Practical Action/Energy from the wind/ru
Ветряные мельницы использовались на протяжении многих веков для перекачки воды и помола зерна. Открытие двигателя внутреннего сгорания и развитие электросетей привели к исчезновению многих ветряных мельниц в начале этого века. Однако в последние годы интерес к ветроэнергетике возрождается, и во всем мире предпринимаются попытки внедрить экономически эффективные системы преобразования энергии ветра в этот возобновляемый и экологически безопасный источник энергии.
В развивающихся странах энергия ветра может играть полезную роль в водоснабжении и ирригации (ветряные насосы), а также в производстве электроэнергии (ветряные генераторы). Эти два варианта ветроэнергетических технологий рассматриваются в отдельных технических обзорах. В настоящем обзоре дан общий обзор этого ресурса и технологии извлечения энергии из ветра.
Доступность энергии ветра
Сила ветра пропорциональна кубу скорости ветра. Общая формула для расчета силы ветра:
Если скорость (v) выражена в м/с, то на уровне моря (где плотность воздуха составляет 1,2 кг/м3) мощность ветра равна:
Это означает, что плотность мощности ветра будет варьироваться от 10 Вт/м² при 2,5 м/с (лёгкий бриз) до 41 000 Вт/м² при 40 м/с (ураган). Эта изменчивость ветроэнергетического ресурса существенно влияет практически на все аспекты проектирования, строительства, размещения, эксплуатации и экономичности систем преобразования ветровой энергии.
Ресурсы ветра
К сожалению, доступность и надёжность данных о скорости ветра во многих регионах мира крайне ограничены. На обширных территориях мира среднегодовая скорость ветра, по всей видимости, ниже 3 м/с, что делает их непригодными для использования в ветроэнергетических системах. Почти на столь же обширных территориях скорость ветра находится в промежуточном диапазоне (3–4,5 м/с), где ветроэнергетика может быть как привлекательным вариантом, так и нет. Кроме того, на значительных территориях среднегодовая скорость ветра превышает 4,5 м/с, и ветроэнергетика, безусловно, будет экономически конкурентоспособной.
Принципы преобразования энергии ветра
Существует два основных физических принципа, по которым можно извлекать энергию из ветра: создание либо сопротивления, либо подъёмной силы (или их комбинации). Разница между сопротивлением и подъёмной силой проиллюстрирована (см. Рисунок 1) на примере разницы между использованием спинакера, который наполняется подобно парашюту и тянет парусную лодку по ветру, и бермудского такелажа, знакомого треугольного паруса, который отклоняется ветром и позволяет парусной лодке двигаться поперёк ветра или немного против ветра. Силы сопротивления являются наиболее очевидным средством движения, поскольку они ощущаются человеком (или предметом), подверженным воздействию ветра. Подъёмные силы являются наиболее эффективным средством движения, но, будучи более тонкими, чем силы сопротивления, они не так хорошо изучены.
Основными характеристиками, характеризующими подъемную силу и сопротивление, являются:
- сопротивление направлено в направлении потока воздуха
- подъемная сила перпендикулярна направлению потока воздуха
- создание подъемной силы всегда вызывает возникновение определенного сопротивления
- При хорошем профиле создаваемая подъемная сила может быть более чем в тридцать раз больше сопротивления
- подъемные устройства, как правило, более эффективны, чем буксировочные устройства
Типы и характеристики роторов ветряных мельниц
Существует два основных типа ветряных мельниц: вертикально-осевые и горизонтально-осевые. Они, в свою очередь, могут использовать как подъёмную силу, так и силу сопротивления ветра. Подъёмные устройства с горизонтальной осью вращения представляют собой подавляющее большинство успешных ветряных мельниц, как древних, так и современных. Фактически, за исключением нескольких экспериментальных установок, практически все ветряные мельницы относятся к этой категории.
Существует несколько технических параметров, используемых для характеристики роторов ветряных электростанций. Коэффициент угловой скорости определяется как отношение скорости вращения концов ротора ветряной электростанции к скорости свободного ветра. Это мера «передаточного отношения» ротора. У тяговых устройств коэффициент угловой скорости всегда меньше единицы, и поэтому они вращаются медленно, в то время как у подъёмных устройств коэффициент угловой скорости может быть высоким, и поэтому они быстро вращаются относительно ветра.
Доля мощности ветра, которую ротор может извлечь, называется коэффициентом полезного действия (или коэффициентом мощности или эффективностью; обозначение Cp), и его изменение в зависимости от коэффициента быстроходности обычно используется для характеристики различных типов роторов. Физически невозможно извлечь всю энергию ветра, не останавливая воздух за ротором. Следовательно, максимальное значение Cp составляет 59,3% (известное как предел Беца), хотя на практике реальные ветровые роторы имеют максимальные значения Cp в диапазоне от 25% до 45%.
Прочность обычно определяется как процент окружности ротора, заполненной материалом, а не воздухом. Высокопрочные роторы имеют большой объём материала и большие углы установки лопастей. Они создают гораздо более высокий пусковой крутящий момент, чем роторы с низкой плотностью, но по своей природе менее эффективны, чем роторы с низкой плотностью, как показано на рисунке 4. Дополнительные материалы также стоят дороже. Однако роторы с низкой плотностью требуют более высокой точности изготовления, что не приводит к существенной разнице в стоимости.
