Energia eoliană

Din cele mai vechi timpuri, omul a folosit energia eoliană, mai întâi pentru transport și apoi pentru a-și înlocui forța musculară. Primele mori de vânt simple au fost folosite în Egipt și China în antichitate. În Egipt (lângă Alexandria) există rămășițe ale unor mori de vânt din piatră de tip tambur, construite în secolele II-II î.Hr. În secolul VII d.Hr. în Iran au fost construite mori de vânt cu un design mai perfect — mori cu aripi. Ceva mai târziu (secolele VIII-IX), morile de vânt au apărut în Rusia și în Europa. Începând cu secolul al XIII-lea, morile de vânt au fost larg răspândite în Europa de Vest, în special în Olanda, Danemarca și Anglia, pentru ridicarea apei, măcinarea cerealelor și punerea în mișcare a diferitelor mașini. La începutul secolului al XX-lea, în fermele țărănești din Rusia existau aproximativ 250.000 de mori de vânt, care măcinau anual jumătate din recoltă. Odată cu inventarea motoarelor cu aburi și apoi a motoarelor cu ardere internă și a motoarelor electrice, vechile mori de vânt primitive și morile de vânt au fost înlăturate din multe industrii și au rămas în principal în agricultură.

Energia eoliană este estimată la 175-219 mii TWh pe an, puterea pe care o dezvoltă ajungând la (20-25) — 10 9 kW. Aceasta reprezintă de aproximativ 2,7 ori consumul total de energie de pe planetă. Cu toate acestea, se crede că doar 5 % din această energie poate fi utilizată; în prezent, se utilizează mult mai puțin.

Utilizarea energiei eoliene este o ramură a energiei mondiale care se dezvoltă în mod dinamic în prezent. Dacă în anul 2000 capacitatea totală instalată a instalațiilor de energie eoliană (WPI) în lume era de 17,8 GW, în 2005 a ajuns la 59,27 GW (tabelul 3.1). Rata de dezvoltare a energiei eoliene la nivel mondial a crescut semnificativ în 2005. Capacitatea turbinelor eoliene nou puse în funcțiune a totalizat 11408 MW, ceea ce depășește cu 40% cifra din anul precedent. În ultimii ani, dezvoltarea energiei eoliene s-a accelerat în țările non-europene.

În Europa, unde dezvoltarea energiei eoliene a fost, de asemenea, destul de rapidă în ultimii 10 ani, situația s-a stabilizat la un nivel ridicat, iar punerea în funcțiune a 6372 MW de turbine eoliene în 2005 a reprezentat o creștere de aproximativ 8% față de 2004. Cu o cotă de 69%, Europa rămâne principalul continent în ceea ce privește producția de energie eoliană, cu 6372 MW de turbine eoliene. Țările lider în domeniul energiei eoliene sunt Germania și Spania. Din cei 6373 MW puși în funcțiune în 2005, 3572 MW (56%) provin din aceste două țări. În Danemarca, 13% din energia electrică este generată de turbine eoliene, iar jumătate din turbine sunt fabricate în Danemarca.

Capacitatea totală instalată a turbinelor eoliene în lume a ajuns la 73904 și, respectiv, 93849 MW în 2006 și 2007. Asociația Mondială a Energiei Eoliene (WWEA) preconizează că capacitatea instalată a industriei mondiale a energiei eoliene va ajunge la 170 000 MW până în 2010.

În 2007, Statele Unite au instalat cel mai mare număr de turbine eoliene. Pe parcursul anului, capacitatea turbinelor eoliene a crescut cu 5 215 MW și a devenit a doua cea mai mare din lume în ceea ce privește capacitatea totală instalată.

Tendința ultimelor decenii este creșterea continuă a capacității unitare a turbinelor eoliene conectate la rețea. Cu doar 10 ani în urmă, o turbină eoliană tipică în fermele eoliene era o unitate de 300-500 kW. În 2000-2002, o turbină eoliană de 1-1,2 MW a devenit o unitate standard. Acest lucru duce la o scădere a costului kilowațiului instalat, care astăzi se situează la nivelul de 1 000 de dolari pe 1 kW. Cu caracteristici eoliene favorabile, costul electricității generate de o turbină eoliană mare se apropie de cel al centralelor pe combustibil.

În 1998, societatea germană Sudwind a lansat pe piață o turbină eoliană de 1,8 MW. La mijlocul anului 1999, NEG Micon a instalat o turbină eoliană de 2 MW cu un diametru al rotorului de 72 de metri. În 2003, aceeași companie a prezentat o turbină eoliană de 4,2 MW la un târg din Madrid. În prezent, mai multe companii produc turbine eoliene cu o putere cuprinsă între 3-5 MW. Acestea sunt giganți cu un diametru al rotorului de peste 100 de metri și o înălțime a turnului de aproximativ 100 de metri. De exemplu, turbina eoliană NEG Micon NM110/4200 de 4,2 MW are un rotor cu diametrul de 110 m, cântărind 69 de tone, cu trei pale lungi de 54 m fiecare.

