јктуальность совместного использовани€ солнечной и ветровой энергии дл€ энергетики малых мощностей

јктуальность совместного использовани€ солнечной и  ветровой энергии дл€ энергетики малых мощностей

¬ этом мире всему свое врем€, и технологи€ (устройство, система), хот€ и основанна€ на аргументированных доказательствах, не пустит корней, и не будет развиватьс€, если подобно растению, она не будет брошена в землю в нужное врем€. 

Ђ¬ек должен быть подготовленї, Ч говор€т «нающие; и каких-нибудь сорок лет тому назад насто€щий материал был бы обречен на саморазрушение собственным содержанием. Ќо современные достижени€ в энергетике возобновл€емых источников энергии (¬»Ё), несмотр€ на ежедневные Ђразоблачени€ї и насмешки со стороны каждого, св€завшего жизнь с традиционной энергетикой (с еЄ многочисленными минусами), растут и усиливаютс€ фактами, если не мудростью и прозрением. “о, что тридцать лет тому назад казалось бы просто нелепым, абсурдным, теперь будет выслушано, потому, что достижени€ энергетики ¬»Ё подтверждаютс€ практикой.   несчастью, хот€ эффективность технологий энергетики ¬»Ё растет с каждым годом, не наступает соответствующего улучшени€ в сознании части человечества. –аспознавани€ и ответственности не хватает так же, как всегда.

”же сегодн€ с ещЄ порой высокой стоимостью установленного киловатт часа энергетика ¬»Ё может быть востребована дл€ энергоснабжени€, например, санаторно-курортных комплексов как отвечающа€ требовани€м дл€ них по охране окружающей среды, экологии. “ак в ќмской области по качеству климато-рекреационных факторов, можно выделить 5 основных курортно-рекреационных зон Ч 3 из них функционирующие: ќмска€,  расно€рско-„ернолученска€ и “аврическа€. ќни удовлетвор€ют основным требовани€м, предъ€вл€емым к курортно-рекреационным и лечебным местност€м. Ёто доступность территории, хорошие транспортные пути, красивые ландшафты, благопри€тные климатические особенности, наличие неограниченных запасов природных лечебных факторов, близость промышленных и сельскохоз€йственных районов, обеспечивающих бесперебойное продовольственное снабжение. “юкалинска€ и  ормиловска€ зоны выделены в перспективные дл€ дальнейшего развити€ курортно-оздоровительных учреждений области.

ѕотребность в экологически чистом производстве энергии есть всегда. ѕоэтому эволюци€ использовани€ ¬»Ё нашла свое отражение как же в терминологии прин€той ќЌЌ.

¬ насто€щее врем€ в св€зи с тем, что в мире преобладает использование ископаемого органического топлива над ¬»Ё, ресурсы ¬»Ё различных стран и континентов дел€тс€ на валовой, технический и экономический потенциалы.  ажда€ страна мира в зависимости от своего географического положени€ и существующих технологий имеет свои приоритетные виды ¬»Ё, причем каждый из них имеет свои прогнозируемые потенциалы, которые посто€нно корректируютс€:

  • технический потенциал Ч измен€етс€ по мере развити€ существующих технологий, оборудовани€ и инновационных решений не столько в рассматриваемых странах, как в мире в целом;
  • экономический потенциал Ч измен€етс€ в зависимости от истощени€ ископаемого органического топлива и его стоимости на мировых и внутренних рынках, освоени€ новых территорий, развити€ дорожной инфраструктуры, а также, особенно в последнее врем€, с учетом соблюдени€ экологического равновеси€ и приоритетом производства продуктов питани€ над энергетическим сектором производства биотоплива.
 роме того, что климат каждой страны вносит свои коррективы в интенсивность развити€ энергетики ¬»Ё, и сами Ђбазовые технологииї энергетики ¬»Ё претерпевают изменени€ с целью более эффективного использовани€ на месте как определенного вида ¬»Ё, так и за счет их комплексного использовани€. ” ¬»Ё, к сожалению, низка€ плотность. »з-за этого еЄ трудно использовать дл€ энергетики больших мощностей.

ѕоскольку современный темп повышени€ эффективности технологий энергетики ¬»Ё очень высок, то при оценке еЄ возможностей следует исходить в первую очередь из технического потенциала, т.к. только он показывает, какое из направлений энергетики ¬»Ё следует развивать в первую очередь.

“ехнический потенциал части видов ¬»Ё в –оссии просто огромен. ѕотенциал, который может быть реализован на современном уровне развити€ техники в –оссии составл€ет 4,6 млрд т у. т. Ёто в 5 раз больше общего энергопотреблени€. ≈сли говорить о цифрах по различным видам ¬»Ё, то они представлены в таблице 1 из источника [1].

“аблица 1 Ц “ехнический потенциал ¬»Ё в –оссии (»нститут теплофизики —ќ –јЌ, г. Ќовосибирск)

¬»Ё

“ехнический потенциал, млн т у. т.

—олнечна€ энерги€

¬етрова€ энерги€

√еотермальна€ энерги€

Ёнерги€ малых водотоков

Ќизкопотенциальное тепло

Ѕиомасса

2300

2000

180

125

115

53


 ак видно из таблицы 1 дл€ –оссии технические потенциалы солнечной и ветровой энергии на пор€док превосход€т остальные виды ¬»Ё.

