Klíčové pojmy: větrná energie, větrné elektrárny, pracovní těleso větrné turbíny, větrné kolo, vztlaková síla, odporová síla, zametaná plocha, účiník, rychlostní faktor.
1. Prostudujte si princip přeměny větrné energie na elektrickou energii.
2. Seznamte se s konstrukcí různých typů větrných kol.
3. Na základě experimentálních dat určete účiník větrné elektrárny.
1. Seznamte se s teoretickou částí, základními pojmy a definicemi.
2. Na základě získaných teoretických znalostí proveďte potřebné výpočty.
3. Mimoškolní práce zahrnuje další studium teoretických problémů, jakož i zpřesňování a prezentaci výsledků praktických hodin.
Přehled
Vítr je pohyb vzduchových hmot v zemské atmosféře způsobený teplotními změnami v atmosféře v důsledku nerovnoměrného ohřevu Sluncem. Použitá větrná energie je tedy energie
Slunce se přeměňuje na mechanickou energii.
Zařízení, která přeměňují větrnou energii na užitečnou mechanickou, elektrickou nebo tepelnou energii, se nazývají větrná zařízení.
nádrže (větrné turbíny) nebo větrné turbíny.
Větrná energie se používá v mechanických zařízeních, jako jsou mlýny a vodní čerpadla, po několik staletí. Po prudkém skoku
Ceny ropy v roce 1973 prudce zvýšily zájem o taková zařízení. Většina stávajících větrných turbín byla postavena koncem 70. a začátkem 80. let na moderní technické úrovni. Při jejich konstrukci byly k jejich sledování a řízení hojně využívány nejnovější pokroky v aerodynamice, mechanice a mikroelektronice.
Běloruský energetický program do roku 2010 počítá s hlavními směry využití zdrojů větrné energie pro nejbližší budoucnost pro pohon čerpacích jednotek a jako zdroje energie pro autonomní elektromotory. Tyto aplikace se vyznačují minimálními požadavky na kvalitu elektrické energie, což umožňuje dramaticky zjednodušit a zlevnit větrné elektrárny.
Při správné organizaci využívání větrné energie může tak levný a nevyčerpatelný zdroj energie, jako je vítr, uspokojit většinu potřeb v jakémkoli odvětví národního hospodářství. Zařízení, která přeměňují větrnou energii na elektrickou, tepelnou a mechanickou energii, mohou poskytovat:
– autonomní napájení různých místních zařízení (zavlažovací systémy, mechanismy chovů hospodářských zvířat, ventilace, zařízení pro mikroklima atd.);
– dodávka teplé vody, vytápění, dodávka energie pro chladicí jednotky;
– získávání vody pro zahradní pozemky, pastviny atd.;
– čerpání vody z vertikálních a horizontálních drenážních systémů a dalších systémů.
Ve srovnání s jinými typy zdrojů energie mají větrné elektrárny tyto výhody:
– žádné náklady na těžbu a přepravu paliva;
– snížení mzdových nákladů na výstavbu větrné elektrárny více než 10x ve srovnání s výstavbou tepelných nebo jaderných elektráren;
– široký technologický rozsah přímého využití energie z větrných turbín (autonomie nebo společný provoz s centralizovanými sítěmi, kompatibilita s jinými zdroji obnovitelné energie atd.);
– minimální podmínky pro uvedení kapacit do provozu;
– zlepšení stavu životního prostředí snížením úrovně znečištění životního prostředí.
Princip činnosti a klasifikace větrných turbín
Ve větrných elektrárnách se větrná energie přeměňuje na mechanickou energii jejich pracovních částí. Primární a hlavní pracovní orgán větrné turbíny, který přímo přijímá větrnou energii a zpravidla
hle, přeměna na kinetickou energii jeho rotace, je
Otáčení větrného kola pod vlivem větru je dáno tím, že v zásadě na každé těleso obtékané proudem plynu o rychlosti u 0 působí síla F, kterou lze rozložit na dvě složky: 1 – podél rychlosti přibližujícího se proudění, nazývané odporová síla FC, a 2 – ve směru kolmém na rychlost přibližujícího se proudění, nazývané zdvihací síla F P (obr. 1).
Velikost těchto sil závisí na tvaru tělesa, jeho orientaci v proudu plynu a na rychlosti plynu. Působením těchto sil dochází k otáčení pracovní části větrné turbíny (větrné kolo).
Větrné turbíny jsou klasifikovány podle dvou hlavních kritérií:
– jeho poloha vzhledem ke směru větru (obr. 1, 2).
Rýže. 1. Síly působící na těleso proudící proudem plynu
Rýže. 2. Schematický diagram větrné turbíny využívající sílu odporu a sestávající ze skládacích desek namontovaných na pohyblivém pásu.
Pokud je osa otáčení větrného kola rovnoběžná s prouděním vzduchu, pak se instalace nazývá horizontální-axiální, pokud je kolmá, nazývá se vertikální-axiální.