La nivel mondial, turbinele eoliene au atins în prezent un nivel de maturitate comercială și concurează cu succes cu sursele convenționale de energie în locuri cu viteze medii anuale ale vântului de peste 5 metri pe secundă.

Din 1995, capacitatea instalată a centralelor eoliene din lume a crescut de aproape 20 de ori: de la 4800 MW la 93849 MW (la sfârșitul anului 2007). Expansiunea pieței mondiale a energiei eoliene a condus la o scădere semnificativă a prețurilor energiei eoliene. Atunci când parcurile eoliene sunt amplasate în locuri cu condiții bune de vânt, energia electrică pe care o produc este mai ieftină decât cea produsă de centralele pe cărbune, gaz și nucleare. În plus, dacă costurile ascunse asociate cu impactul combustibililor fosili și al energiei nucleare asupra mediului și sănătății ar fi incluse în costul electricității, electricitatea produsă de parcurile eoliene ar fi și mai ieftină.

În Rusia, până de curând, dezvoltarea energiei eoliene nu a primit atenția pe care o merită. Turbinele eoliene cu o capacitate de 250 kW dezvoltate la sfârșitul secolului trecut nu au fost aduse la nivelul cerințelor necesare de fiabilitate și eficiență. Prin urmare, aproape toate turbinele eoliene mari care funcționează astăzi în Rusia sunt echipate cu unități importate.

Centrale eoliene

Vântul ca sursă de energie se caracterizează în primul rând prin viteza sa. Viteza vântului într-un anumit loc este o valoare foarte variabilă. Aceasta se caracterizează prin schimbări rapide (rafale) și schimbări lente (meteorologice, zilnice, sezoniere). Prin urmare, un anumit loc este caracterizat de o viteză medie anuală a vântului. De obicei, în cărțile de referință, pe baza datelor de la stațiile meteorologice, sunt indicate vitezele vântului la o înălțime de 10 metri. Pentru construirea unei turbine eoliene de mari dimensiuni, este preferabil să se cunoască viteza vântului la o înălțime de 80 de metri.

Energia cinetică a fluxului de aer E (J), care ocupă volumul V (m 3 ), are densitatea ρ (kg/m 3 ) și se deplasează cu viteza w (m/s), se determină prin formula

Puterea curentului eolian N (W), care trece prin suprafața S (m 2 ), se determină prin formula

Pentru S = 1 m 2 , se obține valoarea puterii specifice a fluxului eolian cu viteza w:

În mod obișnuit, industria energiei eoliene utilizează un interval de funcționare al vitezelor vântului care nu depășește 25 m/s. Această viteză corespunde unui vânt de 9 puncte (furtună) pe scara Beaufort de 12 puncte. Valorile puterii specifice N sunt prezentate mai jos pentru intervalul specificat de viteze ale vântului_уд:

Numai o fracțiune din energia vântului poate fi transformată în energie mecanică cu ajutorul unei turbine eoliene. Raportul dintre energia cinetică a vântului E_вtransformată de turbina eoliană în energie mecanică față de energia cinetică a fluxului eolian neperturbat E se numește factor de putere sau factor de utilizare a energiei eoliene,

Luând în considerare factorul de putere, puterea unei turbine eoliene este următoarea

Pentru fiecare turbină eoliană se pot distinge următoarele trei valori caracteristice ale vitezei de funcționare a vântului:

1. w min _р la care 0≤w≤w min _р iar puterea turbinei eoliene este egală cu zero;
2. w N _рla care w min _р≤w≤w N _р iar puterea HPP variază în funcție de viteza vântului și de viteza rotorului;
3. w max _р , при которой w>w max _р iar puterea HPP este egală cu zero din cauza frânării forțate a rotorului.

Pentru calcule aproximative în intervalul de viteze ale vântului de la w min _р până la w N _р puterea utilă a turbinei eoliene pentru o anumită viteză a vântului w la înălțimea turnului H_б(m) și diametrul rotorului HEI D(m) se calculează prin formula

(3.6)

unde S = πD 2 /4; η_р — randamentul rotorului (aproximativ 0,9); η_г — randamentul generatorului electric (aproximativ 0,95); ξ — factorul de putere, luat de obicei egal cu 0,45 în calculele practice; ρ = 1,226 kg/m 3

După substituirea tuturor acestor valori în (3.6), obținem pentru calcule aproximative

Pentru turbinele eoliene mici, w min _р este de obicei cuprins între 2,5 și 4 m/s, iar w N _р — între 8 și 10 m/s. Pentru turbinele eoliene mari, aceste valori sunt de 4-5 și 12-15 m/s.

