15% території України має середньорічну швидкість вітру 5 м/с і тільки 5 % — більше 5,5 м/с (рис. 2). Виходячи із цього розроблено вітроенергетичні установки невеликої потужності (до 20 кВт), що розвивають номінальну потужність при швидкості 7 м/с і більше [2, c. 53].

Ще в 1940-ві pp. німецький вчений Р.Фогдт писав, що при розрахунку номінальної швидкості вітроколеса необхідно враховувати, скільки годин протягом року є цей номінальний вітер в країні.

У той же час в Україні створено експериментальні зразки вітроенергетичних установок, що розвивають номінальну потужність при середньорічних швидкостях вітру в Україні. Це тихохідна вітроенергетична установка потужністю 5 кВт Львівського державного аграрного університету (рис. 3), установка потужністю 2,5 кВт заводу "Строммашина" та ін.

Заслуговує на увагу роторно-вихровий вітродвигун розробки Є.К. Цвентуха, який працює при низьких швидкостях вітру і має коефіцієнт використання вітрового потоку на рівні 0,36-0,42 за рахунок застосування ефекту Магнуса [1, c. 67-68].

Однак зупинімося на вимогах, яким повинна відповідати вітроенергетична установка для сільськогосподарського виробника?

1. Сільськогосподарському споживачу вітрової енергії важливо, щоб вітроустановка працювала максимальну кількість днів і починала продукувати електроенергію при швидкості вітру 1-1,5 м/с, а номінальну потужність розвивала при швидкості вітру, вірогідність появи якої найвища, тобто при середній швидкості вітру в зоні розташування.

2. Вітроенергетична установка для сільгоспвиробника повинна комплектуватись акумуляторами, причому їх потужність повинна забезпечувати споживача в період відсутності вітру.

3. Вітроенергетична установка невеликої потужності монтується на садибі, де відсутня промзона. Під вітроустановкою можуть знаходитись діти, жителі садиби. Фермер і діти не можуть постійно носити каски, щоб захиститись від травм при обриві лопатей вітроколеса. В зв'язку з цим автономні вітряки невеликої потужності повинні бути тихохідними, щоб виключити можливість обриву лопатей. В процесі експлуатації вітроенергетичних установок ВЕУ-075 зафіксовано випадок обриву лопатей вітроустановки при шквальних поривах вітру, коли різко збільшується кількість обертів вітряка.

4. За розрахунками фахівців Інституту нетрадиційної енергетики, споживачами вітроустановок залежно від потужності можуть бути малі села, хутори, великі фермерські господарства (20 кВт); невеликі та середні фермерські господарства (6,3-7,5 кВт); приватні сімейні підприємства (2,0-2,4 кВт); середньостатистична українська сім'я (0,63-0,75 кВт); приміський дачник (0,20-0,24 кВт) (2).

На основі опитування фермерів, вивчення рівня споживання електроенергії різними сільськогосподарськими виробниками установлено, що типорозмірний ряд автономних вітроенергетичних установок повинен включати установки потужністю 2,5; 5; 10; 15 і 20 кВт.

5. Автономні вітроустановки повинні забезпечувати отримання напруги 220 В з частотою 50 Гц, оскільки до них підключаються телевізори, електробритви, холодильники та інші побутові прилади.

Аналіз створених останнім часом в Україні автономних вітроенергетичних установок свідчить, що розробки їх здійснювались, як правило, за кошти різних підприємств [7, c. 14-15].

Потреба у вітроустановках малої потужності в Україні прогнозується на рівні 176 тис. шт. вітроелектричних і 60 тис. шт. вітромеханічних установок.

Проте незважаючи на суттєвий прогрес у створенні вітротехніки до цього часу в Україні практично відсутній серійний випуск малих вітроагрегатів: електричних, механічних, млинів та ін. Причинами такої ситуації є недостатня увага з боку держави до розвитку малої вітроенергетики і відсутність державного стимулювання виробників і споживачів малої вітротехніки, низька купівельна спроможність споживачів і відсутність обігових коштів у виробників.

