Енергія вітру: використання

Енергію вітру, людина почала використовувати в далекому минулому. Це були вітряні млини, побудовані в Персії в 200-х роках до н. е. і призначені для розмелювання зерна.

Вітряні млини

Перша вітро-електростанція була побудована ще в 1931 році в Ялті і розвивала потужність до 100 кВт.

Вітряки, що виробляють електрику, були винайдені в 19-м столітті в Данії. Там в 1890 році була побудована перша вітроелектростанція, а до 1908 року налічувалося вже 72 станції потужністю від 5 до 25 кВт. Найбільші з них мали висоту вежі 24 м і четирёхлопастние ротори діаметром 23 м.

Попередниця сучасних вітроелектростанцій з горизонтальною віссю мала потужність 100 кВт і була побудована в 1931 році в Ялті. Вона мала вежу висотою 30 м. До 1941-го року одинична потужність вітроелектростанцій досягла 1,25 МВт.

У період з 1940-х по 1970-і роки вітроенергетика переживає період занепаду в звязку з інтенсивним розвитком передавальних і розподільних мереж, що давали незалежне від погоди енергопостачання за помірні гроші. Відродження інтересу до вітроенергетики почалося в 1980-х, коли в Каліфорнії почали надаватися податкові пільги для виробників електроенергії з вітру.

В даний час вітроенергетика є бурхливо розвивається галуззю, так в кінці 2010 року загальна встановлена потужність всіх вітрогенераторів склала 196,66 ГВт.

Принцип роботи вітрові електростанції.

Принцип роботи вітрові електростанції.

Ресурсів вітру досить, щоб багаторазово задовольняти потреби людства в енергії.

Атмосферні турбіни, що обертаються під впливом постійних і швидких потоків вітру, що дмуть на великих висотах, можуть виробляти більше енергії, ніж наземні і шельфові турбіни. У новому дослідженні Кена Калдейра (Ken Caldeira) з Університету Карнегі наводиться оцінка максимальної кількості енергії, яке може бути вироблено вітрогенераторами, а також розглядається вплив висотного збору енергії на клімат Землі.

Команда вчених з Ліверморської національної лабораторії на чолі з Кейт Марвел (Kate Marvel), яка розпочинала ці дослідження в Університеті Карнегі, використовувала моделювання для кількісного визначення електроенергії, вироблюваної як за допомогою приповерхневих, так і атмосферних вітрів, що дмуть на великих висотах. До приповерхневим вітрам вчені віднесли ті потоки повітря, які доступні для турбін, які перебувають на землі або на морському шельфі. Висотними вважаються такі вітри, доступ до яких можна отримати за допомогою технології обєднання турбін і повітряних зміїв. У дослідженні розглядалися лише геофізичні обмеження таких технологій, технічні або економічні чинники в розрахунок не бралися.

схема вітрогенератора

Схема вітрогенератора.

Турбіни перешкоджають переміщенню повітря, створюючи опір, знижує рушійну силу вітру, що призводить до його уповільнення. При збільшенні кількості вітрогенераторів кількість вироблюваної електроенергії також збільшується. Але в якийсь момент вітри стануть уповільнені на стільки, що додавання нових генераторів не призведе до зростання вироблення енергії. Дослідження було зосереджено на пошуку точки, в якій кількість виробленої енергії максимально.

Використовуючи моделі, дослідники змогли визначити, що за допомогою наземних турбін можна отримати більше 400 ТВт енергії, а за рахунок висотних потоків повітря - понад 1800 ТВт.

Сьогодні людство споживає близько 18 ТВт енергії. Вітри, що дмуть у поверхні Землі, можуть двадцятикратно задовольнити наші потреби в енергії, а атмосферні потоки - стократно.

При максимальних рівнях добування енергії вітру наслідки для клімату могли б бути вельми згубними. Однак, як показали дослідження, при сьогоднішньому рівні потреби в енергії вплив вітрогенераторів буде незначним, тим більше, при рівномірному розподілі турбін по поверхні Землі, а не зосередження їх в декількох окремих регіонах. При цьому температура може змінитися всього на 0,1 ° С, а вплив на осідання буде в межах 1%. В цілому вплив на навколишнє середовище буде неістотним.

Схема пристрою простого вітрогенератора.

Схема пристрою простого вітрогенератора.

Але, на думку Калдейра, зростання вітроенергетики в усьому світі будуть, швидше за все, визначатиме не геофізичні обмеження, а технологічні та політичні чинники.

Розроблені NASA повітряні вітроенергетичні системи ефективніше традиційних турбін.

Вітряні турбогенератори, що встановлюються на землі, на сьогодні є «золотий стандарт» вітроенергетики. Але інженери NASA працюють над унікальною альтернативою - повітряними вітроенергетичними системами. NASA робить упор на 2 основні елементи нової технології - набір виробляють електрику турбін, встановлених на повітряному змії, і наземний генератор, зєднаний з повітряним змієм і отримує енергію за рахунок його обертальних рухів, коли той ловить вітер.

Як повідомляється, ККД такої повітряної системи досягає 90% завдяки обертальної фазі змія, яка використовує на 10% менше енергії. Інший ключовий особливістю нової системи є те, що лопаті турбіни обертаються швидше і віддалені за більший відстань від свого центру, що дозволяє виробляти електроенергію в більшій кількості. У складі системи також є програмне забезпечення розпізнавання рухів на зразок Kinect компанії Microsoft, яке може визначати положення повітряного змія в просторі, а також напрямок його руху і швидкість.

Крім того, є система управління польотом, що дозволяє повітряного змія описувати «вісімку». Прототип змія, над удосконаленням якого працює NASA, має розмах крил 10 футів (приблизно 3 м). Також в NASA запросили дозвіл на випробування системи на висоті 2000 футів (приблизно 610 м), яка, як передбачається, є ідеальною для роботи повітряних вітроенергетичних систем. У NASA планують використовувати таку систему в майбутньому, і не тільки на Землі, але і на Марсі та інших планетах.

Вітроенергетика в Росії

У середині 1920-х років ЦАГІ розробляв вітро-електричні станції та вітряки для сільського господарства. Конструкція «селянського вітряка» могла бути виготовлена на місці з доступних матеріалів. Його потужність варіювалася від 3 к.с., 8 к.с. до 45 к.с. Така установка могла висвітлювати 150-200 дворів або приводити в дію млин. Для сталості роботи був передбачений гідравлічний акумулятор.

Принцип роботи вітряної турбіни

Принцип роботи вітряної турбіни.

Технічний потенціал вітрової енергії Росії оцінюється понад 50 000 млрд кВт год / рік. Економічний потенціал складає приблизно 260 млрд кВт · год / рік, тобто близько 30 відсотків виробництва електроенергії всіма електростанціями Росії.

Енергетичні вітрові зони в Росії розташовані в основному на узбережжі і островах Північного Льодовитого океану від Кольського півострова до Камчатки, в районах Нижньої і Середньої Волги і Дону, узбережжі Каспійського, Охотського, Баренцового, Балтійського, Чорного та Азовського морів. Окремі вітрові зони розташовані в Карелії, на Алтаї, в Туві, на Байкалі.

Максимальна середня швидкість вітру в цих районах доводиться на осінньо-зимовий період - період найбільшої потреби в електроенергії і теплі. Близько 30% економічного потенціалу вітроенергетики зосереджено на Далекому Сході, 14% - в Північному економічному районі, близько 16% - в Західному і Східному Сибіру.

Сумарна встановлена потужність вітрових електростанцій в країні на 2009 рік становить 17-18 МВт.


» » » Енергія вітру: використання