În majoritatea modelelor de turbine eoliene, principiul forței de ridicare a aripilor este utilizat pentru a converti energia cinetică a vântului în energie mecanică.

În general, se consideră că turbinele eoliene mari ar trebui instalate într-un loc în care viteza medie anuală a vântului este de cel puțin 5 metri pe secundă. Pentru a estima cantitatea de energie electrică care va fi produsă de o anumită turbină eoliană într-un an, este, de asemenea, necesar să se cunoască probabilitatea vitezelor vântului calculate ca medie pe mai mulți ani. Pe această bază, se calculează factorul de utilizare a capacității instalate, adică numărul de ore pe an în care turbina eoliană funcționează la capacitatea sa nominală. Această valoare este determinată ca un coeficient al energiei electrice produse pe an împărțit la capacitatea nominală a turbinei eoliene. Pentru locurile favorabile cu vânt mai mult sau mai puțin constant (defilee, lanțuri muntoase, platou), acest indicator poate ajunge la 3 000 de ore/an (factor de utilizare a capacității instalate de aproximativ 0,3).

Există două tipuri principale de turbine eoliene: cu ax orizontal și cu ax vertical. În prezent, în marea majoritate a cazurilor, se utilizează turbine eoliene cu arbore orizontal (HTS) instalate paralel cu vectorul vitezei vântului. Receptorul de energie eoliană este o roată eoliană formată dintr-un anumit număr de palete (fig. 3.4).

Turbinele eoliene de mare capacitate sunt de obicei cu 3 sau 2 pale. Turbinele eoliene mici sunt uneori proiectate ca turbine cu mai multe pale. Palele au un profil aerodinamic și, atunci când interacționează cu vântul, creează o forță de ridicare situată în planul roții, direcționată tangențial și creând un cuplu util.

În marea majoritate a cazurilor, energia de la roata eoliană este transferată către un generator electric. Se utilizează diferite tipuri de generatoare electrice pentru diferite turbine eoliene: de la generatoare de curent continuu cu magnet permanent (pentru turbinele eoliene mici), la generatoare de curent alternativ sincrone sau asincrone. În funcție de generatorul utilizat, arborele roții eoliene este conectat la generator fie direct, fie prin intermediul unui multiplicator. Dacă generatorul sincron al turbinei eoliene este conectat la rețeaua de curent alternativ, rotorul acestuia se rotește la viteza sincronă, iar multiplicatorul asigură raportul de transmisie necesar. În această variantă, fluctuațiile bruște ale vitezei vântului sunt transmise transmisiei, provocând tensiuni mecanice. Aceste tensiuni sunt oarecum amortizate prin utilizarea unui generator asincron care permite o anumită abatere de la viteza sincronă (alunecare). Deoarece fiecărei viteze a vântului îi corespunde o viteză optimă a roților eoliene, într-un anumit număr de sisteme generatorul se rotește, de asemenea, la viteză variabilă. În aceste cazuri, generarea unui curent de calitate corespunzătoare și sincronizarea cu rețeaua sunt asigurate electronic. Generatorul poate fi fie un generator de curent continuu, fie un generator de curent alternativ cu frecvență variabilă.

Una dintre problemele majore ale turbinelor eoliene mari este protecția împotriva vitezelor vântului care depășesc viteza proiectată. În acest scop sunt utilizate limitatoare aerodinamice și frâne mecanice. Cea mai simplă frână aerodinamică se bazează pe faptul că, pe măsură ce viteza palei crește, unghiul de atac al palei crește și, atunci când depășește 11-12 grade, se produce o întrerupere a fluxului și o scădere bruscă a portanței. Un control aerodinamic mai fin se realizează prin modificarea unghiului de atac prin rotirea palei în jurul axei sale.

Odată cu TGV-urile, sunt dezvoltate și uneori utilizate turbine eoliene cu arbore vertical (VST). Aceste turbine eoliene au un număr de pale verticale amplasate în jurul perimetrului unui cerc cu un anumit diametru și conectate mecanic la un arbore vertical care se rotește în centrul cercului. Arborele vertical este conectat fie direct, fie prin intermediul unui multiplicator, la un generator electric montat la nivelul solului. Avantajul TVV este absența unui dispozitiv rotativ care să urmărească direcția vântului și absența unui turn înalt. Dezavantajele sunt randamentul mai scăzut și necesitatea de a porni inițial rotorul de la o sursă externă.

Deși există proiecte și au fost create TVB-uri destul de mari, în prezent domeniul lor de aplicare predominant este reprezentat de instalațiile autonome de capacitate relativ mică. Fig. 3.5 prezintă o turbină eoliană produsă de compania italiană ROPATEC AG. Întreprinderea produce turbine eoliene cu puteri de la 750 W la 6 kW. Caracteristica sa distinctivă este că pornește automat indiferent de direcția vântului la o viteză de 2-3 m/s. În acest scop, rotorul este o combinație de rotoare Savonius (similar cu rotorul unui anemometru cu cupă) și Darier. Spre deosebire de TGV, această instalație nu are o limitare superioară a vitezei vântului. La viteze de peste 14 m/s, turbina eoliană nu este oprită și viteza necesară este menținută din punct de vedere aerodinamic.

