древний механизм работающий за счет энергии ветра
История использования энергии ветра.Использование ветряных мельниц
С начала истории человечества, люди осваивали энергию ветра. Энергия ветра использовалась для того, чтобы привести в движение лодку по реке Нил в начале 5000 г. до н.э. В 200 г. до н.э., простые ветряные мельницы использовались в Китае для перекачки воды, в то время как ветряные мельницы с вертикальной осью служили персам для размола зерна на Ближнем Востоке.
Новые способы использования энергии ветра в смогли распространиться по всему миру. В 11-м веке, люди на Ближнем Востоке используют ветряные мельницы широко для производства продуктов питания, а купцы и крестоносцы, несли эту идею обратно в Европу. Голландский мельница усовершенствовали и адаптировали для слива озер и болот в дельте реки Рейн. Когда поселенцы приняли эту технологию в Новый Свет в конце 19 века, они начали использовать ветряки для откачки воды на фермах и ранчо, а потом, чтобы обеспечивать электричеством дома и промышленность.
Американские колонисты использовали ветряные мельницы, чтобы молоть пшеницу и кукурузу, для перекачки воды, и для рубки дров на лесопильных заводах. Еще в 1920-х годов, американцы использовали небольшие ветряные мельницы для производства электроэнергии в сельских районах, где неьуло транспортных путей для ее подводки. Когда линии электропередач начали использоваться для транспортировки электроэнергии в сельских районах в 1930 году, местные ветряные мельницы использовались все меньше и меньше, хотя они все еще можно увидеть на некоторых западных ранчо.
Использование ветряных мельниц приобрело популярность в результате дефицита нефти. Дефицит нефти 1970-х годов изменили энергетическую картину для стран всого мира. Она создала интерес к альтернативным источникам энергии, что открывает путь к возвращению ветряков для производства электроэнергии. В начале 1980-х годов ветровая энергия начала развиваться в Калифорнии, благодаря государственной политике, которая поощряла к использованию возобновляемых источников энергии.
В 1970 году нехватка нефти стал толчком к развитию альтернативных источников энергии. В 1990-х происходил толчок для их использования снова забота об окружающей среде в связи с научными исследования, которые указывают на возможные изменения глобального климата, если использование ископаемых видов топлива продолжает расти. Энергия ветра является экономический ресурс власти во многих странах мира.
Растущая обеспокоенность по поводу выбросов ископаемого топлива, а также более высокие затраты на ископаемые виды топлива (в частности, природного газа и угля) помогли увеличить мощность использования ветровой энергетики во многих странах мира.
Ветроэнергетика — история и перспективы развития. Принципы работы
Постепенное исчезновение ископаемых источников топлива, заставляет ученых придумывать другие способы получения энергии. Несмотря на то, что энергию ветра начали использовать более 5000 лет назад, популярность ветряные станции получили не там давно. Как человек сегодня использует ветер знают все – ветроэлектростанции, воздушные мельницы, полеты на дельтапланах и многое другое.
Ветряная энергетика — это развивающаяся отрасль, которая специализируется на изучении и использовании энергии ветра в повседневной жизни. Считается одной из самых перспективных отраслей альтернативного получения энергии.
С каждым годом строительство ветряных станций увеличивается, все больше стран инвестируют в разработку и исследование применения энергии ветра. Возможно, в ближайшем будущем, альтернативные экологичные источники полностью обеспечат людей энергией.
История использования энергии ветра
История использования энергии ветра человеком, уходит далеко в прошлое, когда люди не имели понятия про законы физики. В Древнем Египте использовали энергию ветра для помола муки в мельнице, в Китае откачивали воду с рисовых полей с помощью приспособлений с лопастями. Мореплаватели начали использовать парус, когда поняли, что с помощью ветра можно эффективнее управлять судном и добираться до нужного места быстрее.
Принцип работы ветровой электростанции
Ветряные электростанции представляют собой несколько ветряных установок, объединенных между собой в единую сеть. Крупные станции могут включать в себя более 100 ветрогенераторов. Такие места получили название “ветряные парки”. Ветрогенераторы — это экологический способ добывать энергию в течение неограниченного времени.
