РОЗДІЛ 9. Вітрова енергія

Ми живемо на дні повітряного океану, у світі вітрів. На нашій планеті постійно й усюди дують вітри • від легкого вітерцю, до могутніх ураганів. Кінетична енергія, що рухаються повітряних мас - величезна. По оцінках різних авторів, загальний вітроенергетичний потенціал Землі рівний 1200 ТВт, однак можливості використання цього виду енергії в різних районах Землі неоднакові. Середньорічна швидкість вітру на висоті 20-30 м над поверхнею Землі повинна бути досить великий, щоб потужність повітряного потоку, що проходить через належним чином орієнтований вертикальний переріз, досягала значення, прийнятного для перетворення.

Ідея використовувати силу вітру відома давно: у Персії і Єгипту вітряні млини - прообраз сучасних вітрових генераторів - використовувалися вже в ІН столітті до нашої ери. А в XV столітті млина використовувалися вже повсюдно, більш того в Голландії конструкція була модернізована й стала застосовуватися для розв'язку таких завдань як осушення боліт та піднімання вантажів. Як приклад на рис. 9.1. показаний пристрій вітряного млина. Тут: І - лопаті вітрового колеса; 2 - корпус; 3 - мірошницькі жорна.

До середини минулого сторіччя вітродвигуни існували переважно у вигляді "класичних" селянських млинів. Це було обумовлено тим, що по своїй ефективності вітродвигуни не могли конкурувати як з дизельними електростанціями, так і гідроелектростанціями. Однак до кінця XX століття нафта суттєво подорожчала і по даним деяких аналітиків, її запасів вистачить не більше ніж на 60-80 років. Виходить, необхідний пошук інших джерел енергії, зокрема - енергії вітру. На початку століття Н.Е. Жуковський розробив теорію вітродвигуна, на основі якої могли бути створені високопродуктивні установки, здатні одержувати енергію від самого слабкого вітерцю. З'явилася безліч проектів

Рис. 9.1. Пристрій вітряного млина

вітрових агрегатів, незрівнянно більш досконалих, чому старі вітряні млина. У нових проектах використовуються досягнення багатьох галузей знання. Однак, незважаючи на двохтисячорічну історію різноманітних удосконалень, принцип дії всіх вітродвигунів залишився практично незмінним. Різниця лише в тому, що колись колесо з лопатями, що оберталось під напором вітру, через систему передач посилало крутний момент на мірошницькі жорна, а зараз він передається на вал генератора, що виробляє струм.

Нагадаємо, що робота всіх сучасних генераторів електричного струму заснована на явищі електромагнітної індукції при русі провідника в магнітному полі. На рис. 9.2. показаний принцип одержання змінного електричного струму. Електрорушійна сила виникає при обертанні замкненого провідника а постійному магнітному полі. У якості замкненого провідника як, правило, використовується дротова обмотка. Кінці цієї обмотки приєднані до двох мідних контактних кілець, укріплених на одній осі обертання. При обертанні замкненого провідника він постійно перетинає магнітний потік, величина якого визначається за допомогою наступного співвідношення:

Де: а- кут, складено нормаллю η до площини витка й вектором індукції магнітного поля В; Ф0 - максимальне значення потоку при а=0; S- площа витка.

Рис. 9.2. Принцип одержання змінного електричного струму

Якщо використовується не один замкнений виток, а N витків, то амплітуда електрорушійної сили Е0 буде в N раз більше.

Рис. 9.3. Існуючі варіанти вітрових коліс вітрогенераторів

Відомо, що величина енергії, повітряного потоку пропорційна кубу швидкості вітру. Однак не вся енергія повітряного потоку може бути використана навіть за допомогою ідеального пристрою. Теоретично, коефіцієнт корисного використання енергії, що міститься в повітряному потоці, може досягати значення до 59,3 %. Однак, на практиці, згідно з опублікованими даними, максимальний коефіцієнт корисного використання енергії вітру в реальному вітроагрегаті рівний приблизно 50 %. Більше того, і цей показник досягається не при всіх швидкостях вітру, а тільки при його оптимальній швидкості. Також потрібно врахувати, що частина енергії повітряного потоку губиться при перетворенні механічної енергії в електричну, яке здійснюється із ККД звичайно 75-95 %. Враховуючи всі ці фактори, питома електрична потужність, видавана реальним вітроенергетичним агрегатом, очевидно, становить 30-40 % потужності повітряного потоку. Однак іноді вітер має швидкість, що виходить за межі розрахункових швидкостей. Швидкість вітру буває настільки низкою, що вітроагрегат зовсім не може працювати, або настільки високої, що вітроагрегат необхідно зупинити й вжити заходів по його захисту від руйнування. Якщо швидкість вітру перевищує номінальну робочу швидкість, частину механічної енергії, що отримується, не використовується, для того щоб не перевищувати номінальної електричної потужності генератора. Враховуючи ці фактори, питомий виробіток електричної енергії протягом року, очевидно, становить 15 30% енергії вітру, або навіть менше, залежно від місця розташування й параметрів вітроагрегата.

Основним елементом конструкції вітрогенератора с вітрове колесо. У цей час розроблене багато різних варіантів вітрових коліс, з різними конфігураціями лопатей.

Це двох, трилопатеві, багатолопатеві. Самі лопаті різняться по геометрії своп поверхні. На рис. 9.3. показані деякі, із застосовуваних у цей час, вітрових коліс.

На рис. 9.4. показана конструкція типового ветроелектричного генератора.

Де: 1 - лопаті; 2 -ковпак ротора; 3- гондола з електричним генератором; 4 - стабілізатор, що служить для відстеження напрямку вітру; 5 - несуча щогла; 6 - силова шафа з акумуляторними батареями й перетворювачем; 7 - фундамент.

Експериментальні дані показали, що вітроенергетична установка, розташована на майданчику, де середньорічна питома потужність повітряного потоку становить близько 500 Вт/м2 (швидкість повітряного потоку при цьому рівна 7 м/с), може перетворити і електроенергію близько 175 із цих 500 Вт/м2.

Прагнення освоїти виробництво вітроенергетичних машин привело до появи на світі безлічі таких агрегатів. Деякі з них досягають десятків метрів у висоту, і, як вважається, згодом вони могли-би утворювати справжню електричну мережу. На рис. 9.5. схематично показана вітроелектрична установка, побудована Національним керуванням по аеронавтиці й дослідженню космічного простору (НАСА) у штаті Огайо. Де: 1 - лопаті вітрового колеса; 2 - ковпак ротора; 3 - електричний генератор; 4 - трансмісія; 5 - гондола; 6 - поворотний механізм; 7 - вежа; 8 - сходи; 9 - силова шафа; 10 - фундамент. На вежі висотою 30,5 м генератор у поворотному обтічному корпусі; на валу

Рис. 9.4. Схема типа вітроелектричного генератора

генератора укріплений установлений пропелер п двома алюмінієвими лопатами довжиною 19 м і вагою 900 кг. Уся установка починає працювати при швидкості вітру більших 13 км/год. а максимально продуктивності (100 кВт) досягає при швидкості вітру 29 км/год.