10493

71

Рис. 5.34. Схема получения электроэнергии из энергии ветра для бытового потребления.

Как видно из схемы (рис. 40), процесс транспортировки электрического тока схож с аналогичным процессом в солнечных электростанциях – также первоначально вырабатывается постоянный ток, который накапливается в аккумуляторных батареях, затем с помощью инвертора преобразуется в переменный ток с напряжением в 220В, пригодный для использования в бытовых приборах. В данной схеме в качестве альтернативного источника электрической энергии используется дизель-генератор.

72

Рис. 5.35. Основные элементы ветроэнергетической установки.

В ветроэнергетической установке (рис. 5.35) представлена установка с горизонтальной осью вращения), кинетическая энергия ветра воздействует на лопасти 1, которые крепятся к ротору 2, где совершается механическая работа, передаваемая на электрогенератор 7 при помощи системы зубчатых колес 6. Частота оборотов контролируется контроллером, на который также приходят данные от анемометра по скорости ветра и по флюгеру о его направлении.

73

Рис. 5.36. Диагностика ветроэнергетической установки.

Все ветроэнергетические установки (ВЭУ) (рис. 5.36), классифицируют по следующим признакам:

•мощности: малой, средней, большой, гигантской;

•числу лопастей рабочего колеса — одно-, двух-, трех- и многолопастные;

•отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока — с горизонтальной осью вращения, параллельной или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье).

Маломощные установки (30 – 5000 Вт) - Применяются как зарядные устройства для аккумуляторных систем и создания локальных электрических сетей в местах, где нет доступа к общей энергосистеме.

Установки средней мощности (5 – 100 кВт) также чаще всего применяются для электропитания изолированных хозяйственных объектов.

Установки большой мощности (100 кВт – 5 МВт) и гигантские ветроустановки (более 5 МВт) используются для коммерческой выработки электроэнергии с поставкой ее в электросети, чаще всего в виде ветропарков, образующих ветроэлектростанции.

74

Рис. 5.37. На фотографиях 6МВт гигант Haliade 150 от французской компании Alstom.

Примером гигантских ветроустановок может послужить Haliade 150 (рис. 5.37), диаметр ротора которого составляет 150 м, а длина лопасти 73,5 м.

Представленные ранее на иллюстрациях ветрогенераторы имели горизонтальную ось вращения. Конструктивные отличия ветроэлектрических

75

установок с горизонтальной и вертикальной осями вращения представлены на рис. 5.38. Все роторы с вертикальной осью вращения названы в честь их создателя - французского авиаконструктора Жорджа Жана Мари Дарье (1988-1979), запатентовавшего свое изобретение в 1931 году.

Рис. 5.38. Сравнение ветрогенераторов с вертикальной и горизонтальной осями вращения: слева направо: трехлопастной с горизонтальной осью вращения, пятилопастной с горизонтальной осью вращения, ротор Дарье типа Н, винтообразный ротор Дарье; внизу: классические с горизонтальной осью вращения и вертикальной осью (ротор Дарье).

В качестве альтернативы роторам Дарье в ветроустановках с горизонтальной осью вращения можно привести ротор Савониуса, названного в честь финского архитектора и изобретателя Йоханеса Сигурда Савониуса, изобретение которого датируется 1922 (1924) годом (рис. 5.39).

76

Рис. 5.39. Й.С.Савониус (1884-1931) и конструкция ротора Савониуса.

В настоящий момент горизонтально-осевые ветроэлектрические установки получили наибольшее распространение, а самым популярным видом стали береговые горизонтально-осевые ветроэлектрические установки — ГОВЭУ. Как правило, такие ВЭУ оснащены тремя лопастями (существуют также много-, двух- и однолопастные ВЭУ), а их мощность может достигать 10 МВт. Мощность ГОВЭУ зависит, главным образом, от диаметра и высоты расположения ветроколеса (ротора)

—лопастной системы ВЭУ, воспринимающей аэродинамические нагрузки от

ветрового потока. Диаметр ветроколеса для крупных ВЭУ может достигать 100 м. С целью повышения эффективности работы ГОВЭУ оснащаются специальными устройствами ориентации на ветер. Так, в малых ГОВЭУ могут использоваться обычные флюгеры. Ориентация на ветер более крупных установок требует использования механизированных систем поворота ВЭУ.