  серьезным недостаткам этих ¬»Ё, ограничивающих их широкое практическое применение, относ€тс€ невысока€ плотность энергетических потоков и их непосто€нство во времени и, как следствие этого, необходимость значительных затрат на оборудование, обеспечивающее сбор, аккумулирование и преобразование энергии.

“ак, например, плотность потока солнечного излучени€ на поверхность земли в полдень €сного дн€ составл€ет всего около 1 к¬т/м2, а его среднегодовое значение (с учетом сезонных и погодных колебаний) дл€ самых солнечных районов земного шара не превышает 250 ¬т/м2 (дл€ средней полосы –оссии 120 ¬т/м2).

—редн€€ удельна€ плотность энергии ветрового потока, как правило, не превышает нескольких сотен ¬т/м2. “ак при скорости ветра 10 м/с удельна€ плотность потока энергии (≈ = ⅟₂ρV3, ρ Ч плотность воздуха, V Ч скорость ветра) приблизительно равна 500 ¬т/м2.

ѕлотность энергии водного потока, имеющего скорость 1 м/с, также составл€ет всего около 500 ¬т/м2. ƒл€ сравнени€ укажем, что плотность теплового потока на стенках топки парового котла достигает нескольких сотен к¬т/м2.

Ќеустойчивость ветра приводит к необходимости применени€ средств аккумул€ции энергии. Ёто удорожает установку, и в целом стоимость получаемой энергии оказываетс€ выше, чем на гидроэлектростанци€х (√Ё—) и многих теплоэлектростанци€х (“Ё—).

ѕри современных аэродинамически совершенных винтах и преобразующих устройствах 2,6∙106 м2 фронта ветра могут дать мощность 150 ћ¬т при любой скорости ветра, превышающей 6 Ц 8 м/с.

ќбычно в мировой практике прин€то считать, что если среднегодова€ скорость ветра в данной местности превышает 5 Ц 6 м/с, то использование ветроэлектрических установок (¬Ё”) здесь весьма перспективно.

ќднако, несмотр€ на это, технологии использовани€ этих видов ¬»Ё активно развиваютс€ во многих странах мира, многие из них достигли коммерческой зрелости и успешно конкурируют на рынке энергетических услуг, в том числе при производстве электрической энергии.

  особенност€м этих видов ¬»Ё относитс€ то, что они в максимальном своем про€влении как бы Ђзатен€ютї друг друга, особенно в летний период. “ак, если сильный ветер, при перемене погоды, то обычно больша€ облачность и меньше инсол€ци€, а при слабом ветре Ч больше интенсивность солнечного излучени€. ѕри солнечной погоде, когда нет облаков, обычно не бывает сильных ветров.

ƒлительна€ жарка€ (без дождей) погода, практически безветренна€, способствует образованию смога, уменьшает сток рек, а значит и выработку электроэнергии на √Ё—.

¬о врем€ дожд€ плоские солнечные коллекторы быстро охлаждаютс€. ј после дожд€, когда воздух очищен от пыли и аэрозолей, инсол€ци€ повышена, поскольку плотность влажного воздуха меньше, чем сухого, при одинаковых услови€х, т.к. молекул€рна€ масса паров воды меньше, чем средн€€ молекул€рна€ масса воздуха, Ђработоспособностьї ветра понижаетс€.

 роме того сила ветра вли€ет на возможность гелиооборудовани€ принимать и сохран€ть аккумулированную солнечную энергию. “ак чем сильнее ветер, тем больше потери тепла из плоских солнечных коллекторов, а также меньшее количество солнечного излучени€ проникает в солнечный сол€ной пруд.

≈сли небо облачное, то вода (теплоноситель) в плоском солнечном коллекторе, когда —олнце Ђвыходитї из-за туч на непродолжительное врем€ не всегда успеет нагретьс€ до рабочей температуры. ѕоэтому когда —олнце Ђзаходитї за тучу, теплоноситель остывает, без аккумулировани€ теплоты, например, вод€ным баком-аккумул€тором. ѕри определенной периодичности чередовани€ солнечных и пасмурных периодов в течение дн€ аккумул€тор может и не восполнить запас теплоты.

“ак такой важный показатель дл€ солнечного сол€ного пруда, как альбедо водной поверхности, завис€щий от степени волнени€ и высоты —олнца находитс€ в пределах 3 Ц 45 % (јльбедо поверхности (коэффициент отражени€ света) Ч это отношение потока излучени€, отраженного этой поверхностью, в окружающее пространство, к потоку, упавшему на неЄ).

ѕри спокойной водной поверхности альбедо зависит только от высоты —олнца (рисунок 1 или таблица 2).

2016-02-10_141917.png

–исунок 1 Ц «ависимость коэффициента отражени€ солнечного излучени€ дл€ спокойной водной поверхности от высоты —олнца.