Эффективным местом для установки ветровых электростанций являются участки с постоянным потоком ветра — холмистая местность, горы, прибрежные участки морей и океанов. По расположению выделяют следующие виды:
По типу конструирования можно выделить:
Крыльчатые ветряные электростанция наиболее эффективные и получили широкое применение. Они способны вырабатывать достаточное количество энергии. На высокой мачте устанавливается чаще всего трехлопастной механизм, с горизонтальной осью вращения. Мощность вращения зависит от размера лопастей. Максимальная скорость вращения достигается в моменте, когда поток ветра идет перпендикулярно лопастям. Так как потоки ветра периодически меняют направление, то имеется автоматический блок управления
Роторные электростанции имеют вертикальную ось вращения. Плюсом данного вида является то, что они не издают шум, эффективность работы не зависит от направления потока ветра, поэтому станции не нужны дополнительные блоки управления. Но по сравнению с крыльчатыми электростанциями они менее эффективны.
Принцип работы любой ветряной электростанции одинаков. Поток ветра раскручивает ротор с лопастями, которые связаны с генератором. Чем больше размер лопастей, тем больший поток они захватывают и вращается с большей скоростью. Чем быстрее крутятся лопасти, тем больше энергии вырабатывается. Генератор преобразует движение в энергию и выводит на аккумуляторы. На выходе получается пригодная для использования энергия.
Глобальное распределение ветра
Чтобы правильно рассчитать место установки ветровой электростанции нужно учитывать много факторов. Регионам с высоким потенциалом считаются места, где средняя скорость ветра около 9 м/с. К таким местам относят Латинская Америка, Гренландия, западная и северная части Европы, Центральная часть Азии, Центральная часть Северной Америки.
Оценка ветровых ресурсов сложный процесс. Основные факторы, на которые обращают внимание:
Большая часть суши не приспособлена для расположения таких станций. Стартовая скорость для выработки электроэнергии — это 4 м/с. Оптимальная скорость — около 10 м/с.
Как море или океан влияют на количество добываемого тока из ветрогенератора
Для эффективной работы ветряка важна не только сила ветра, но и его постоянный поток. Все мы знаем, что ветер — это поток воздуха у поверхности земли. Образуются эти потоки, из-за движения воздуха из области более низкого давления в более высокое. Так как земля нагревается быстрее, чем поверхность воды, то нахождение ветряков вблизи морей и океанов создает подходящую ветрогенерацию — здесь всегда образуются потоки ветра. Кроме обычных, есть и штормовые ветра, которые достигают скорости от 20 м/с.
Проведенные исследования подтверждают, построив ветряные парки в морях и океанов, вырабатываемая ветряками энергия могла бы обеспечить все нужды человечества. Кроме того, скорость ветра в океане больше примерно на 70%, чем на суше. Несмотря на то, что идея интересная, реализация ее сложная и требует больших инвестиций.
Виды ветрогенераторов
Ветрогенераторы — устройства, которые преобразуют кинетическую энергию, созданную потоком ветра, в механическую, а далее в электрическую.
Все ветрогенераторы можно разделить на вертикальные и горизонтальные. Свое название они берут из-за расположения оси вращения:
Вертикальные или “карусельные” ветряки
Данный тип ветряка имеет механизм с вертикальной осью вращения. Представляет собой:
Такие ветряки бесшумные и могут устанавливаться рядом с жилым домом, их работа не зависит от направления ветра — способны улавливать поток воздуха под любым углом, работа начинается с минимальных показателей силы потока ветра.
Горизонтальные
Ось ротора вращается параллельно земле. Ветрогенераторы такого типа имеют от одной лопасти. Их разделяют на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Для работы горизонтальных ветрогенераторов необходимо правильное направление ветра, поэтому продумана автоматическая регулировка.
Преимущество таких установок — большая эффективность работы. По сравнению с вертикальными они легче и меньше по габаритам.
Как устроена ветровая электростанция
Современные ветряные станции имеют 3 лопасти, длина которых может достигать 55 метров.
Чтобы понять, как работает станция нужно знать как она устроена:
Особенности бытовых ветрогенераторов
Так как ветроэнергетика — это неисчерпаемый ресурс, то многие задумываются об установке ветряка у себя дома. Раньше ветровые генераторы использовались больше в промышленной сфере. Но с развитием этой технологии появились и бытовые модели.
Чаще всего их применяют в местах, где нет централизованной электросети. Современные установки на 3-5 генераторов, смогут полностью обеспечить дом энергией. Однако, перед тем как покупать ветряки, стоит изучить насколько эффективно они будут работать конкретной местности.
