Ветрогенераторы как альтернативный способ получения электроэнергии
Генератором называется устройство, используемое для преобразования одного вида энергии в другой. Одним из его древнейших видов, известных еще задолго до нашей эры, была ветряная мельница, преобразующие кинетическую энергию ветра в удобную для человека форму. Простая конструкция с успехом применялась на протяжении столетий. В Англии, например, и сегодня есть работающая ветряная мельница.
С открытием закона сохранения энергии люди научились преобразовывать один ее вид в другой, удобный для транспортировки и дальнейшего применения. Сегодня кинетическая энергия ветра преобразуется в электрическую энергию, для чего предназначены ветрогенераторы.
Ветер представляет собой движущийся воздушный поток, обладающий кинетической энергией, а, значит, его мощность прямо пропорциональна массе воздуха и квадрату его скорости.
Мощность ветрогенератора зависит от скорости ветра и площади его контакта с рабочей частью устройства, называемой "ометаемой" площадью
В этой формуле:
N-мощность ветрогенератора
p-плотность воздуха
S-ометаемая площадь
V-скорость ветра
Как следует из полученного уравнения, ветрогенератор может с успехом применяться в местах, где наблюдаются постоянные ветры. В нашей стране есть немало районов, в которых численность ветряных дней составляет 320 и более суток в году. Особенно актуально использование ветрогенераторов в местах, труднодоступных для строительства линий электропередач, в горах, а также в условиях крайнего севера. Кстати, именно в этих районах ветер дует всегда.
Скептики могут сказать, что для получения электроэнергии давно и успешно применяются дизельные генераторы. Безусловно, они правы, но ветрогенераторы имеют ряд достоинств, наличие которых позволяет называть их "электростанциями будущего"
Преимущества ветрогенераторов
Прежде всего, речь идет об экологически чистом способе получения электрической энергии, при котором нет загрязнения окружающей среды. В современных условиях, когда на природоохранные мероприятия выделяются немалые средства из бюджета страны, этот фактор может стать решающим при выборе направления развития энергетики.
Ветрогенераторы позволяют сократить расход привычных видов топлива, ресурсы которых небезграничны.
Устройство ветрогенератора с горизонтальной осью вращения
Современные ветрогенераторы могут быть с горизонтальной или с вертикальной осью вращения,и. соответственно, использоваться для преобразования энергии ветра в силу сопротивления или в подъемную силу. Устройства, основанные на использовании подъемной силы, предпочтительнее. Их лопасти могут развивать скорость вращения, превышающую скорость ветра, а, значит и мощность ветрогенератора в этом случае будет больше (смотрите формулу расчета мощности).
Для контакта с потоком воздуха используются лопасти, количество которых может быть различным. Закрепленные по окружности, они образуют ветроколесо, установленное в специальное подвижное устройство, поворачивающееся в зависимости от направления ветра. Для удобства вращения с противоположной стороны от ветроколеса устанавливается пропеллер.
В тех районах, где дуют ветры преимущественного направления, ветроколесо может быть закреплено в одном выбранном положении. В этом случае, его лопасти могут быть закреплены непосредственно на валу генератора.
Мощность устройства зависит и от площади лопастей, контактирующих с ветровым потоком (
), что наводит на мысль о простом увеличении их геометрических размеров.
Действительно, опытным путем установлено, что при увеличении размеров лопастей, при постоянной скорости ветра, мощность ветрогенератора растет.
Это наглядно видно из приведенного ниже графика
Мощности ветрогенераторов различных размеров при скорости ветра 7,6 м/с Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения не требуют специального положения в зависимости от направления ветрового потока. Их конструкция проще и надежнее. Примером могут служить устройства с S-образными лопастями, или основанные на применении специально разработанного для преобразования энергии ветра ротора Савониуса. Но эти генераторы имеют и серьезные недостатки, ограничивающие их массовое применение. В частности скорость вращения лопастей ветрогенератора с вертикальной осью невелика, а, значит, мала и конечная мощность устройства.
Одной из последних конструктивных разработок для ветрогенераторов является ротор Дартье, основанный на использовании подъемной силы, образованной на лопастях специальной выгнутой формы, имеющих в разрезе профиль крыла самолета. Количество лопастей при этом колеблется от одной до трех, они должны быть прочными и при этом легкими.
Перечень конструкций ветрогенераторов и их особенностей можно продолжать бесконечно, но при этом следует отметить, что они пока не совершенны и нуждаются в улучшении.
Область применения и эффективность ветрогенераторов.
Сегодня ветрогенераторы применяются не только для обеспечения электричеством объектов, расположенных в труднодоступных местах, но и в промышленных масштабах. Как следует из простых расчетов, эффективность такого устройства напрямую зависит от его размеров. Действительно, промышленные установки с успехом используются в труднодоступных районах нашей страны, на Кольском полуострове и крайнем севере.
Но при этом монтаж и установка такого устройства может быть сопряжена с рядом серьезных трудностей, таких как сложность изготовления надлежащего фундамента для установки в районах вечной мерзлоты и многих других. Путь увеличения размеров устройства в данном случае себя не оправдывает. Предпочтение следует отдавать турбинам среднего размера, изготовление и установка которых проще и доступнее.
Несмотря на конструктивное несовершенство, ветрогенераторы уже прочно заняли свое место в энергетике, и в дальнейшем их использование будет, несомненно, возрастать.