Turbina eoliană de 750 W are un diametru al rotorului de 1,5 m și cântărește 140 kg. Dezvoltarea ROPATEC este caracterizată de faptul că este practic silențioasă și are un generator special conectat direct la rotor, fără multiplicator.

Turbinele eoliene pot fi utilizate nu numai pentru producerea de energie, ci și pentru acționarea directă a diferitelor unități. Există o serie de producții în care doar volumul săptămânal sau lunar al producției este important, iar ritmul de producție în aceste perioade de timp nu este atât de important. În primul rând, acestea sunt acele producții în care termenul de valabilitate al produsului depinde foarte puțin de durata depozitării sale. Acestea includ producția de materii prime și produse semifabricate pentru fabricarea materialelor de construcție: concasarea pietrei concasate, a calcarului, a argilei pentru producția de cărămizi, concasarea sau măcinarea gipsului și a alabastrului, măcinarea marnei și a clincherului pentru producția de ciment.

Zdrobirea și, mai ales, măcinarea oricărui produs consumă foarte multă energie. Prin urmare, este de interes practic să se studieze posibilitatea de a utiliza motoare eoliene pentru a acționa echipamente de măcinare, ceea ce reprezintă o dezvoltare a unei abordări bine cunoscute care a fost utilizată anterior în multe țări, inclusiv în Rusia. Înainte de utilizarea pe scară largă a electricității în producția agricolă, micile mori de vânt cu o capacitate de 2 până la 10 kW erau destul de comune. De exemplu, înainte de 1917, în Rusia existau aproximativ 250 de mii de mori de vânt țărănești, care măcinau mai mult de 32 de milioane de tone de cereale anual. Aceste volume de măcinare a cerealelor sunt destul de comparabile cu volumele de producție ale industriei moderne de măcinare a făinii din Rusia.

Utilizarea energiei eoliene în scopurile propuse prezintă interes practic atunci când capacitatea turbinei eoliene nu este mai mică de 100-200 kW, iar numărul anual de ore cu o viteză a vântului de 6-8 m/s într-o anumită zonă nu este mai mic de 2000-3000. Pentru turbinele eoliene de acest tip, este posibilă în prezent utilizarea rotoarelor principale scoase din uz ale elicopterelor medii și grele. În conformitate cu normele în vigoare în aviație, după un anumit număr de ore în aer, elicea unui elicopter este scoasă din aeronavă, chiar dacă este în stare bună.

Elicea elicopterului MI-8 are un diametru de 22 m și la o viteză a vântului de 8 m/s la o turbină eoliană poate dezvolta o putere de 150 kW, iar elicea elicopterului MI-6 cu un diametru de 35 m este aplicabilă pentru o turbină eoliană cu o putere de 300 kW.

În Rusia există un potențial semnificativ nerealizat în domeniul energiei eoliene. Studiile fundamentale privind aerodinamica turbinelor eoliene efectuate la TsAGI au pus bazele turbinelor eoliene moderne cu un factor ridicat de utilizare a energiei eoliene. Cu toate acestea, orientarea rigidă către energia mare (cărbune, nucleară și hidroenergie) și neglijarea aproape completă a inovațiilor și a problemelor de mediu au încetinit dezvoltarea energiei eoliene pentru o lungă perioadă de timp. Turbinele eoliene produse de „Vetroen” nu îndeplineau cerințele moderne și ideile de înaltă tehnologie ale industriei energiei eoliene. Impulsul pentru promovarea în continuare și crearea de echipamente moderne pentru energia eoliană a fost programul științific și tehnic federal „Energie ecologică curată”.

Prototipul unității color de clasă megawatt a fost proiectat și construit de Raduga ICB, care a organizat o cooperare a întreprinderilor din industria aeronautică. Proiectarea, fabricarea și construcția au fost finanțate de Guvernul din Kalmykia. Turbina eoliană a fost construită lângă Elista și a produs 2300-2900 mii kWh de energie electrică pe an. Turbina eoliană este conectată la rețea. MKB Raduga a proiectat turbine eoliene cu o capacitate de 8 kW și 250 kW.

Asociația rusă pentru dezvoltarea energiei eoliene „Energobalance Sovena” împreună cu compania germană „Husumer Schiffs Wert” (HSW) au fabricat 10 turbine eoliene conectate la rețea cu o capacitate unitară de 30 kW. Un parc eolian cu o capacitate instalată de 300 kW a fost construit în 1996 în regiunea Rostov și pus în funcțiune.