Обратите внимание! На рынке можно встретить ветродизельную электростанцию (ВДЭС), которая представляет собой комбинацию ветроэлектрических установок и дизельного генератора. ВДЭС кроме электроэнергии может производить и тепловую, что позволяет бесперебойно снабжать дом энергией.
Мощности промышленных станций
Ветроэнергетика как отрасль основывается на применении мощных производственных ветровых турбин, которые могут обеспечить энергией в больших масштабах. Все ветрогенераторы имеют схожую конструкцию:
Размеры таких станций могут достигать в высоту до 190 метров в и весят до 6000 тонн. Одна из самых габаритных установок в мире — Enercon E-126, имеет размах лопасти 128 метров.
Расчет лопастного ветрогенератора
Мощность устройства можно рассчитать по следующей формуле:
P – расчетная мощность, кВТ;
r – расстояние от центральной точки ротора до конца лопасти, м;
v – средняя скорость, м/с;
Большое значение в конструировании имеет размер лопасти, форма, материал из которого изготовлена.
Расчет мультипликатора
Самый мощный ротор может дать около 400 оборотов в минуту, но для эффективной работы, число оборотов должно быть в 2,5 раза больше. Для этого устанавливаются мультипликаторы — промежуточные звенья между ротором и генератором, которое повышает частоту вращения вала. Чтобы обеспечить эффективную работу генератора, нужен мультипликатор с большим коэффициентом повышения.
Мачта
Мачта — один из важнейших элементов конструкции ветрогенератора. Высота мачты зависит от места установки. Основные правила установки:
Чтобы ветрогенераторы работали в полную мощность, минимальная высота их установки начинается от 25 метров. Чаще всего высота мачты 70-110 метров
По типу опоры различают:
Мачта устанавливается на фундамент, от которого зависит надежность конструкции. Для начало выкапывают котлован и слоями укладывают щебень и песок. После утрамбовки устанавливают основу мачты и заливают бетоном. После заливки, фундаменту нужно время отстояться 4-5 недель. Только после этого продолжается работа по установки мачты.
Вертикальные ветрогенераторы имеет другую конструкцию. Для них не требуются высокие опоры, а мачта представляет собой разборную конструкцию высотой до 6 метров, которая монтируется на крыше зданий.
Расчет энергии ветра
Энергия ветра — это кинетическая энергия потока воздуха. Этот показатель измеряется в джоулях. Рассчитать можно по следующей формуле:
P = r · V3 · S/2, где r – показатель плотности воздуха (1,225 кг/м3), V – значение, отражающее с какой скоростью движется поток (м/с), S – площадь потока (м2).
При расчете важно учитывать потери и КПД генератора.
Для получения точных результатов, нужно знать показатели местности. Где предполагается поставить ветрогенератор.
Ложные теории
Самые распространенные мифы про ветроэнергетику:
Ложные теории появляются из-за незнания тема, однако все их легко опровергнуть, что было сделано многократно.
Ветровые электростанции преимущества и недостатки
Преимущества установки ветровых электростанций:
У ветроэнергетики есть свои сторонники, которые считаю применение ветрогенераторов экологичным способом решения проблемы с энергетикой. Но также есть люди, которые выступают против строительства ветряных парков, так как они приносят вред здоровью человека, птицам. Недостатки ветроэнергетики не сопоставимы с большим потенциалом, который кроется в этой отрасли.
Ветроэнергетика как угроза животному миру
Защитники птиц выступают против строительства ветряных генераторов, так как птицы часто врезаются в лопасти ветряков. Хотя подсчет показал, что количество погибших птиц от генератора не больше, чем от высоковольтных проводов. Однако, зоозащитники волнуются, что во время миграции птиц они могут попасть в зону ветряного парка или сменить путь миграции.
Еще одно опасение защитников, что шумы, которые издают генераторы могут отпугивать животных и они меняют место обитания.
Ветроэнергетика как потенциальный онкоген
“Синдром ветрогенератора” — это клиническое название симптомов людей, которые живут вблизи ветряных генераторов. Основные симптомы — усталость, бессонница, раздражительность, головные боли, шум в ушах, проблемы с концентрацией. Все эти симптомы могут появляться из-за того, что работа генератора издает низкочастотные шумы, которые не воспринимает наш слух, однако организм наш реагирует.
Данный синдром не признан официально, а некоторые считают его классическим случаем ноцебо-эффекта. Это значит, что реакция организма вызвана не от действий генератора, а от отрицательной информации про него.
