Энергия ветра: использование

Энергию ветра, человек начал использовать в далеком прошлом. Это были ветряные мельницы, построенные в Персии в 200-х годах до н. э. и предназначенные для размола зерна.

Ветряные мельницы

Первая ветро-электростанция была построена еще в 1931 году в Ялте и развивала мощность до 100 кВт.

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в 19-м веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908 году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м и четырёхлопастные роторы диаметром 23 м.

Предшественница современных ветроэлектростанций с горизонтальной осью имела мощность 100 кВт и была построена в 1931 году в Ялте. Она имела башню высотой 30 м. К 1941-му году единичная мощность ветроэлектростанций достигла 1,25 МВт.

В период с 1940-х по 1970-е годы ветроэнергетика переживает период упадка в связи с интенсивным развитием передающих и распределительных сетей, дававших независимое от погоды энергоснабжение за умеренные деньги. Возрождение интереса к ветроэнергетике началось в 1980-х, когда в Калифорнии начали предоставляться налоговые льготы для производителей электроэнергии из ветра.

В настоящее время ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,66 ГВт.

Принцип работы ветро-электростанции.

Принцип работы ветро-электростанции.

Ресурсов ветра достаточно, чтобы многократно удовлетворять потребности человечества в энергии.

Атмосферные турбины, вращающиеся под воздействием постоянных и быстрых потоков ветра, дующих на больших высотах, могут вырабатывать больше энергии, чем наземные и шельфовые турбины. В новом исследовании Кена Калдейры (Ken Caldeira) из Университета Карнеги приводится оценка максимального количества энергии, которое может быть выработано ветрогенераторами, а также рассматривается воздействие высотного сбора энергии на климат Земли.

Команда ученых из Ливерморской национальной лаборатории во главе с Кейт Марвел (Kate Marvel), начинавшей эти исследования в Университете Карнеги, использовала моделирование для количественного определения электроэнергии, вырабатываемой как с помощью приповерхностных, так и атмосферных ветров, дующих на больших высотах. К приповерхностным ветрам ученые отнесли те потоки воздуха, которые доступны для турбин, находящихся на земле или на морском шельфе. Высотными считаются такие ветры, доступ к которым может быть получен с помощью технологии объединения турбин и воздушных змеев. В исследовании рассматривались лишь геофизические ограничения таких технологий, технические или экономические факторы в расчет не принимались.

Схема ветрогенератора

Схема ветрогенератора.

Турбины препятствуют перемещению воздуха, создавая сопротивление, снижающее движущую силу ветра, что приводит к его замедлению. При увеличении количества ветрогенераторов количество вырабатываемой электроэнергии также увеличивается. Но в какой-то момент ветры станут замедлены на столько, что добавление новых генераторов не приведет к росту выработки энергии. Исследование было сосредоточено на поиске точки, в которой количество вырабатываемой энергии максимально.

Используя модели, исследователи смогли определить, что с помощью наземных турбин можно получить более 400 ТВт энергии, а за счет высотных потоков воздуха – более 1800 ТВт.

Сегодня человечество потребляет около 18 ТВт энергии. Ветры, дующие у поверхности Земли, могут двадцатикратно удовлетворить наши потребности в энергии, а атмосферные потоки – стократно.

При максимальных уровнях извлечения энергии ветра последствия для климата могли бы быть весьма пагубными. Однако, как показали исследования, при сегодняшнем уровне потребности в энергии влияние ветрогенераторов будет незначительным, тем более, при равномерном распределении турбин по поверхности Земли, а не сосредоточении их в нескольких отдельных регионах. При этом температура может измениться всего на 0,1°С, а влияние на осадки будет в пределах 1%. В целом воздействие на окружающую среду не будет существенным.

Схема устройства простого ветрогенератора.

Схема устройства простого ветрогенератора.

Но, по мнению Калдейры, рост ветроэнергетики во всем мире будут, скорее всего, определять не геофизические ограничения, а технологические и политические факторы.