Capacitatea totală a centralelor eoliene din Rusia este de numai 16,5 MW. Stația Kulikovo (5,1 MW) din regiunea Kaliningrad, parcul eolian Zapolyarny (2,5 MW), stația Tyupkildi din Bashkiria (2,2 MW), WPP Rostov (0,3 MW), WPP Anadyr (2,5 MW) din Chukotka, WPP Bering Island (1,2 MW) și WPP Murmansk (0,2 MW) funcționează cu succes. Majoritatea acestor centrale sunt de natură experimentală.

În Rusia, zonele promițătoare — zonele de activitate eoliană — includ insulele din Oceanul Arctic de la Peninsula Kola la Kamchatka, zonele Volga Inferioară și Mijlocie și Marea Caspică, coastele Mării Okhotsk, Mările Barents, Baltică, Neagră și Azov. Există, de asemenea, astfel de zone în Karelia, Altai, Tuva și Baikal. Aceste zone nu sunt incluse în numărul de zone care aparțin alimentării centrale cu energie, prin urmare, este oportun să se utilizeze centrale eoliene în aceste zone pentru a le furniza energie electrică.

În prezent, sunt posibile următoarele scenarii de dezvoltare a energiei eoliene în Rusia: achiziționarea și instalarea de turbine eoliene străine; transferul de tehnologii occidentale și organizarea producției în Rusia; cooperarea cu companii străine și producția de turbine eoliene în Rusia; organizarea producției de turbine eoliene proprii, al căror know-how este protejat de legislația internațională.

Ultimul scenariu este preferabil pentru Rusia, dar este constrâns de legislația fiscală existentă, de monopolul producătorilor de energie electrică, de lipsa investițiilor și de prăbușirea producției.

Evaluând perspectivele energiei eoliene pentru Rusia, putem concluziona că, în viitorul apropiat, vor fi introduse în principal turbine eoliene autonome de capacitate medie și mică, în special în regiunile îndepărtate, pentru consumatorii care nu sunt conectați la sistemele centralizate de alimentare cu energie electrică.

Funcționarea roții de vânt a unui motor eolian cu elice

Roțile eoliene înaripate funcționează datorită impactului oblic atunci când palele se deplasează perpendicular pe direcția vitezei vântului, spre deosebire de impactul direct discutat în cazul anterior. Proiectarea unei astfel de roți este prezentată în Fig. 6.4.1.

Pe arborele orizontal sunt fixate aripile, al căror număr la morile de vânt moderne este de la 2 și mai mult. Aripa unei roți eoliene constă dintr-un volant a și o paletă b fixată pe volant astfel încât să formeze un anumit unghi ϕ cu planul de rotație. Acest unghi se numește unghi de blocaj al palei (fig. 6.4.1). În același timp, un flux de aer cu viteza relativă W trece peste elementele sale la un unghi α , care se numește unghi de atac, și acționează cu o forță R. Unghiurile ϕ și α determină în mare măsură eficiența aripilor. Forța R este descompusă în forțele P_x și P_y. Forțele P_xproduc presiune în direcția vântului, care se numește presiune frontală. Forțele P_yacționează în planul y — y al rotației roții de vânt și produc un cuplu.

Forțele maxime care antrenează roata în rotație se obțin la o anumită valoare a unghiului de atac α, adică unghiul de înclinare a fluxului relativ la suprafața palei. Deoarece viteza circumferențială a aripii nu este aceeași pe toată lungimea aripii, ci crește odată cu distanța elementelor sale față de axa de rotație a roții de vânt, crește și viteza relativă W a fluxului pe pală. Odată cu aceasta, unghiul de atac α , scade, iar la o anumită viteză circumferențială ωR , unde ω este viteza unghiulară, acest unghi va deveni negativ (fig. 6.4.2, b). În consecință, nu toate elementele aripii vor avea forța de portanță maximă.

Dacă micșorăm unghiul ϕ al fiecărui element de lamă pe măsură ce acesta se îndepărtează de axa de rotație, astfel încât unghiul de atac α cel mai favorabil să fie aproximativ menținut constant, obținem o condiție în care aproximativ toate elementele de lamă vor funcționa la forța lor maximă de portanță. O paletă cu un unghi de atac variabil co obține forma unei suprafețe elicoidale.

Unghiurile de înclinare corecte ale palei cu o bună calitate aerodinamică a profilului, precum și o lățime corespunzătoare unei viteze date asigură un factor ridicat de utilizare a energiei eoliene. În cazul modelelor bine concepute, acesta ajunge la 46%.

Forța de lucru a unei suprafețe atunci când o forță a vântului acționează asupra ei

Viteza vântului este distanța în metri parcursă de o masă de aer pe parcursul unei secunde. Viteza vântului se modifică constant în mărime și direcție. Aceste schimbări sunt cauzate de încălzirea neuniformă a suprafeței pământului și de neregularitățile terenului.

