Городская ветроэнергетика. Часть 1

Чт, 05/08/2014 - 22:38

Энергия Солнца

Прекрасный источник чистой энергии. Для выработки электрической энергии не требуется топливо. Достаточно установить солнечные панели на освещаемую солнцем площадку.
Но есть и ряд существенных недостатков:
Высокая себестоимость получаемой электроэнергии. Срок окупаемости солнечной панели часто превышает срок ее службы.

Низкий коэффициент преобразования энергии. Требуется много свободных площадей под установку панелей.

Для объективности следует отметить, что сегодня уже существует ряд новых технологических разработок, которые позволят в будущем существенно повысить конкурентоспособность солнечной энергетики. Подробно см. в №2(45), 2010 г.

Энергия ветра

Технология преобразования энергии ветра в электрическую энергию хорошо освоена. Производится и эксплуатируется большое разнообразие конструкций ветроустановок. По стоимости получаемой электрической энергии ветроэнергетика вполне может конкурировать с электростанциями на ископаемом топливе.

Но, как и солнечная энергетика, ветроэнергетика имеет свои недостатки:

Вибрация. В городе ветроустановки, как правило, устанавливают на крышах зданий. Повышенная вибрация может приводить к разрушению здания и создания дискомфорта его жильцам.
Повышенный уровень шума. В первую очередь это касается ВЭУ в районах с малоэтажной застройкой.
Потенциальная угроза разрушения ВЭУ во время сильного ветра. Подробно см. в №3(46), 2010 г.

Энергия волн и приливов

Эта технология генерации электрической энергии еще не нашла широкого применения, хотя и имеет прекрасные перспективы в будущем.

Но не все города расположены на морском берегу. А те, которые имеют доступ к энергетическому ресурсу морских волн и приливов, используют акваторию для судоходства, а побережье под места отдыха горожан.

Данная технология вряд ли будет широко использоваться для генерации электрической энергии в городской черте.

Геотермальная энергетика

Данная технология, скорее, может быть исключением, чем правилом в вопросе энергоснабжения города. Районы с достаточными геотермальными ресурсами расположены, как правило, в регионах с повышенной вулканической
активностью.

Что нового в ветроэнергетике?

В настоящее время солнечная энергетика интенсивно развивается, совершенствуя технологию преобразования энергии Солнца.
О ветроэнергетике такого не скажешь.
Уже более ста лет человек использует технологию преобразования энергии ветра в электрическую энергию. За это время разработано сотни конструкций ветроустановок. Но основной принцип остался неизменным: поступательное движение свободного воздушного потока преобразуется во вращательное движение ротора генератора, который и производит электрическую энергию.
При всем огромном многообразии конструкций ветроустановок, качественного скачка в технологии преобразования энергии ветра мы так и не видим.

Попытки повысить эффективность ветроэнергетики предпринимались постоянно. Основное направление — повысить кинетическую энергию воздушного потока перед его взаимодействием с лопастями ротора генератора.
Поиск ведется в двух направлениях:

Концентрация энергии воздушного потока.
Примером могут служить присутствующие на рынке разнообразные конструкции ветроустановок с плоскими концентраторами. Низкая эффективность таких концентраторов сдерживает их широкое применение.

Увеличение кинетической составляющей воздушного потока.
Для этого используется эффект увеличения скорости воздушного потока при его прохождении через сужающееся сечение в трубе. Теоретические расчеты показывают, что кинетическая энергия воздушного потока на узком участке трубы может вырасти на несколько порядков. Это как раз то, чего так не хватает ветроустановкам традиционной конструкции — малые габариты и большая мощность воздушного потока. Очень заманчивая перспектива!

Но, увы, все попытки реализации этого принципа в действующей ветроустановке не принесли желаемого результата.