Выбор ротора во многом определяется характеристиками нагрузки и, следовательно, конечного использования. Эти аспекты рассматриваются отдельно в технических описаниях ветровых насосов и ветрогенераторов. В таблице 1 представлено сравнение различных типов роторов.
| Тип | Скорость | Крутящий момент | Производство | С П | Прочность % |
|---|---|---|---|---|---|
| Горизонтальная ось | |||||
| критский парус | Низкий | Середина | Простой | 0,05-0,15 | 50 |
| Вентилятор с изогнутыми пластинами | Низкий | Высокий | Умеренный | 0,15-0,30 | 50-80 |
| Аэрогенератор средней скорости | Умеренный | Низкий | Умеренный | 0,20-0,35 | 5-10 |
| Высокоскоростной аэрогенератор | Высокий | Очень низкий | Точный | 0,30-0,45 | < 5 |
| Вертикальная ось | |||||
| Панемон | Низкий | Середина | сырая нефть | > 0,10 | 50 |
| Савоний | Умеренный | Середина | Умеренный | 0,15 | 100 |
| Дарье | Умеренный | Очень низкий | Точный | 0,25-0,35 | 10-20 |
| Изменяемая геометрия | Умеренный | Очень низкий | Точный | 0,20-0,35 | 15-40 |
производительность ветряной мельницы
Хотя доступная мощность пропорциональна кубу скорости ветра, выходная мощность имеет зависимость от скорости ветра в меньшей степени. Это связано с тем, что общий КПД ветряной мельницы (произведение КПД ротора , КПД трансмиссии и КПД насоса или генератора) изменяется со скоростью ветра. Существует четыре важных характерных показателя скорости ветра:
- скорость включения ветра: когда машина начинает вырабатывать мощность
- расчетная скорость ветра: когда ветряная мельница достигает максимальной эффективности
- номинальная скорость ветра: когда машина достигает максимальной выходной мощности
- скорость сворачивания ветра: когда машина сворачивается, чтобы предотвратить повреждения при высокой скорости ветра.
Данные о производительности ветряных электростанций могут быть обманчивыми, поскольку они могут относиться к пиковой эффективности (при расчётной скорости ветра) или пиковой выходной мощности (при номинальной скорости ветра). Эти данные также могут относиться к средней выходной мощности за определённый период времени (например, за день или месяц).
Поскольку выходная мощность меняется в зависимости от скорости ветра, средняя выходная мощность за определённый период времени зависит от локальных колебаний скорости ветра от часа к часу. Следовательно, для прогнозирования выходной мощности конкретной ветряной электростанции необходимо знать её выходные характеристики и кривую распределения скорости ветра на данной площадке (продолжительность работы при различных скоростях ветра). Перемножение значений на обоих графиках для каждого интервала скорости ветра и сложение всех произведений даёт общую выходную мощность данной ветряной электростанции на данной площадке.
Ссылки и дополнительная литература
- Ветряная энергетика ( практическое руководство по техническим вопросам )
- Ветроэнергетика для производства электроэнергии. Практические действия. Техническое описание.
- С. Даннетт: Малые ветроэнергетические системы для зарядки аккумуляторов. Практические действия. Техническая информационная брошюра.
- Хью Пигготт: «Это просто бриз. Руководство по выбору ветроэнергетики». Центр альтернативных технологий, 1998 г.
- Э. Х. Лисен: Введение в ветроэнергетику, базовое и углубленное введение в ветроэнергетику с акцентом на ветряные электростанции с водяными насосами. SWD, Нидерланды, 1982 г.
- Джек Парк: Книга о ветроэнергетике. Cheshire Books, США, 1981
- Хью Пиггот: Практикум по ветроэнергетике: создание собственной ветряной турбины. Центр альтернативных технологий, 1997 г.
- С. Ланкашир, Дж. Кенна и П. Френкель: Справочник по ветроэнергетике. IT-издания, Лондон, 1987 г.
- П. Френкель, Р. Барлоу, Ф. Крик, А. Деррик и В. Бокалдерс: Ветряные насосы – руководство для специалистов по развитию. Издательство ITDG, 1993.
- Дэвид, А. Спера: Технология ветротурбин, фундаментальные концепции ветротурбиностроения. ASME Press, 1994
- Э. В. Голдинг: Генерация электроэнергии ветровой энергией, Redwood Burn Limited, Троубридж, 1976 г.
- Т. Андерсон, А. Дойг, Д. Рис и С. Хеннас: Сельские энергетические услуги — руководство по устойчивому развитию энергетики. ITDG Publishing, 1999.
Полезные адреса
Британская ассоциация ветроэнергетики,
26 Spring Street, London, W2 1JA, Великобритания
Тел.: +44 020 7 402 7102
Факс: +44 020 7402 7107
Электронная почта: bwea@gn.apc.org
Веб-сайт: http://www.bwea.com
Торговая ассоциация, содействующая совершенству в
исследованиях, разработках и
внедрении в области энергетики.
CAT (Центр альтернативных технологий)
Llwyngwern Quarry
Machynlleth, Powys SY20 9QZ, UK
Тел.:+44(0) 1654 702409
Факс:+44(0) 1654 702782
Электронная почта: info@cat.org.uk
Веб-сайт: http://www.cat.org.uk
Европейская ассоциация ветроэнергетики,
Rue du Trone 26, B-1040 Брюссель, Бельгия.
Тел.: +32 2 546 1940
Факс: +32 2 546 1944
Электронная почта: ewea@ewea.org
Веб-сайт: http://web.archive.org/web/20050204093715/http://www.ewea.org:80/src/about.htm
| Авторы | Клаус Лейсс |
|---|---|
| Лицензия | CC-BY-SA-3.0 |
| Расположение | {{{координаты}}} |
| Организации | Практические действия |
| Перенесено из | https://practicalaction.org/ ( оригинал ) |
| Цитировать как | Клаус Лейсс (2007–2024). «Практическое действие/Энергия ветра» . Appropedia . Дата обращения: 20 сентября 2025 г. |