Viteza vântului este cea mai importantă caracteristică a proprietăților tehnice ale vântului. Un flux de vânt cu secțiunea transversală F are energia cinetică definită prin expresia:

Masa de aer care curge prin secțiunea transversală F cu viteza V , este egală cu:

Înlocuind (6.3.2) în expresia energiei cinetice (6.3.1), se obține:

De unde rezultă că energia vântului variază proporțional cu cubul vitezei sale.

Să vedem câte procente din energia vântului pot fi transformate în lucru util de către o suprafață plasată perpendicular pe direcția vântului și care se deplasează în aceeași direcție, ceea ce se întâmplă, de exemplu, în cazul morilor de vânt de tip carusel.

Puterea T este determinată de produsul dintre forța P și viteza V :

Același lucru poate fi obținut fie printr-o forță mare la o viteză mică de deplasare a suprafeței de lucru, fie, dimpotrivă, printr-o forță mică și, prin urmare, o suprafață mică, dar la o viteză de deplasare crescută corespunzător.

Să presupunem că avem o suprafață F plasată perpendicular pe direcția vântului. Fluxul de aer, datorită frânării sale de către suprafață, va obține o contrapresiune și va curge în jurul acesteia, producând presiune prin forța Px. Datorită acțiunii acestei forțe, suprafața se va deplasa în direcția curentului cu o anumită viteză U (fig. 6.3.3); lucrul va fi egal cu produsul dintre forță și viteza U , cu care se deplasează suprafața F, adică

unde P_x — este forța de rezistență, care este egală cu :

unde C_x — este coeficientul aerodinamic de rezistență; F este suprafața părții medii a corpului, adică proiecția ariei corpului pe un plan perpendicular pe direcția fluxului de aer.

În acest caz, vântul ajunge la suprafață cu o viteză relativă egală cu:

Înlocuind valoarea lui P_x din ecuația (6.3.6) în ecuația (6.3.5), obținem:

Să determinăm raportul dintre lucrul dezvoltat de suprafața în mișcare și exprimat prin ecuația (6.3.8) și energia curentului de vânt având o secțiune egală cu această suprafață, și anume::

După transformări, obținem:

Valoarea ξ se numește factor de utilizare a energiei vântului.

Din ecuația (6.3.10) vedem că ξ depinde de viteza de suprafață în direcția vântului. La o anumită valoare a vitezei U, coeficientul ξ obține valoarea maximă. Într-adevăr, dacă viteza de deplasare a suprafeței este zero U = 0, atunci lucrul vântului este de asemenea zero. Dacă U = V, adică suprafața se deplasează cu viteza vântului, lucrul va fi, de asemenea, zero, deoarece nu există forță de rezistență din cauza căreia se realizează lucrul. Rezultă că valoarea vitezei U se situează între U = 0 și U = V.

Se constată că, pentru a maximiza ξ , suprafața trebuie să se deplaseze cu viteza:

Factorul maxim de utilizare a energiei eoliene atunci când suprafața este acționată de forța de rezistență nu poate fi mai mare de ξ = 0,192 .

Clasificarea motoarelor eoliene în funcție de principiul de funcționare

Sistemele de motoare eoliene existente sunt împărțite în trei clase în funcție de schema de dispunere a roților eoliene și de poziția acestora în fluxul de vânt.

Prima clasă include turbinele eoliene în care roata eoliană este amplasată într-un plan vertical; în acest caz, planul de rotație este perpendicular pe direcția vântului și, în consecință, axa roții eoliene este paralelă cu fluxul. Astfel de turbine eoliene sunt numite motoare cu aripi.

Viteza rapidă este raportul dintre viteza circumferențială a capătului lamei și viteza vântului: Conform GOST 2656-44, în funcție de tipul de roată de vânt și de viteza rapidă, motoarele eoliene cu aripi sunt împărțite în trei grupe.

• mori de vânt cu mai multe lamele, cu mișcare lentă, cu viteză mare Z_n ≤ 2 .
• mori de vânt cu lamele mici, cu viteză mică, inclusiv mori de vânt, cu viteză mare Z_n > 2.
• mori de vânt cu palete mici, cu viteză mică, cu viteză mare, cu viteză Z_n ≥ 3.

A doua clasă include sisteme de motoare eoliene cu o axă verticală de rotație a roții eoliene. În funcție de schema structurală, acestea sunt împărțite în grupuri:

• turbine eoliene de tip carusel, în care paletele care nu funcționează sunt fie acoperite de un ecran, fie amplasate cu o nervură împotriva vântului;
• mori de vânt rotative din sistemul Savonius.

A treia clasă include morile de vânt, care funcționează pe principiul roții unei mori de apă și sunt numite mori de vânt cu tambur. În aceste mori de vânt axa de rotație este orizontală și perpendiculară pe direcția vântului.