Всему виной — большие потери энергии воздушного потока при его движении в трубе. На преодоление внутреннего сопротивления трубы проходящий воздушный поток тратит большую часть своей энергии. Это же внутреннее сопротивление обусловило и еще один негативный эффект — воздушный поток упорно «не желал» входить в трубу и большая его часть просто ее обтекала, унося прочь и такую желанную энергию.
В некоторых экспериментальных конструкциях потери энергии превышали «прибавку» кинетической энергии за счет разгона. На рынке ветроустановки с такой «эффективностью» не имеют ни единого шанса.
Полученные результаты оказались куда скромнее прогнозируемых. Технология, на которую возлагали такие большие надежды, постепенно утратила к себе интерес.

Я считаю, что это было сделано необоснованно, не разобравшись с полным пониманием энергетического баланса системы «ветер — ветроустановка».
Мы провели глубокий анализ конструкций ветроустановок с управлением скоростью воздушного потока и пришли к выводу, что на идее разгона воздушного потока еще рано ставить крест. Система «ветер — ветроустановка» имеет значительно больший энергетический потенциал, который в полной мере не использовался нашими предшественниками.

Все усилия предыдущих исследователей были направлены на снижение сопротивления движения воздушного потока внутри трубы. В этом плане они добились больших успехов.
А вот с точки зрения системы «ветер — ветроустановка» наши предшественники не полностью оценили весь энергетический потенциал ветрового потока. Они задействовали только энергию воздушного потока, попадающего в трубу, не учитывая, что есть еще огромный потенциал воздушного потока, обтекающего ветроустановку по ее внешнему периметру.

В процессе поиска технологических и технических решений для использования энергии внешнего ветрового потока мы изготовили и испытали в аэродинамической трубе более 30 различных конструкций ветроустановок. После 5 лет исследований был получен обнадеживающий результат: рост энергии воздушного потока в узком сечении трубы (там же установлен и генератор ветра) составил 5 и более раз.

Для подтверждения полученных результатов изготовили и провели всесторонние испытания экспериментальной установки в условиях полигона. Они продолжались более года и полностью подтвердили результаты лабораторных испытаний:

В 2 раза снижена стартовая и номинальная скорость ветра.
Это говорит о высокой эффективности работы ветроустановок в районах с низкой среднегодовой скоростью ветра. Низкие среднегодовые скорости ветра характерны, в том числе, и для условий города.
Выработка электроэнергии, в пересчете на единицу площади ротора, выросла в 5, а для малых скоростей ветра — более чем в 10 раз.

Это лучшие результаты, в сравнении со всеми другими конструкциями ветроустановок.
Коэффициент использования установленного оборудования достигает значений 0,6…0,7.
По этому показателю новая ветроустановка сравнима с электростанциями, работающими на ископаемом топливе.

Вибрация при работе ветроустановки полностью отсутствует. Значительно снижены звуковые эффекты.
Устраняются многие ограничения по размещению ветроустановок в черте города.
Отвод земли на 1 КВт установленной мощности самый низкий из всех видов генерации.
Для городских условий это очень важно, из-за ограниченности площадей для размещения ветроустановок.

Ветроустановка башенного типа (TWT), благодаря своей оригинальной конструкции, имеет еще целый ряд преимуществ, позволяющих ей успешно конкурировать с другими видами генерации электрической энергии.

Технология, реализованная в TWT, позволяет создавать конструкции ветрогенераторов мощностью от 100 Вт до 20-40 МВт.
Для условий города разработаны три типа конструкций ветроустановок башенного типа:

Флюгерного типа. Мощность до 20 КВт. Может устанавливаться как на крышах зданий, так и на отдельно стоящей опоре.

Встраиваемые. Устанавливаются внутри здания в его верхней части. Мощность до 1 000 КВт. Определить наличие ветроустановки TWT в таком здании можно только по воздухозаборным проемам в верхней части его наружных стен.

— Отдельно стоящая энергетическая башня. Строится как отдельно стоящий объект — внутригородской источник энергии. Мощность до 20…40 МВт. Сеть энергетических башен позволит создать базовый городской потенциал электрической энергии.