Розрахунки, проведені в УкрЦВТ, показують, що річне енергоспоживання середнього фермерського господарства (а їх в Україні більше 45 тис.) становить 8700 кВт-год на рік. У той же час прогнозоване виробництво електроенергії на рік вітроенергетичною установкою потужністю 2,5 кВт становить 2628 кВт-год, 5 кВт — 5256 кВт-год; 10 кВт -10512 кВт-год; 15 кВт — 15768 кВт-год; 20 кВт -21024 кВт-год, тобто вітроенергетичні установки потужністю 10 кВт і більше покривають річну потребу в електроенергії середнього фермерського господарства.

Необхідно прийняти державну програму розробки і освоєння серійного виробництва в Україні автономних тихохідних вітроенергетичних установок потужністю від 2,5 до 20 кВт, розрахованих на низьку стартову швидкість і середню швидкість вітру 4,5-5,5 м/с [2, c. 55].

Висновки

Більшість великих вітродвигунів, що споруджуються зараз чи уже діючих, розраховано на роботу при швидкостях вітру 17-58 кілометрів за годину. Вітер зі швидкістю менше 17 кілометрів за годину дає мало корисної енергії, а при швидкостях більш 58 кілометрів за годину можливе пошкодження двигуна.

Вітродвигуни не слід розраховувати на перехоплення штормових вітрів. Навіть якщо такий вітер забезпечує одержання набагато більше енергії, ніж слабкі вітри, він робить настільки сильний тиск на крила, що вся машина може бути зруйнована. Крім того, тривалість часу, коли дмуть штормові вітри, настільки мала, що внесок штормових вітрів у сумарне виробництво енергії незначний, і це робить подібний ризик безглуздим. Щоб усунути проблему штормових вітрів, крила вітродвигунів згинають так, щоб вони були злегка повернені в одну сторону для зменшення напору вітру; завдяки цьому повні удари сильних поривів не ушкоджують пропелер. Ця стара практика відома як «оперення». Щоб запобігти поломці крил, застосовують також нові матеріали, здатні протистояти великим навантаженням.

Інші проблеми в конструкції вітродвигунів обумовлені просто природою системи, необхідної для перехоплення енергії вітру. Двигуни звичайно встановлюють на високих вежах, щоб пропелери були відкриті більш сильним вітрам, що дмуть на великій висоті. Ближче до поверхні землі будинки, дерева, невеликі пагорби і т.п. стримують і послабляють вітер. Тому потрібні високі щогли. Однак важке устаткування — пропелер, коробка передач і генератор — повинні розміщатися на верхівці щогли, і це вимагає міцної конструкції.

Ще одну проблему використання енергії від вітродвигуна створює природа самого вітру. Швидкість вітру варіює в широких межах — від легкого подиху до могутніх поривів; у зв'язку з цим міняється і число обертів генератора за секунду. Для усунення цього перемінний струм, що виробляється при обертанні осі генератора, випрямляють, тобто перетворюють у постійний, що йде в одному напрямку. При великих розмірах вітродвигуна цей постійний струм надходить в електронний перетворювач, що робить стабільний перемінний струм, придатний для подачі в енергетичну систему. Невеликі вітродвигуни на кшталт тих, що використовують на ізольованих фермах чи на морських островах, подають випрямлений струм у великі акумуляторні батареї замість перетворювача. Акумуляторні батареї необхідні для запасання електроенергії на періоди, коли вітер занадто слабшає для виробництва енергії.

Список використаної літератури

1. Борсук Є.П. Перспективи концентрації вітру для видобутку електроенергії //Енергетика та електрифікація. — 2007. — № 7. — C. 66-69.

2. Васько П. Питомі характеристики енергетичного потенціалу вітру на території України //Энергетика и электрификация. — 1997. — № 4. — C. 53-55

3. Маркетинговые исследования рынка ветроэнергетического оборудования в Украине. — Киев: Киевский НТКИВЦ "Концентр", 1993.

4. Оніпко О.Ф., Коробко Б.Л. Мала вітроенергетика. — К. 2000. — Огляд інформ. Сер. Енергетика. — 2000. — Вип. 1.

5. Шпак Я. Енергія карпатських вітрів //Урядовий кур'єр. — 2000. — 12 жовтня. — C. 5

6. Ясенецький В. Стан і основні напрями використання поновлюваних джерел енергії //Пропозиція. — 2008. — № 8. — C. 112-119

7. Ясенецький В., Клименко В., Шейченко В. Проблеми і перспективи впровадження поновлюваних джерел енергії в сільськогосподарському виробництві //Техніка АПК. -2004. — № 4-5.