Principalele dezavantaje ale morilor de vânt cu carusel și cu tambur rezultă din însuși principiul amplasării suprafețelor de lucru ale roții de vânt în fluxul de vânt, și anume:

1. Deoarece lamele de lucru ale roții se deplasează în direcția fluxului de aer, sarcina vântului nu acționează simultan asupra tuturor lamelelor, ci alternativ. În consecință, fiecare paletă se confruntă cu o sarcină intermitentă, iar factorul de utilizare a energiei eoliene este foarte scăzut și nu depășește 10%, fapt stabilit prin studii experimentale.
2. Mișcarea suprafețelor roților eoliene în direcția vântului nu permite viteze mari, deoarece suprafețele nu se pot deplasa mai repede decât vântul.
3. Dimensiunea părții utilizate a fluxului de aer (suprafața măturată) este mică în comparație cu dimensiunea roții în sine, ceea ce crește semnificativ greutatea acesteia pe unitate de putere instalată a motorului eolian.

Turbinele eoliene cu rotor Savonius au cel mai mare factor de utilizare a energiei eoliene, de 18%.

Turbinele eoliene cu aripi sunt lipsite de dezavantajele menționate mai sus ale turbinelor eoliene cu carusel și tambur. Calitățile aerodinamice bune ale motoarelor eoliene cu aripi, posibilitatea constructivă de a le fabrica pentru puteri ridicate, greutatea relativ redusă pe unitate de putere sunt principalele avantaje ale motoarelor eoliene din această clasă.

Avantajele energiei eoliene sunt, în primul rând, disponibilitatea sa, utilizarea sa pe scară largă și resursele sale practic inepuizabile. Sursa de energie nu trebuie să fie extrasă și transportată la locul de consum: vântul însuși ajunge la motorul eolian instalat în calea sa. Această caracteristică a vântului este extrem de importantă pentru zonele greu accesibile (arctice, stepice, deșertice, muntoase etc.), îndepărtate de sursele centralizate de aprovizionare cu energie, precum și pentru consumatorii de energie relativ mici (până la 100 kW), răspândiți pe suprafețe vaste.

Principalul obstacol în calea utilizării vântului ca sursă de energie este variabilitatea în timp a vitezei sale și, în consecință, a energiei sale. Există un risc de perturbare a sistemului energetic general în cazul în care există o pondere semnificativă de energie electrică provenită din centrale eoliene. Instabilitatea vântului obligă la instalarea unor surse de energie de rezervă, care ar putea compensa partea lipsă de energie electrică la momentul potrivit. Centralele electrice cu turbine cu gaz sau bateriile sunt exemple de astfel de rezerve. Toate acestea conduc la o creștere a costului energiei eoliene.

Originea vântului, zonele eoliene din Rusia

Cauza principală a vântului este încălzirea neuniformă a suprafeței pământului de către soare.

Suprafața Pământului este eterogenă: pământul, oceanele, munții, pădurile determină încălzirea diferită a suprafeței sub aceeași latitudine. Rotația Pământului provoacă, de asemenea, deviații ale curenților de aer. Toate aceste cauze complică circulația generală a atmosferei. Apar o serie de circulații separate, mai mult sau mai puțin legate între ele.

La ecuator, în apropierea suprafeței Pământului, se află o zonă de calm cu vânturi slabe și variabile. La nord și la sud de zona de calm se află zonele de alizee, care sunt înclinate spre vest din cauza rotației Pământului de la vest la est. Astfel, în emisfera nordică, vânturile constante vin dinspre nord-est, iar în emisfera sudică dinspre sud-est, așa cum se arată în diagrama din Fig. 6.1.1 Alizeele se întind până la aproximativ 30° latitudine nordică și sudică și se caracterizează prin uniformitatea curenților de aer în ceea ce privește direcția și viteza. Viteza medie a alizeelor sud-estice din emisfera nordică în apropierea suprafeței pământului atinge 6-8 m/sec. Aceste vânturi din apropierea continentelor mari sunt perturbate de variațiile anuale puternice de temperatură și presiune de deasupra continentelor. Înălțimea stratului de alizee se întinde de la 1 la 4 kilometri. Deasupra alizeelor se află un strat de vânturi variabile, iar deasupra acestui strat se află o zonă de antipasaje care suflă în direcția opusă alizeelor. Înălțimea stratului de antipasat variază între 4 și 8 km, în funcție de anotimp și locație.

La latitudinile subtropicale, zonele de alizee alternează cu zonele calme din centurile de înaltă presiune. La nord și la sud de aceste zone, vânturile suflă între romburile de vest și sud-vest în emisfera nordică și între romburile de vest și nord-vest în emisfera sudică până la aproximativ 70° la toate altitudinile. În plus, la aceste latitudini, în atmosferă apar și dispar continuu mișcări turbionare, care complică schema simplă a circulației generale atmosferice prezentată în fig. 6.1.1.