Подробнее о новой установке вы прочитаете во второй части статьи

Плоский концентратор — устройство, которое собирает энергию воздушного потока на большой площади и концентрирует на малой площади, в сечении которого находится ветроколесо. Самый большой недостаток таких концентраторов состоит в том, что после отражения от плоскости концентратора отдельные токи воздушного потока приобретают разнонаправленные векторы скорости.Это приводит к огромным потерям энергии воздушного потока (потери до 60...80 %). Это практически полностью нивелирует все достоинства плоского концентратора

Другие материалы рубрики


  • Нефте- и газодобыча уже в течение многих лет — ведущие отрасли российской экономики. В иные периоды они давали до 50% поступлений в федеральный бюджет. Это стало возможным только после введения в эксплуатацию крупнейших месторождений Западной Сибири. Поиск месторождений, ставших открытием века, стоил огромного труда. Основной вклад в него внесли сибирские геологи.
    Чтобы понять, где и как искать нефть, — а ее считают самым труднодоступным богатством планеты, — надо знать, как она образуется. В 1932 году была опубликована классическая работа основоположника советской нефтяной геологии Ивана Михайловича Губкина (1871-1939) «Учение о нефти», которая сыграла огромную роль в развитии представлений о происхождении нефти и формировании ее залежей. Он сформулировал четыре этапа образования нефтяных запасов, которые и сегодня лежат в основе научных воззрений о процессах нефтеобразования.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...После более чем столетия нескончаемых усовершенствований двигатель внутреннего сгорания все еще имеет коэффициент полезного действия около 16%. КПД всех тепловых двигателей ограничено циклом Карно. Теоретически, даже при идеальных условиях тепловой двигатель, используемый для приведения в движение автомобиля или электрогенератора, не может преобразовать всю тепловую энергию в механическую. Некоторая часть тепла теряется. В двигателе внутреннего сгорания тепло подается от источника с высокой температурой (Т1), часть энергии преобразуется в механическую и оставшаяся часть выбрасывается при низкой температуре (Т2). Чем больше разность между этими температурами, тем выше КПД двигателя...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Сначала приведем высказывание российского геофизика Е.П. Борисенкова о прошлом человечества:
    «Причины гибели или упадка некоторых цивилизаций, а также многие неблагоприятные социальные явления в период средневековья так же, как и в древней истории, были связаны с экологией.
    Если мышление человека античности в ряде случаев было настолько эгоистичным, что, несмотря на свои выдающиеся по тому времени научные и естественные познания, он не думал о связи между лесом, водой, почвой и последствиями своей деятельности, то и в период средневековья человечество ушло от этого уровня понимания не очень далеко».