Разработанные NASA воздушные ветроэнергетические системы эффективнее традиционных турбин.

Ветряные турбогенераторы, устанавливаемые на земле, на сегодня представляют собой «золотой стандарт» ветроэнергетики. Но инженеры NASA работают над уникальной альтернативой – воздушными ветроэнергетическими системами. NASA делает упор на 2 основных элемента новой технологии – набор вырабатывающих электричество турбин, установленных на воздушном змее, и наземный генератор, соединенный с воздушным змеем и получающий энергию за счет его вращательных движений, когда тот ловит ветер.

Как сообщается, КПД такой воздушной системы достигает 90% благодаря вращательной фазе змея, которая использует на 10% меньше энергии. Другой ключевой особенностью новой системы является то, что лопасти турбины вращаются быстрее и удалены на большее расстояние от своего центра, что позволяет вырабатывать электроэнергию в большем количестве. В составе системы также имеется программное обеспечение распознавания движений наподобие Kinect компании Microsoft, которое может определять положение воздушного змея в пространстве, а также направление его движения и скорость.

Кроме того, имеется система управления полетом, позволяющая воздушному змею описывать «восьмерку». Прототип змея, над усовершенствованием которого работает NASA, имеет размах крыльев 10 футов (примерно 3 м). Также в NASA запросили разрешение на испытание системы на высоте 2000 футов (примерно 610 м), которая, как предполагается, является идеальной для работы воздушных ветроэнергетических систем. В NASA планируют использовать такую систему в будущем, и не только на Земле, но и на Марсе и других планетах.

Ветроэнергетика в России

В середине 1920-х годов ЦАГИ разрабатывал ветро-электрические станции и ветряки для сельского хозяйства. Конструкция «крестьянского ветряка» могла быть изготовлена на месте из доступных материалов. Его мощность варьировалась от 3 л.с., 8 л.с. до 45 л.с. Такая установка могла освещать 150—200 дворов или приводить в действие мельницу. Для постоянства работы был предусмотрен гидравлический аккумулятор.

Принцип работы ветряной турбины

Принцип работы ветряной турбины.

Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд кВт·ч/год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт·ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.

Энергетические ветровые зоны в России расположены в основном на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.

Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период — период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30% экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % — в Северном экономическом районе, около 16% — в Западной и Восточной Сибири.

Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17-18 МВт.

Wind power, people started using in the past. These were the windmills built in Persia in 200-s BC. e. and intended for grinding grain.

Windmills

The first wind power plant was built in 1931 in Yalta and developed up to 100 kW.

Windmills producing electricity, was invented in the 19th century in Denmark. There's first wind power plant was built in 1890, and by 1908 there were already 72 stations with capacity from 5 to 25 kW. The largest of them had a height of 24 m tower and a four-blade rotor diameter of 23 m.

The predecessor of the modern wind power plants with a horizontal axis was 100 kW and was built in 1931 in Yalta. It had a tower height of 30 m. By 1941, the ninth year unit capacity of wind power reached 1.25 mW.

In the period from the 1940s to the 1970s, wind energy is experiencing a period of decline due to the intensive development of the transmission and distribution networks, provide an independent power supply from the weather for reasonable money. The revival of interest in wind energy began in 1980, when California began to provide tax incentives for producers of electricity from wind.

Currently, wind power is a booming industry, so at the end of 2010, the total installed capacity of all wind turbines amounted to 196.66 GW.

The principle of wind-power plants.

The principle of wind-power plants.

Wind resources sufficient to meet the multiple needs of mankind in energy.

Atmospheric turbines, rotating under the influence of constant and rapid wind streams blowing at high altitudes can produce more power than land-based and offshore turbines. In the new study, Ken Caldeira (Ken Caldeira) of Carnegie University assesses the maximum amount of energy that can be produced wind turbines, as well as looks at the impact of high-altitude energy harvesting the Earth's climate.