Ветроэнергетика в России
На данным момент Россия достаточно слабо использует такой ресурс, как ветер. Государство не выделяет достаточно субсидий на исследование и покупку конструкций.
Самая крупная ветроэлектростанция в России была запущена в 2020 году в Ставропольском крае. Рабочая мощность каждой из 84 установок — 2,5 МВт.
Доля ветроэнергетики в общей энергосистеме страны незначительная, и скорее всего в ближайшем будущем не поменяется. За прошлый год ветряками было выработано менее 1% от всего объема потребляемой энергии. Это обусловлена тем, что в стране развиты другие способы добычи энергии. Однако, нужно помнить, что энергия ветра неиссякаема и нельзя отказываться от альтернативной и быстроразвивающейся отрасли.
Ветроэнергетика в мире
Ветроэнергетика — это альтернативный источник энергии и многие страны этим пользуются. Изучение ветроэнергетики в последние десятилетия стало популярной и быстрорастущей отраслью. За прошлый год было установлено 93 ГВт новых установок.
Лидирующими странами, где этому уделяют большое внимание являются США, Канада, Великобритания, Дания, Германия, Китай.
Следует отметить! Энергия ветра используется людьми все чаще, например, доля получаемой энергии в Дании равно 28% в рамках всей энергетической отрасли, в Китае 36%.
Перспектива развития ветроэнергетики остается положительной, и в ближайшем будущем количество стран, которые будут внедрять альтернативный способ получения энергии, будет только увеличиваться.
Перспективы развития
Если учитывать, что сейчас идет фокусировка на природных экологических методах извлечения энергии, то ветроэнергетику в ближайшие годы ждет положительная перспектива развития. Все время идет разработка новых и усовершенствование старых моделей ветряков. Одна из последних разработок, это парящие генераторы, которые могут использовать максимальную силу ветра.
Все больше стран в мире уделяет ветряной энергии внимание и начинает строительство своих ветряков на подходящих территориях. Энергия ветра считается одной из перспективных альтернативных отраслей энергетики.
Чаще пользуется спросом частные ветряные генераторы, которые могут обеспечить частично или полностью дом энергией. Традиционные источники энергии могут в скором времени закончатся, а также приносят непоправимый вред экологии. Многие считаю, что за ветроэнергетикой, как и за альтернативными экологичными способами добычи энергии, стоит будущее.
История Ветроэнергетики
История ветроэнергетики начинается сотни лет назад, когда люди начали строить ветряные мельницы для того, чтобы накачать воду для орошения сельскохозяйственных культур и превратить зерно в муку.
Более сложный и крупный ветряк для выработки электроэнергии был построен в конце 1800-х годов в Кливленде, штат Огайо.
Чарльз Браш спроектировал и построил ветряную турбину на восемнадцатиметровой опорной башне, с ротором 17 метров в диаметре, состоящим из 144 деревянных лопастей. Этот гигант выдавал 12 кВт электроэнергии и прослужил верой и правдой с 1886г. до 1900 года. До тех самых пор, пока в Кливленде не построили теплоэлектростанцию.
Самое динамичное развитие ветровой энергетики в 20м веке наблюдалось в Дании. Так, к 1908 году уже было построено 72 ветряка мощностью от 5 до 25 кВт. Конструкция легкого ветряка с тремя лопастями и направлением на ветер, характерная для этой ветреной страны, теперь стала классикой!
Предшественником современных ветряков был советский ветряной двигатель около Ялты, работавший с 1931 по 1942 год. Он обладал мощностью 100 кВт и был подсоединен к местной распределительной системе напряжением 6,3 кВ. Следует отметить, что его годовой коэффициент нагрузки был 32%, что весьма близко к показателям современных установок.
Перенесемся ближе к нашему времени. 17 октября 1973 год. Страны ОПЕК прекратили поставки нефти странам поддерживающим Израиль в Войне Судного дня. В течение следующего года цена на нефть поднялась с трёх до двенадцати долларов за баррель. Это дало новый толчок для развития энергии ветра. США и Европейские страны резко увеличили финансирование исследований и производства оборудования для альтернативной энергетики.
Результатом этого стали многочисленные технологии сооружения ветряков, мощность которых исчисляется мегаваттами. Сюда можно отнести использование генераторов с регулируемой частотой вращения, составные материалы для лопастей, аэродинамическое и акустическое проектирование. С этого момента стало возможным использование энергии ветра в крупных масштабах.