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Непредельные углеводороды в небольшом количестве (около 5%) являются практически единственным не содержащимся в природной нефти классом соединений, образующимся в заметных количествах при проведении процесса на кобальтовых катализаторах. Их содержание в нефти не нормируется, а их получение является одной из основных целей нефтехимической переработки природной нефти.
    Таким образом, по всем показателям, определяемым стандартом, СЖУ (синтетические жидкие углеводороды) могут быть отнесены к наиболее ценным сортам нефти. С экономической точки зрения наиболее рациональным использованием СЖУ была бы их раздельная транспортировка с промыслов как более ценного и дорогостоящего продукта, особенно с точки зрения отсутствия серосодержащих соединений и высокой концентрации легких (светлых) фракций.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Теперь уже никто не сомневается, что в расстрельные 30-е годы прошлого века ничего прогрессивного в России существовать не могло. Старшее поколение стыдливо молчит, поскольку высказывать иную точку зрения ныне считается непатриотичным. А постперестроечное вообще не ведает, что в основе многих модных сейчас инновационных проектов лежат неосуществленные мечты почти восьмидесятилетней давности. Примером может служить история со сгущенным бензином.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • В начале нового тысячелетия почти весь мир столкнулся с новой, весьма болезненной проблемой — истощением топливных запасов планеты. Ученые с каждого угла кричали, что через 30 лет на земле не останется ни капли нефти. Но прошло уже 10 лет, и эти крики понемногу улеглись. Были найдены новые месторождения в Саудовской Аравии, в России разведали новые, огромные запасы сибирской и заполярной нефти. Единственная проблема — добраться до них, но учитывая сегодняшнюю стоимость «черного золота» на мировом рынке, это не будет составлять особого труда.
    Но беда, как известно, не приходит одна. С топливной проблемой пришла проблема загрязнения окружающей среды обитания человека. Продукты сгорания бензина и дизтоплива стали настолько насыщать атмосферу Земли, что экологи забили тревогу. Их главный девиз — «Парниковый эффект!» К сожалению, они до сих пор не могут определиться, чем он грозит нашей планете — глобальным потеплением или новым ледниковым периодом. Впрочем, одно не исключает другое. Сначала довольно сильно потеплеет, арктические льды растают, опять понизят температуру, но настолько сильно, что 2/3 суши (по самым пессимистическим прогнозам) покроется снегом и льдом.
    Что же делать? Отказаться от автомобильного транспорта и вообще от использования нефти и нефтепродуктов? В данный исторический отрезок времени это даже не теория, а какая-то фантазия Гринписа, если не сказать больше. Но нам надо как-то сберечь природу и при этом не нанести вреда экономике, как в мировом масштабе, так и в масштабе отдельной страны. И тут, к огромной радости почти всех экологов (почему почти — будет сказано ниже) на мировую топливную арену семимильными шагами выходит новое горючее — биодизель.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Вопрос смесевых технологий при производстве бензинов давно уже интересует технологов, экологов, энергетиков, автомобилистов и просто любителей всяческих новшеств и современных технологий. Несмотря на множество позитивных моментов, так же как и на наличие определенных недостатков, однозначности в выводах пока еще не присутствует, что оставляет обширные пространства для размышлений и убеждений, похвалы и критики.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • ...Возможность установки ветрогенераторов также зависит от климата, а конкретнее – от средней скорости ветра в данной местности. Трудно спрогнозировать, каковы будут скорость и направление ветра в определенный момент. Но если рассматривать большие временные промежутки, соизмеримые со сроком эксплуатации ветряка, то можно довольно точно сказать, что, например, в течение года в месте его установки будет 4000 часов со скоростью ветра более 4 м/с, что обеспечит гарантированную генерацию, условно говоря, 1000 КВт·ч в год. В частности, у нас средняя скорость ветра составляет около 5 м/с, что вполне пригодно для получения ветровой энергии, так как рекомендуемая скорость ветра для этих целей 4 м/с и более.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...В современных ВЭС воплощено множество технических идей, отвечающих последним достижениям науки. Вот далеко не полный перечень уникальных систем и механизмов, обеспечивающих эффективную и безопасную работу ветроэлектростанций: система динамического изменения угла атаки (изменяет угол заклинивания лопастей, удерживая тем самым нужный угол атаки); система динамического регулирования скорости вращения ветроколеса в зависимости от нагрузки и скорости ветра (выбирает оптимальный режим работы); система управления рысканием  — электронный флюгер (поворачивает гондолу с ВЭУ по особому закону с учетом доминирующего направления ветра, его порывов и турбуленции); система оперативного регулирования магнитного скольжения асинхронного генератора (используются усовершенствованные асинхронные генераторы с ротором «беличья клетка»)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Экспоненциальный рост населения и истощение природных ресурсов заставляют ученых придумывать самые невероятные проекты по спасению планеты. Один из них — космические электростанции, передающие на Землю энергию Солнца посредством микроволнового излучения. Технология эта не столь фантастична, как может показаться на первый взгляд.
    Вполне возможно, что лет через тридцать на геостационарной орбите обоснуется группировка объектов, каждый из которых будет подозрительно напоминать «Звезду смерти». Необъятные зеркальные крылья, нечто вроде электромагнитной пушки и наземная приемная антенна километров десять в диаметре — так будет выглядеть система глобального энергоснабжения.
    Вернее, такой ее представляли конструкторы еще в 1970-х. И уже тогда это не было научной фантастикой! В связи с энергетическим кризисом американское правительство выделило $20 миллионов агентству NASA и компании Boeing на проработку проекта гигантского спутника SPS (Solar Power Satellite).