Větrná kola s vodorovnou osou otáčení využívající zvedací sílu (dvou nebo třílisté větrné kolo) jsou na Obr. 3 (a, b, c, d). Tato zařízení (výtahové stroje) mají lineární rychlost konců lopatek, která je výrazně vyšší než rychlost větru.
Růst spotřeby energie se každým rokem zrychluje. Vznik nových přístrojů, domácích spotřebičů a výpočetní techniky zvyšuje potřeby obyvatelstva a nutí ke zvýšení kapacity centralizovaných linek. Jejich stav, již značně zchátralý, se při takovém zatížení stává ještě žalostnějším. Zhoršení elektrických sítí v některých regionech dosahuje 70–80 %, což nás nutí přemýšlet o budoucnosti.
Na druhou stranu je mnoho regionů, kde elektrické vedení ještě nebylo instalováno. Jedná se o odlehlé oblasti Dálného severu, těžko dostupná horská sídla atp. Na rychlou elektrifikaci takových míst není naděje, protože tam nejsou žádná důležitá průmyslová nebo obranná zařízení a stavět trať „nikam“ je iracionální, nikdy se to nevyplatí.
Východiskem z této situace může být využití alternativních metod výroby elektřiny. Zvažme jednu z nejslibnějších možností.
Proud vzduchu
V podstatě, větrná energie jeden je kinetický. Proud vzduchu má obrovskou sílu, jejíž účinek lze sledovat na videích nebo fotografiích následků hurikánů nebo prostě poryvů. Existuje mnohem více zařízení, která tak či onak využívají větrnou energii k vykonávání nějaké práce, výrobě elektrického proudu a dalším potřebám. Čerpadla poháněná větrným mlýnem jsou tedy známá odnepaměti a moderní větrné elektrárny dodávají elektrickou energii celým zemím a regionům.
Zvláštností větrné energie je její dostupnost. Pro vytvoření vodní elektrárny je nutné najít úsek koryta řeky vhodný pro topografii a vybudovat přehradu, která zaplaví velkou plochu využitelného povrchu země. Orná půda trpí a mizí, přirozené prostředí zvířat je narušováno a klima v regionu se mění.
Pro jadernou energetiku je potřeba získat jaderné palivo, postavit jadernou elektrárnu a po celou dobu jejího provozu je citelné riziko havárie, která hrozí velkou katastrofou. Používání větru je prakticky bezpečné a nemá žádný negativní dopad na přírodu ani člověka.
Odpůrci větrné energie deklarují různé problémy vzniklé využíváním větrných elektráren, ale nikdy neuvedli fakta potvrzující tyto problémy. Praxe vyvrací všechny spekulace o škodách z větrných elektráren a potvrzuje pouze prospěšné vlastnosti.
Historie použití
Počátek využívání větru člověkem sahá do daleké minulosti. V první řadě je to navigace. Vynález plachty značně usnadnil navigaci a umožnil dostat se do cíle mnohem rychleji. V roce 200 př.n.l. Větrné mlýny na výrobu mouky existovaly již v Persii.
První větrná elektrárna byl postaven v Dánsku v XNUMX. století. Umístění první stanice není náhodné, protože větrné mlýny se v Dánsku dlouho používaly a v té době neexistovaly obvyklé možnosti výroby elektřiny pomocí vodních elektráren. Západní Evropa je jedním z lídrů v rozvoji větrné energie, i když jí velmi silně konkuruje Čína a Indie.
V Rusku nejsou větrné turbíny dostatečně rozšířené, protože množství řek přispívá k rozvoji vodní energie. Vzhledem k vyšší produktivitě vodních elektráren je to zcela oprávněné, ale v poslední době se zájem o větrnou energii znovu rozmáhá.
Sluneční a větrné zdroje energie na Zemi
Alternativní zdroje, mezi které patří solární a větrná energie, mají obrovský potenciál. Jejich počet je prakticky nepřeberný, alespoň při současné úrovni technických možností. Zvláštností těchto typů je periodický charakter použití – slunce se vyznačuje noční přestávkou a proudění větru nemá specifický systém a pohybuje se chaoticky.
Výjimkou jsou přímořské regiony, kde se směr proudění mění pouze ve znamení – buď z moře na pevninu, nebo naopak. Jinak jsou oba zdroje nekonečné. Vítr neztrácí energii ani při použití velkých stanic se stovkou a více zařízeními, což jej příznivě odlišuje od stejných uhlovodíků, které spalují, znečišťují atmosféru a zároveň ubývají.
Množství sluneční energie dostupné na zemském povrchu závisí do značné míry na klimatu a atmosférických podmínkách v regionu. Oblasti s obvykle zataženou oblohou jsou v tomto ohledu neperspektivní. Totéž platí pro regiony se slabým větrem ve vztahu k větrným elektrárnám. Větrná energie je přitom k dispozici v kteroukoli denní i noční dobu, čímž je její poloha poněkud výhodnější.
Jaké jsou výhody větrné energie?