Морские ГОВЭУ имеют схожую конструкцию за небольшими исключениями, связанными со способами их установки. Так, морские ГОВЭУ подразделяются на опорные (устанавливаются в мелководье на специальную опоруфундамент) и плавучие (используются на глубоководных морских участках). Морские ГОВЭУ позволяют нивелировать некоторые недостатки береговых аналогов. Так, во избежание негативного «теневого» эффекта (аэродинамический

77

след работы соседних ВЭУ) ГОВЭУ должны быть установлены на определенном расстоянии друг от друга. Такая ситуация ведет к проблемам поиска оптимальных территорий для размещения ВЭУ на суше. Выбор мест размещения морских ГОВЭУ менее ограничен.

Плавучие ГОВЭУ могут также размещаться в местах, удаленных от суши на расстояние до 20 км, в результате они не видны с берега и визуально не портят ландшафт. Кроме того, морские ГОВЭУ работают в более благоприятных условиях (более высокая и стабильная скорость ветра) для выработки электроэнергии.

Тем не менее, морские ГОВЭУ характеризуются более высокими по сравнению с береговыми аналогами капитальными издержками, что обусловлено повышенной сложностью их установки, в том числе более протяженной сетевой инфраструктурой, особенно для плавучих ГОВЭУ. Кроме того, размещение ВЭУ в море требует проведения анализа их негативного эффекта на морскую экосистему

(рис. 5.40).

Рис. 5.40. Морские ГОВЭУ: слева прибрежная, справа на плавучей платформе.

Однако далеко не всегда требуются огромные мощности, вырабатываемые ветрогенераторами. Так, например, для автономного освещения уличного фонаря достаточно небольшого ветрогенератора или солнечной панели или их комбинации

(рис.5.41).

78

Рис. 5.41. Автономный фонарь: слева компания «Амира», справа компания «Оптилайт».

Весьма интересным изобретением для бытового использования (можно установить во дворе любого дома) может послужить Dragonfly Invisible Wind Turbine, который создал итальянец Ренцо Пьяно (рис. 5.42). Этот двухлопастной ветряк имитирует способность стрекозы парить в воздухе, используя самые слабые бризы.

Рис. 5.42. Чертежи Dragonfly Invisible Wind Turbine

Еще одним интересным вариантом ветряка небольшой мощности может послужить модульный мобильный блок (модульный турбинный блок), развивающий мощность до 50 кВт от американской компании Eastern Wind Power (рис. 5.43).

79

Рис. 5.43. Модульный турбинный блок.

Как и солнечная энергетика, ветряная энергетика постоянно развивается, и новые модификации ветроэлектрических установок появляются с завидной периодичностью. Вместе с тем высокие капитальные издержки на единицу мощности по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями, необходимость развитой инфраструктуры и шумовое, визуальное и электромагнитное воздействие на окружающую среду (последний из этих пунктов является предметом многочисленных споров) не позволяют полностью вытеснить традиционные способы получения энергии. Однако занять определенную нишу в данной области ветроэнергетике вполне по силам.

80

ЭНЕРГИЯ ОКЕАНА

Океан несет в себе огромный энергетический потенциал, который может быть реализован самыми различными способами.

Этот потенциал раскрывается через следующие составляющие:

1.энергия ветровых волн и зыби;

2.энергия приливов;

3.энергия океанических течений;

4.энергия температурного градиента морской воды;

5.энергия градиента солености.

Это далеко не полный перечень возможных направлений применения океанической энергии, однако, множество установок по её использованию находится либо в виде единичных экспериментальных установок, либо в виде идей.

Волны на океане возникают за счет воздействия ветра (передвижения воздушных масс), поэтому в литературе часто можно встретить словосочетание ветровые волны. После прекращения действия ветра на поверхности океана остаются относительно длинные волны, не связанные или слабосвязанные с ветром, которые называются зыбь.

Приливы и отливы это тоже волны, имеющие в отличие от ветровых волн и зыби другую природу образования. Приливы и отливы создают приливные течения, направление движения которых могут изменять свое направление и скорость несколько раз за сутки.

Под приливными течениями понимают горизонтальные движения частиц воды, вызываемые действием сил притяжения (приливообразующих сил) Луны и Солнца. Вторичными силами, влияющими на эти движения, являются сила, обусловленная возникающим в процессе приливов наклоном уровня вод, силы Кориолиса и трения.

Счет патентам, устройствам и изобретениям в области преобразования энергии ветровых волн в электрическую энергию идет на тысячи. Однако, большинство из них так и не получило конечную реализацию.

В качестве успешного примера хочется привести гибридную установку, которая