“аблица 2 Ц  оэффициент отражени€ (ρ, %) света при различных углах падени€ дл€ стекла и воды

¬ещество

”гол падени€, в градусах

0

20

30

40

50

60

70

80

89

90

—текло

4,7

4,7

4,9

5,3

6,6

9,8

18

39

81

100

¬ода

2,0

2,1

2,2

2,5

3,4

6,0

13,5

34,5

90,0

100


¬етры Ђпринос€щиеї облака, вли€ют на продолжительность солнечного си€ни€ (таблицы 3, 4 и 5 [2]), а значит и эффективность работы гелиоустановок.

“аблица 3 Ц ѕродолжительность солнечного си€ни€ (часы) (при годовом в г. ќмске Ч 2223 ч, –усской ѕол€не, поселке на юге ќмской области (–. ѕ.) Ч 2269 ч)

—танци€

ћес€цы

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

ќмск

82

122

192

249

290

318

299

252

191

97

71

60

–. ѕ.

96

128

190

236

296

318

294

264

206

116

74

63


 “аблица 4 Ц ќтношение наблюдавшейс€ продолжительности солнечного си€ни€ к возможной (%) (при годовой в г. ќмске Ч 51 %, –усской ѕол€не (–. ѕ.) Ч 54 %)

—танци€

ћес€цы

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

ќмск

38

46

55

62

61

66

61

57

53

32

30

30

–. ѕ.

44

49

55

60

61

66

61

63

59

39

32

31


“аблица 5 Ц „исло дней без солнца (при годовом в г. ќмске Ч 57, –усской ѕол€не (–. ѕ.) Ч 49)

—танци€

ћес€цы

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

ќмск

8

5

5

2

1

0,4

1

1

2

8

12

12

–. ѕ.

5

4

4

2

1

0,2

0,2

0,5

1

8

12

11


», несмотр€ на это, солнечную энергию летом в средней полосе –оссии можно с успехом примен€ть там, где сегодн€ используютс€ такие высоколиквидные виды энергии и энергоносители, как электрическа€ энерги€, газ, жидкое моторное топливо, уголь и дрова.

ѕеречисленные ниже технологии и устройства на их основе, на базе солнечного сол€ного пруда, могут найти применение: в промышленности, в сельском и жилищно-коммунальном хоз€йствах, в индустрии отдыха и лечени€, в придорожном сервисе, в технологических лини€х сушки сельскохоз€йственного сырь€, пиломатериалов, торфа, пеллет, €год, грибов, лекарственных трав, шпал; свежеокрашенных покрытий;. в установках пропарки бетонных изделий; искусственного старени€ металлоизделий; на стендах, предназначенных дл€ температурных испытаний машин, приборов и механизмов; в устройствах пропитки катушек трансформаторов кле€ми и лаками, дублени€ кож; окрашивани€ толстых тканей (при звукокапил€рных процессах); нанесени€ гальванических покрытий; очистки деталей от асфальтосмолистых отложений, нагара и накипи; удалени€ старой краски и консервационной смазки; в сооружени€х производства биогаза и моторного биотоплива в промышленных масштабах; в общественном и частном питании при варке пищи. Ќа птицефабриках и частном подворье при инкубации €иц и даже дл€ удовлетворени€ физиологических потребностей человека (бан€).

ѕоскольку стоимость электроэнергии центрального электроснабжени€, газа, жидкого моторного топлива, угл€ увеличиваетс€ по мере удаленности от места их добычи и производства, следовательно, на удаленных территори€х она наиболее высока€, а значит, более высокими станов€тс€ и вырабатываемые из нее (посредством ее) основные виды энергии Ч тепло и холод. Ёлектрифицированные водоснабжение, вентил€ци€ и сушка также очень дороги. ѕроизводство этих видов энергии (услуг) из привозного органического топлива из-за высокой цены как топлива, так и генерирующих установок, не устраивает любого товаропроизводител€.

”читыва€ высокую стоимость отпускаемых видов энергии установки и системы на базе солнечного сол€ного пруда, могут найти параллельное и независимое применение в качестве нетрадиционных энергоисточников [3]:

Х гелиосушилки, корпус которой нагреваетс€ теплотой придонного сло€ искусственно созданного аккумул€тора теплоты, солнечного сол€ного пруда;

Х гелиопечи, корпус которой нагреваетс€ теплотой придонного сло€ искусственно созданного аккумул€тора теплоты, солнечного сол€ного пруда;

Х гелиобани Ч парной, нагревающейс€ за счет теплоты придонного сло€ искусственно созданного аккумул€тора теплоты, солнечного сол€ного пруда;

Х гелиобиогазовой установки, корпус биореактора которой подогреваетс€ теплотой придонного сло€ искусственно созданного аккумул€тора теплоты, солнечного сол€ного пруда;

Х гелиоводомЄта Ч водонасосной станции, водомЄт (преобразователь тепловой энергии) которого работает от разности температур между двум€ искусственно созданными аккумул€торами теплоты и холода, которыми служат солнечный сол€ной пруд и котлован со льдом;

Х теплового двигател€, гелиоводомЄт которого работает от разности температур между двум€ искусственно созданными аккумул€торами теплоты и холода, которыми служат солнечный сол€ной пруд и котлован со льдом;

Х гелиоэлектростанции, тепловой двигатель которой работает от разности температур между двум€ искусственно созданными аккумул€торами теплоты и холода, которыми служат солнечный сол€ной пруд и котлован со льдом;