Vânturi locale

Condițiile locale speciale ale reliefului suprafeței terestre (mări, munți etc.) provoacă vânturi locale.

Briza

Din cauza schimbărilor de temperatură din timpul zilei și al nopții, apar vânturi marine de pe uscat, numite brize.

În timpul zilei, când vremea este însorită, pământul este mai cald decât suprafața mării, astfel încât aerul încălzit devine mai puțin dens și se ridică în sus. În același timp, aerul mai rece al mării pătrunde pe uscat, formând un vânt de coastă offshore. Aerul care se ridică deasupra uscatului curge în stratul superior spre mare și apoi coboară în jos la o anumită distanță de coastă.

Astfel, circulația aerului are loc în direcția descendentă — spre țărmul mării, ascendentă — de pe uscat spre mare. Noaptea, aerul de deasupra uscatului este mai rece decât cel de deasupra mării, astfel încât direcția de circulație se schimbă: aerul curge în jos spre mare și în sus de la mare spre uscat. Zona de răspândire a brizei este de aproximativ 40 de kilometri spre mare și 40 de kilometri spre uscat. Înălțimea brizei în latitudinile noastre ajunge de la 200 la 300 de metri. În țările tropicale, brizele sunt observate aproape pe tot parcursul anului, iar în zona temperată doar vara, când vremea este caldă. În țara noastră, brizele pot fi observate vara în apropierea coastelor Mărilor Neagră și Caspică.

Musonii

Schimbările anuale de temperatură în regiunile de coastă ale marilor mări și oceane produc, de asemenea, o circulație similară cu cea a brizei, dar cu o perioadă anuală. Această circulație, care este mai mare decât cea a brizei, se numește muson. Musonii apar din următoarele motive. În timpul verii, continentul este mai încălzit decât mările și oceanele înconjurătoare; din acest motiv, deasupra continentului se formează o presiune mai scăzută, iar aerul de dedesubt se îndreaptă spre continent dinspre oceane, în timp ce cel de deasupra, dimpotrivă, se îndreaptă de pe continente spre oceanele înconjurătoare. Aceste vânturi sunt numite musoni marini. Iarna, continentele sunt mult mai reci decât suprafața mării; deasupra lor se formează o regiune de presiune crescută; ca urmare, straturile inferioare de aer se îndreaptă de pe continent spre oceane, iar în straturile superioare — dimpotrivă, de la oceane spre continente. Aceste vânturi sunt numite musoni continentali.

Musonii puternici pot fi observați pe coasta sudică a Asiei — în Oceanul Indian și în Marea Arabiei, unde au o direcție sud-vestică vara și nord-estică iarna. Musonii sunt observați și în largul coastelor estice ale Asiei. Iarna, suflă vânturile aspre din nord-vestul continentului; vara, suflă vânturile umede din sud-estul și sudul mării. Aceste vânturi influențează semnificativ clima din Teritoriul Extremului Orient.

Diferitele zone ale țării au regimuri de vânt care sunt foarte diferite unele de altele. Valoarea vitezei medii anuale a vântului într-o anumită zonă face posibilă aproximarea fezabilității utilizării unui motor eolian și a eficienței unității. Harta resurselor de energie eoliană din Rusia este prezentată în Fig. 6.1.2.

Zonele de coastă din partea de nord a țării, coasta caspică și partea de nord a insulei Sakhalin sunt caracterizate, după cum se poate vedea pe hartă, de o intensitate ridicată a regimului vântului. Aici, viteza medie anuală a vântului depășește 6 metri pe secundă. În aceste zone se observă adesea vânturi de uragan (peste 30 m/sec), care sunt însoțite de furtuni de zăpadă și viscole. Prin urmare, în această zonă pot fi utilizate numai unități cu motoare eoliene de mare viteză (cu două sau trei pale) a căror rezistență este proiectată pentru sarcini de vânt la viteze ale vântului de 40 m/sec. În Arctica și pe coastă, cea mai eficientă utilizare a centralelor eoliene care funcționează împreună cu rezerva termică, precum și a unităților mici de energie eoliană.

Majoritatea zonelor din partea europeană a Rusiei aparțin zonei de intensitate medie a vântului. În aceste zone, viteza medie anuală a vântului variază de la 3,5 la 6 metri pe secundă. Aceeași zonă include o parte din teritoriul situat la sud-est de lacul Baikal.

A treia zonă cuprinde teritoriul vast al Siberiei de Est și al Extremului Orient, precum și unele zone din partea europeană a Rusiei. În această zonă, viteza vântului este relativ scăzută — până la 3,5 m/s, iar utilizarea pe scară largă a centralelor eoliene nu este recomandată.