A team of scientists from Lawrence Livermore National Laboratory, led by Kate Marvel (Kate Marvel), begins this research at Carnegie, used modeling to quantify the electricity generated as a by means of surface and atmospheric winds blowing at high altitudes. By the near-surface winds, scientists have carried those air streams that are available for turbines located on land or offshore. High-altitude winds are considered to which access can be obtained by combining the technologies of turbines and kites. The study considered only geophysical limitations of these technologies, technical or economic factors are not taken into account.

Driving wind turbine

wind turbine scheme.

Prevent movement of the air turbine, creating resistance, reducing the driving force of wind that causes it to slow down. By increasing the amount of wind power generation amount also increases. But at some point, the winds will be slowed so much that the addition of new generators will not lead to an increase in energy production. The study was focused on finding a point at which a maximum amount of energy generated.

Using the model, the researchers were able to determine that the ground-based turbines can receive more than 400 TWh of energy, but at the expense of high-altitude air currents - more than 1,800 TWh.

Today, humanity uses about 18 TW of energy. Winds blowing from the surface of the Earth twenty times can meet our energy needs, and atmospheric currents - a hundredfold.

At maximum levels of wind energy extraction impact on the climate could be very harmful. However, studies have shown that at the present level of energy demand impact of wind turbines will be small, especially for a uniform distribution of turbines on the Earth's surface, rather than concentrating them in a few selected regions. The temperature can vary by only 0,1 ? C, while the effect on the precipitation will be within 1%. In general, the environmental impact is not significant.

Driving device simple wind turbine.

Driving device simple wind turbine.

But, according to Caldeira, wind power growth around the world will likely not detect geophysical limitations, and technological and political factors.

NASA developed air wind power systems efficient than traditional turbines.

Wind turbine generators are installed on the ground today represent the "gold standard" of wind energy. But NASA engineers are working on a unique alternative - air wind power systems. NASA is focusing on two key elements of the new technology - a set of electricity-producing turbines mounted on a kite, and ground the generator connected to the kite and receives energy from its rotational movements when he catches the wind.

As reported, the efficiency of this air system reaches 90% due to the rotational phase of the snake, which uses 10% less energy. Another key feature of the new system is that the turbine blades rotate faster and removed a greater distance from its center, which allows to produce more electricity. As part of the system also has a software motion recognition software like Kinect to Microsoft, which can determine the position of the kite in the space, as well as its direction of movement and speed.

In addition, there is a flight control system that allows the kite to describe the "eight". A prototype of the snake, which is working on the improvement of NASA's, has a wingspan of 10 feet (about 3 meters). NASA also requested permission to test the system at an altitude of 2,000 feet (about 610 m), which is supposed to be ideal for wind power aircraft systems. As NASA plans to use this system in the future, and not only on Earth, but on Mars and other planets.

Wind power in Russia

In the mid-1920s he developed the TsAGI wind-power plants and wind turbines for agriculture. The design "peasant windmill" can be made on the spot from the available materials. Its capacity ranged from 3 hp, 8 hp up to 45 hp This setup can cover 150-200 households or operate the mill. hydraulic accumulator has been provided to the constancy of performance.

The principle of operation of the wind turbine

The principle of operation of the wind turbine.

The technical potential of wind energy Russia is estimated more than 50 000 billion kWh / year. The economic potential is about 260 billion kWh / year, or about 30 percent of all electricity generation by power plants in Russia.

Wind energy zones in Russia are located mainly on the coast and islands of the Arctic Ocean from the Kola Peninsula to Kamchatka, in the regions of Lower and Middle Volga and the Don, the Caspian, Okhotsk, Barents, Baltic, Black and Azov Seas. Individual wind zones are located in Karelia, Altai, Tuva, on Lake Baikal.

Maximum average wind speed in these areas in the autumn and winter period - the period of greatest demand for electricity and heat. About 30% of the economic potential of wind energy is concentrated in the Far East, 14% - in the Northern economic district, about 16% - in Western and Eastern Siberia.

The total installed capacity of wind power in the country for 2009 is 17-18 MW.

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 зв'язку 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 об'єднання 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, з'єднаний 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.


» » » Энергия ветра: использование