Х гелиохолодильника Ч установки дл€ выработки среднетемпературного холода, хладомЄт (компрессор) которого работает от разности температур между двум€ искусственно созданными аккумул€торами теплоты и холода, которыми служат солнечный сол€ной пруд и котлован со льдом;

Х теплогенератора системы отоплени€, гор€чего водоснабжени€ и сушки, теплообменник которого воспринимает теплоту придонного сло€ искусственно созданного аккумул€тора теплоты Ч солнечного сол€ного пруда;

Х хладогенератора системы летнего кондиционировани€, теплообменник которого воспринимает холод аккумул€тора холода Ч котлована со льдом;

Х теплового насоса Ч установки дл€ выработки тепла, хладомЄт (компрессор) которого работает от энергии сгорани€ органического топлива, а поступление теплоты обеспечиваетс€ за счет изъ€ти€ ее из талой воды искусственно созданного аккумул€тора Ч котлована, который летом аккумулирует солнечную энергию, неиспользованную в термодинамических циклах водомЄта, хладомЄта;

Х подогревател€ системы зимнего поддержани€ микроклимата в помещени€х, теплообменник которого воспринимает дл€ подогрева наружного зимнего воздуха с температурой ниже минус 5 Ц 10 ⁰— теплоту талой воды искусственно созданного аккумул€тора Ч котлована, который летом аккумулирует солнечную энергию, неиспользованную в термодинамических циклах водомЄта, хладомЄта.

–езко континентальный климат средней полосы –оссии предопредел€ет повышенную сезонную потребность населени€ в отдельных видах энергии. ѕри относительно стабильном спросе в течение всего года на механическую и электрическую энергии летом резко возрастают расходы воды и искусственного холода, а зимой Ч громадный дефицит тепла.

»сход€ из особенностей климата –оссии, в центре комплексного использовани€ солнечной энергии (в центре архитектуры самоэнергообеспечени€, вплоть до 60⁰ с. ш.) находитс€ здание с концентратором (или концентратор), обеспечивающим увеличение поступлени€ солнечного излучени€ в солнечный сол€ной пруд, расположенный с южной стороны, и затен€ющее теплоизолированный котлован со льдом, наход€щийс€ с северной стороны.

ѕри компоновке энергообеспечени€ и выборе аккумул€торов теплоты и холода автор исходит из того, что:

Х гидродинамический солнечный сол€ной пруд Ч это не только аккумул€тор, но и мощнейший концентратор солнечной энергии, плотность потока тепловой энергии в пруду (при известной инерционности и технологии использовани€ энтальпии) в 100000 раз выше солнечной посто€нной (1300 ¬т/м2);

Х при аккумулировании солнечной энергии придонным рассолом солнечного сол€ного пруда прогреваетс€ и грунт под ним, при этом образуетс€ существенный запас теплоты Ч петрогеотермальный ресурс Ч гаранти€ бесперебойного энергообеспечени€ в пасмурные дни;

Х при разовом промерзании котлована глубиной 2 м количество выдел€емой энергии фазового перехода составл€ет 668 “ƒж/км2. ≈сли эту выдел€ющуюс€ энергию равномерно использовать в течение 150 суток на отопление тепловым насосом или системой поддержани€ микроклимата, то установленна€ мощность Увод€ной топкиФ будет равна 51,5 ћ¬т/км2. Ёто сопоставимо с плотностью залежей угл€ в районах его добычи Ч 30 ћ¬т/км2. ѕри этом надо учитывать, что к конечному потребителю в виде тепла Ђдоходитї примерно ⅟10 часть энергии залежей угл€, а при использовании энергии воды, по предлагаемой технологии, будет Ђдоходитьї ⅚ Ц ⅞ теплоты фазового перехода. ј значит воду можно с полным правом отнести к альтернативному источнику энергии (средн€€ плотность искусственной энергии, обусловленна€ хоз€йственной де€тельностью, равна всего 0,02 ћ¬т/км2, т. е. в 10000 раз меньше средней плотности солнечной энергии Ч 200 ћ¬т/км2. » только в отдельных местах земного шара этот показатель выше Ч в японии 2 ћ¬т/км2, в –урском районе ‘–√ Ч 20);

Х за счет подвижного концентратора, направл€ющего в акваторию солнечного сол€ного пруда дес€тки тыс€ч к¬т∙ч солнечной энергии, можно обеспечить эффективный сбор солнечной энергии. ќтражение солнечной энергии от вертикальной поверхности, ориентированной на юг, максимально в высоких географических широтах, а с продвижением на юг оно уменьшаетс€, и на широтах северный тропик-экватор достигает нул€ и даже отрицательного значени€. —олнце в это врем€ находитс€ над северным полушарием, отражать лучи будет северна€ сторона здани€. »спользование солнечных прудов малых площадей с концентрацией энергии, в том числе от стен здани€ в средней полосе –оссии, дл€ децентрализованного потребител€ €вл€етс€ оптимальным.