Vítr je zcela bezplatný zdroj energie. Nemusí se těžit, vyrábět ani kupovat. To je jeho hlavní výhoda, kterou nelze argumentovat ani vyvrátit. Kromě toho existují další, neméně atraktivní vlastnosti:
- ekologická čistota
- dostupnost kdekoli na světě
- nevyčerpatelnost
- Možnost použití jak v průmyslovém měřítku, tak individuálně
- jednoduchost a spolehlivost zařízení potřebných pro výrobu energie
Schopnost samostatně vyrobit větrný mlýn ze šrotu ve vaší zahradě nebo v soukromém domě odlišuje tento zdroj od jakéhokoli jiného. Vlastní montáž vyžaduje určitou zkušenost a zručnost v práci s instalatérským nářadím a alespoň základní znalosti z elektrotechniky. V dnešní době není problém získat jakékoli potřebné informace, takže vytvoření vlastního větrného generátoru je mnohem jednodušší.
Nevýhody větrných elektráren
Mezi hlavní nevýhody patří nestabilita proudění vzduchu. I v pobřežních oblastech s převládajícím větrem, které mají relativně vyrovnané parametry, dochází k odchylkám od normálních hodnot a v kontinentálních oblastech s jejich klimatickými charakteristikami, rozdíly v průměrných denních teplotách a vlhkosti vzduchu je pohyb vzdušných mas složitý a často neočekávaný. Systém. Kromě toho nevýhody větrných elektráren zahrnují:
- hluk z instalací
- blikání od rotujících nožů
- vibrace, které negativně ovlivňují malá zvířata a částečně i lidi
- vysoké investiční náklady
- relativně krátká životnost, která ne vždy zajistí návratnost investice do projektu
- vysoké náklady na elektřinu
Některé z těchto nedostatků lze bezpečně připsat spekulacím, například vysoké hladině hluku nebo vibracím. Ale s ohledem na vysokou cenu a nerentabilitu projektů je to fakt, se kterým nemá smysl polemizovat. Náklady na výstavbu větrných elektráren většinou nesou státy, zejména pokud se uvažuje o velkém projektu, který by mohl radikálně změnit zásobování země energií, nebo pokud je stanice malá, jsou hrazeny ze soukromých investic.
Je třeba poznamenat, že náklady na relativně malé projekty jsou o několik řádů nižší než náklady energetických gigantů, což výrazně zvyšuje návratnost investic a přispívá k poměrně rychlé návratnosti.
Moderní způsoby výroby elektřiny z větrné energie
Dnes je nejběžnějším způsobem přeměny energie větrných proudů využití větrných generátorů. Jedná se o zařízení, která převádějí energii proudění na rotační pohyb, který je přenášen na generátor, který vyrábí elektrický proud. Generátor nabíjí baterii, která po vybití napájí spotřebitele přes střídač.
Je pozoruhodné, že veškerá rozmanitost konstrukcí a typů větrných turbín nemá prakticky žádný vliv na stav elektroniky – její složení, počínaje generátorem, je stejné pro všechny typy instalací a liší se pouze výkonem.
Veškerá rozmanitost provedení se týká pouze rotujícího oběžného kola. Zde jsou různé možnosti designu:
- horizontální
- vertikálně
Názvy těchto skupin označují umístění osy otáčení rotoru. Horizontální konstrukce jsou poněkud efektivnější, což vedlo k jejich použití ve velkých větrných turbínách. Vertikální zařízení jsou zase vhodnější pro obsluhu malých soukromých farem, domů, osvětlení nebo vodovodního řadu.
Zvýšený zájem o větrné elektrárny podnítil nárůst vývoje různých konstrukčních možností větrných turbín. Hlavním směrem hledání konstruktérů je optimální verze oběžného kola, schopného otáčení při nízkém větru. To je relevantní pro podmínky Ruska, protože převládající větry v naší zemi jsou slabé a v menší míře střední.
Kromě rotačních instalací se uvažuje i o jiných provedeních. Nizozemští designéři například vyvinuli větrný mlýn, který běží na vodní kapky. Přenášejí náboj z jedné elektrody na druhou a zvyšují její potenciál. Vývoj je zcela nový, žádné specifikace zatím nejsou veřejně dostupné, ale zájem o takové provedení je velmi vysoký.
Jak vyrobit větrnou elektrárnu?
Zřízení větrné farmy je složitý a nákladný proces. Je nutné nainstalovat velké množství větrných turbín a spojit je do jednoho energetického systému se společným výkonem. To vyžaduje velké úsilí v oblasti technické, právní a finanční podpory projektu; k zodpovězení všech provozních otázek bude zapotřebí pečlivého předběžného průzkumu:
- převládající rychlost větru
- klimatické podmínky, možnost hurikánových větrů
- složení půdy, stabilita, únosnost
- terénní vlastnosti
Tyto ukazatele poskytují základ pro výpočet efektivnosti a možnosti výstavby stanice v daném regionu. Využití větrných elektráren nedělá problémy pro zemědělství, plocha je zmenšena pouze o velikost paty nosných stožárů. Provoz zařízení je zcela plynulý a neškodí okolním lidem ani zvířatům. Pro oblasti, které nemají jiné možnosti, jsou větrné elektrárny nejlepším východiskem.