Ёффективность комплексного использовани€ солнечной энергии в средней полосе –оссии за счет отраженного солнечного излучени€ намного выше, чем у используемых гелиотехнологий. Ћетом работа водомЄта (хладомЄта) осуществл€етс€ от энергии солнечного пруда при охлаждении его радиатора льдом (холодом), обладающим высокой удельной теплоемкостью Ч 2,06 кƒж/(кг∙ ), что обеспечивает работу с максимальной, дл€ данной географической широты, разностью рабочих температур.

 ѕƒ термодинамического преобразовани€ увеличиваетс€ на ⅓, и одновременно обеспечиваетс€ эффективное аккумулирование котлованом солнечной энергии (до 85 % от аккумулированной прудом) и сбросного тепла гелиохолодильника на зимний период (в известных технологи€х неиспользованна€ в термодинамических циклах теплота и сбросное тепло с дополнительными затратами энергии (до 20 % от мощности установки) и оборудовани€ принудительно рассеиваетс€ в окружающую среду).

ѕредлагаема€ технологи€ позвол€ет: вырабатыва€ холод котлована, запасать теплоту, вырабатыва€ теплоту, аккумулировать холод, т.е. нет промежуточного оборудовани€ и аккумул€торов, которые бы не работали в течение всего года. ѕри этом вырабатываетс€ весь спектр необходимой дл€ производства и быта, лечени€ и отдыха энергии.

–абота хладомЄта теплового насоса (“Ќ) зимой обеспечиваетс€ за счет сжигани€ привозного органического топлива, просушенных местных видов топлива или местного биогаза (биометана). ѕолный отказ от их использовани€ возможен при освоении технологии аккумулировани€ солнечной энергии, пригодной по своим параметрам дл€ привода в работу хладомЄта или за счет ветра, или от геотермального двигател€.

ѕериодическа€ работа котлована летом в качестве источника холода, а зимой теплоты имеет свои неоспоримые преимущества, которые могут быть оценены только в высоких широтах. ѕри замораживании котлована зимой “Ќ и системой поддержани€ микроклимата расшир€етс€ зона эффективного использовани€ солнечной энергии как в южном направлении Ч  убань, ѕриморье, где при средней температуре €нвар€ минус 4 Ц 10 ⁰—, невозможно сделать намораживанием без больших затрат необходимые запасы льда дл€ летней работы, так и в северном, где при средней температуре €нвар€ минус 25 Ц 35 ⁰— энерги€ замерзающей воды теплоизолированного котлована Ч это единственный вид энергии окружающей среды, пригодный по своим параметрам (температура, теплота фазового перехода, теплоЄмкость) и объемам дл€ обогрева жилых и производственных зданий “Ќ и поддержани€ микроклимата в животноводческих помещени€х.

ѕоложительным фактором использовани€ солнечных сол€ных прудов €вл€етс€ то, что при его возведении не должно быть проблем с оснащением его солью. ¬ земной коре солеродные бассейны имеют огромные размеры. “ак кембрийский бассейн занимает почти всю —ибирскую платформу Ч 2 млн км2, мощность соленосных отложений в нем достигает 3 км. –ассолы —ибирской платформы своеобразны, солей в них бывает больше, чем воды. Ч до 600 г/л. “.е. дл€ создани€ солнечных прудов имеютс€ природные рассолы нужной концентрации в неограниченных количествах.

¬ыработка энергии из солнечного и ветрового потенциалов имеет свои особенности.

≈сли плотность потока солнечного излучени€, поступающего к приемнику, не превышает 1 к¬т/м2, и чем она выше, тем больше можно выработать из неЄ дифференцированных видов энергии, то с энергией ветра малых ¬Ё” увеличение скорости ветра не всегда приводит к возрастанию вырабатываемой мощности (таблицы 6 и 7 и рисунок 2).

“аблица 6 Ц «ависимость мощности на валу крыльчатки ¬Ё” от диаметра ветроколеса и скорости ветра [3]

ƒиаметр ветроколеса, м

ћощность, к¬т, при скорости ветра, м/с

4

5

6

7

8

9

10

2

4

8

12

18

30

0,042

0,17

0,69

1,55

3,48

9,6

0,083

0,33

1,34

3,03

6,6

18,9

0,145

0,58

2,32

5,25

11,8

32,6

0,23

0,92

3,7

8,25

18,6

51,6

0,345

1,38

5,5

12,4

27,8

77,3

0,345

1,38

5,5

12,4

39,5

110,0

0,345

1,38

5,5

12,4

54,6

151,1


“аблица 7 Ц ћощностные характерстики (–) и  ѕƒ (ηо) ¬Ё” мощностью от 4 до 30 к¬т [4]

—корость ветра, м/с

¬“Ќ8-10

–осси€

¬Ё”-30

–осси€, Ўвеци€

GEV10-25 ‘ранци€

ј¬Ё”6-4

——–

–, к¬т

ηо

–, к¬т

ηо

–, к¬т

ηо

–, к¬т

ηо

5

1,4

0,36

4,7

0,4

1

0,16

0,6

0,28

6

3,0

0,45

8,2

0,4

3

0,29

1,2

0,32

7

4,7

0,45

13,0

0,4

6

0,36

1,8

0,30

8

7,0

0,44

18,5

0,38

9

0,36

2,7

0,30

9

9,4

0,42

24

0,35

12

0,34

3,6

0,29

10

10

0,32

30

0,32

15

0,31

4,0

0,28

11

10

0,24

30

0,24

19

0,29

4,0

0,17

12

10

0,15

30

0,18

22,5

0,27

4,0

0,13

13

10

0,14

30

0,14

27,5

0,26

4,0

0,10


–асчеты показывают, что максимальную энергию ветр€ной двигатель дает тогда, когда ротор уменьшает скорость ветра на одну треть.

—читаетс€, что на «емле полезно может быть использовано только 5 % энергии ветра.

¬етродвигатели крыльчатые имеют коэффициент использовани€ энергии ветра до 0,48, карусельные или роторные и барабанные не более 0,15.

¬ насто€щее врем€ ¬Ё” наход€т все более широкое применение дл€ выработки электроэнергии. ќднако известно, что нерегул€рность и колебани€ мощности ветрового потока вынуждают усложн€ть электротехническую часть ¬Ё” системами автоматического регулировани€ и дублировани€ электроснабжени€ объектов. ¬следствие этого стоимость Ђветроэнергетическогої киловатт-часа возрастает примерно в 1,5 раза.

¬ –оссии наибольшей величины средн€€ скорость ветра достигает на побережье морей и океанов (8 Ц 9 м/с), снижа€сь в континентальных област€х до 2 Ц 5 м/с.

¬ысокие скорости ветра (более 6 м/с) характерны дл€ прибрежных районов јрхангельской и ћурманской областей, ямало-Ќенецкого и “аймырского автономных округов, ћагаданской области, „укотки,  амчатки, —ахалина, островов —еверного Ћедовитого и “ихого океанов, побережий Ѕалтийского и „ерного морей, а также некоторых горных районов —еверного  авказа и ѕол€рного ”рала. «оны средних скоростей ветра (4 Ц 6 м/с) охватывают некоторые горные районы, побережь€ крупных озер ( аспийского, Ћадожского, Ѕайкала), долины больших сибирских рек (ќби, ≈нисе€, јнгары, Ћены), а также территории ≈вропейской части страны, —ибири и ƒальнего ¬остока, примыкающие к зонам наибольших скоростей ветра. «она слабых ветров (менее 4 м/с) охватывает большую часть континентальных районов страны.

–осси€ имеет гигантский ветровой потенциал Ч только в части сухопутных ресурсов он составл€ет примерно 21 % от общего объема мировых ресурсов ветра.

Ќесмотр€ на большой потенциал, установленна€ мощность ¬Ё”, действующих в –оссии, составл€ет 13,2 ћ¬т. Ёта цифра несопоставима с мощностью ¬Ё”, действующих в развитых странах. ¬ √ермании Ч мировом лидере ветроэнергетики Ч мощность ветроустановок составл€ет более 22 √¬т, в —Ўј Ч 17 √¬т, в »спании Ч 15 √¬т [5].

ƒл€ преобразовани€ и стабилизации параметров электроэнергии, выдаваемой большими ¬Ё” (установленной мощностью 1 ћ¬т и более, со стоимостью 1 к¬т установленной мощности до 1000 $) в общую систему электроснабжени€, требуетс€ достаточно сложна€ аппаратура, применение которой более чем на 30 % увеличивает стоимость станций.

“аким образом, ¬Ё” большой мощности сто€т дорого в значительной мере из-за аппаратуры дл€ кондиционировани€ напр€жени€, подаваемого в общую сеть [6].

Ќа рисунке 2 приведена характеристика одной из ¬Ё” европейского уровн€

2.png

–исунок 2 Ц ’арактеристика эффективности ветр€ной электростанции „ешского энергетического агентства (EKIS CAE) мощностью 500 к¬т

Ќа ≈вропейском континенте в услови€х, например, „ешской –еспублики пригодными дл€ ветроэнергетики €вл€ютс€ области, в основном расположенные высоко над уровнем мор€, обычно на высоте более 500 метров над уровнем мор€, хот€ плотность атмосферы на высоте 500 м на 5 % меньше чем на уровне мор€. Ќа меньшей высоте над уровнем мор€ средн€€ годова€ скорость ветра низка€ (2 Ц 4 м/с).

ƒл€ малых ¬Ё”, размещаемых во внутренних районах (вдали от морей) минусом €вл€етс€ то, что они располагаютс€ на небольших высотах, а значит, наход€тс€ в ветровом потоке низкой плотности по сравнению с крупными ¬Ё— (рисунок 3) [7].

3.png

–исунок 3 Ц —редние скорости ветра дл€ различных мест в зависимости от высоты

 ак известно, обобщенным показателем эффективности любых электрических станций €вл€етс€ коэффициент использовани€ установленной мощности ( иум), определ€емый как отношение фактически выработанной за год электроэнергии к электроэнергии, которую могла бы выработать электростанци€, если бы она весь круглый год работала с полной (номинальной) мощностью. ƒл€ традиционных электростанций  иум зависит от графика нагрузки, задаваемого диспетчером, от надежности оборудовани€ и, следовательно, времени, затраченного на аварийный ремонт; времени, требуемого на обслуживание и плановые ремонты.

—реднее значение  уим дл€ электростанций –оссии составл€ет 50 %, дл€ атомных электростанций Ч 75 Ц 78 %. ƒл€ ¬Ё”  иум зависит, кроме всех вышеуказанных факторов, ещЄ и от ветровых условий, т. е. поступлени€ ветровой энергии, котора€, как известно, весьма непосто€нна. ѕоэтому среднее значение  иум (таблица 8) в странах лидерах оцениваетс€ величиной пор€дка 25 %.

“аблица 8 Ц —реднее значение  иум ветроустановок стран Ч членов OECD, %

—траны

2000 г.

2001 г.

2002 г.

2003 г.

2004 г.

јвстрали€

19,4

31,1

37,5

42,0

21,1

 анада

32,4

29,1

28,6

28,6

35,0

ƒани€

20,0

19,2

19,3

20,4

24,1

√ермани€

17,5

13,6

15,1

14,7

17,3

япони€

14,8

16,3

17,1

18,7

19,4

»спани€

24,3

22,5

21,6

23,1

21,6

Ќорвеги€

27,2

23,7

8,8

25,7

30,4

—Ўј

26,9

19,6

26,1

20,9

24,8


  сожалению, в таблице 8 приведены общие сведени€ о  »”ћ без разделени€ на системы (автономные станции, установки), не завис€щие от распределительной сети (grid-off) и системы (станции, подключенные к сети), поставл€ющие электроэнергию в сеть (grid-on). ќднако цифры красноречиво говор€т о необходимости наличи€ резервного источника, если требуетс€ бесперебойное электроснабжение.

“ем не менее, сравнительно низкий  иум Ч один из существенных недостатков ветровой энергетики, который нивелируетс€, по крайней мере, двум€ факторами: экологическим (нет эмиссии —ќ2 и не нужно топливо) и эксплуатационным. ѕоследний фактор состоит в том, что на ветроэлектрической станции (¬Ё—) мощностью, например, 200 ћ¬т, укомплектованной ¬Ё” единичной мощностью 2 ћ¬т, выход из стро€ одной ¬Ё” означает отключение одной сотой части мощности ¬Ё—. “огда как выход из стро€ энергоблока мощностью 200 ћ¬т традиционной “Ё— означает потерю 200 ћ¬т.

ƒругим, весьма преувеличенным недостатком ¬Ё”, считаетс€ Ђневозможностьї прогнозировать выработку ¬Ё”. ќднако опыт стран-лидеров ветроэнергетики говорит о том, что этот прогноз возможен с веро€тностью 95 %, т. е аналогичный гидростанци€м. Ёто объ€сн€етс€ определенными закономерност€ми в повтор€емости скоростей ветра, а также накоплением статистических данных по выработке ¬Ё” за год, мес€ц и дни мес€ца [8].

ѕри выборе площадки дл€ установки ¬Ё” исход€т из особенностей микрорельефа местности (небольшие холмы и котловины, высокие насыпи, овраги, балки и т.д.), а в горных районах Ч особенностей микро-и мезорельефа местности (гребни, склоны, платообразные участки, днища долин, межгорные долины и т. п.).

ƒл€ ¬Ё”, установленных в услови€х, способствующих резкому увеличению скоростей ветра (высокий берег большой реки, резко выдел€юща€с€ над окружающей местностью возвышенность, гребневые зоны хребтов, межгорные долины, открытые дл€ сильных ветров, прибрежна€ полоса морей и океанов, больших озер и водохранилищ в пределах 3 Ц 5 км) при отсутствии данных наблюдений скорость ветра следует увеличивать на 20 % по сравнению с прин€той дл€ данного района.

ƒл€ уточнени€ ветрового потенциала, в первом приближении, можно пользоватьс€ также таблицей 9 [3].

“аблица 9 Ц ѕоправочные коэффициенты на возрастание скоростных напоров ветра дл€ высот более 10 м (за исключением горных местностей)

¬ысота насыпи, м

ƒо 5

5 Ц 10

11 Ц 20

21 Ц 30

ѕоправочный коэффициент

1,0

1,17

1,39

1,63


» в завершение о забытом способе использовани€ энергии ветра

ѕоскольку ¬Ё” это довольно сложна€ конструкци€, гораздо легче построить просто тепловую машину с приводом от ветра, так называемую Ђджоулевуюї мешалку. —вета от нее конечно не будет. Ќо будет тепло. Ёти ветровые теплогенераторы можно производить в любой механической мастерской. ƒелаетс€ простое ветроколесо Ч из жести, листового железа, текстолита, дерева. Ќапоминает оно колесо колесного парохода, только вращатьс€ будет в горизонтальной плоскости. ѕоловина колеса прикрываетс€ кожухом, чтобы ветер воздействовал только на одну часть, иначе вращени€ не будет. Ќа кожухе Ч флюгер, чтобы колесо само ориентировалось по ветру. Ћучше делать колесо метра три в диаметре. Ћопасти укрепить раст€жками дл€ жесткости или уголки подварить.  олесо ставитс€ на металлическом или дерев€нном шесте над крышей. Ётот шест передает вращение колеса и нижним концом уходит в бочку с водой, котора€ находитс€ в доме. ¬ бочке с водой Ч перегородки, приваренные к стенкам, на шесте Ч лопасти. ћежду подвижными лопаст€ми и перегородками Ч небольшие зазоры. ¬раща€сь, лопасти нагревают воду. ќбычное очень простое устройство дл€ перевода механической работы в тепло. ¬ода в бочке может нагреватьс€ до кипени€. √ор€чую воду можно отводить и направл€ть пр€мо в отопительные батареи, она будет циркулировать, и греть дом. ¬ конструкции должен быть предусмотрен стопор, чтобы еЄ не сломало при сильных ветрах.

ј теперь немного истории

≈сли возьмете наши самые ходовые (в ———– и современной –оссии) купюры Ч червонцы, то там нарисованы плотины электростанции. » не зр€. Ћицо ———– очерчивалось, с одной стороны, его величественными плотинами и рукотворными мор€ми, с другой Ч залитыми этими мор€ми лучшими пашн€ми, торчащими из воды куполами церквей, гибнущей под плотинами рыбой. » этот облик молодой —оветской страны берет свое начало в двадцатых годах, когда Ћенин склонилс€ к плану √ќЁ–Ћќ. ј мог склонитьс€ и к другому плану электрификации. “огда символом мощи страны был бы вовсе не ƒнепрогэс.

—ейчас в  урске стоит дом-музей ”фимцева. ”фимцев ещЄ в тридцатые годы решил проблему, которую немцы решали в программе ЂЁльдорадо-ветерї. ќн построил в  урске первую ветростанцию, котора€ давала ток, даже когда не было ветра.

ќн аккумулировал механическую энергию так же как  улибин Ч с помощью инерционного аккумул€тора, то есть маховика. ѕока дует ветер, он не только крутит электрогенератор, но и раскручивает маховик.  огда ветер стихал, этот огромный маховик по инерции вращалс€ и крутил генератор. —танци€ освещала двухэтажный дом ”фимцева, питала его станки, которые сто€ли в подвале, и освещала часть улицы —еменовской в  урске. » это при том, что в  урске сильных ветров не бывает. јккумулированной маховиком энергии хватало на несколько часов. ¬ 1936 г. ”фимцев умер, и после его смерти станцию запустить уже никому не удалось, потому что никто не мог пон€ть, как она работает. Ётот ветр€к высотой 40 м до сих пор стоит в  урске. ѕрофессор Ќурбей √улиа, когда работал семь лет в  урске завкафедрой ѕолитеха пыталс€ со студентами запустить уфимскую ветростанцию. Ќичего не вышло. ј он, по его словам Ђне последний человек в механикеї. ƒл€ того времени конструкци€ ”фимцева была просто фантастической! ќн на сто лет опередил свое врем€.

¬о-первых, ”фимцев вместе с довольно известным тогда аэродинамиком профессором ¬етчинкиным создал первое в мире ветроколесо с поворотными лопаст€ми и переменным углом атаки Ч как в современных вертолетах! ¬о-вторых, знаменитый маховик на двух подшипниках, который весил 320 кг, был помещен в специальную вакуумную камеру, чтобы воздухом не тормозилс€. » это в тридцатых годах! ¬ конце ’’ века √улиа с немцами пытались повторить конструкцию ”фимцева. Ќа современном уровне технике и материаловедени€.

”фимцев на практике показал, что наша страна могла пойти другим путем. Ќе нужно было бы плотины строить, затопл€ть города. ”фимцев и ¬етчинкин св€зывали расцвет –оссии с тотальным использованием ветра. ќни это называли Ђсплошной анемофикацией –оссииї. ” них были даже статистические расчеты по районам –оссии, которые подтверждали, что вс€ энергетика –оссии может быть основана на энергии ветра. Ќо, к сожалению, был выбран другой путь.  ак завещал вождь.

ƒл€ справки: площадь водохранилища –ыбинской √Ё— Ч 4580 км2. ѕри мощности √Ё— 346 ћ¬т выработка электроэнергии составл€ет 644 млн к¬т∙ч в год. ј значит удельна€ электрическа€ мощность равна всего 0,075 ћ¬т/км2, и с 1 м2 водохранилища в год вырабатываетс€ 0,14 к¬т∙ч электроэнергии. —реднегодовой  иум √Ё— составл€ет около 21 %.

 ак видно из изложенного, технологии преобразовани€ солнечной и ветровой энергий при выработке энергии малых мощностей могут и должны дополн€ть и поддерживать друг друга, потому что каждый из этих ¬»Ё далеко не идеален.

ќни могут решать задачи, возлагаемые на малую и нетрадиционную энергетику –оссии, к которым относ€тс€:

1. ќбеспечение гарантированного минимума энергоснабжени€ населени€ и производства в зонах централизованного энергоснабжени€.

2. ќбеспечение устойчивого тепло- и электроснабжени€ населени€ и производства в зонах децентрализованного энергоснабжени€.

3.  омпенсаци€ снижени€ завоза топлива в труднодоступные районы и на  райний —евер при одновременном увеличении надежности и экономичности энергоснабжени€.

4. —нижение вредных
выбросов от энергетических установок в отдельных городах и населенных пунктах
со сложной экологической обстановкой.


јвтор материала: ќсадчий
√еннадий Ѕорисович, инженер, автор 140 изобретений ———–



  • ƒата публикации: 10.02.2016
  • 6689
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150