Автономный свет в умном доме с помощью ветряной электростанции. Ветряная электростанция дома: благо или блажь

Ветряные электростанции играют важнейшую роль в развитии экологически чистых эффективных источников энергии. Строительство таких электростанций тем не менее вызывает большие противоречия – от разрушения естественных сред обитания и опасностей для птиц и летучих мышей до разрушения береговых линий и естественной красоты мира. Предлагаем вам взглянуть на несколько фотографий самых известных ветряных электростанций, а вам решать, уродливо ли это или прекрасно!

В продолжение темы о экологически чистых способах добычи энергии, мы расскажем Вам о крупнейших ветряных электростанциях мира. Рекомендую также почитать о заводе по производству солнечной энергии в Севилье, мы же переходим непосредственно к ветрякам:

Ветряная ферма Сан Горгонио Пасс (San Gorgonio Pass) – одна из самых больших в Калифорнии, вырабатывает 615 МВ энергии и состоит из 3218 турбин

Первая в мире плавающая ветряная ферма начала вырабатывать электричество совсем недавно. Установлена она невдалеке от побережья Норвегии

Если ветряные электростанции Хайвинд в Норвегии успешно проработают в течение нескольких лет, то такая концепция будет применяться повсеместно

Ветряная ферма Уитли (Whitelee) тоже была построена совсем недавно и в настоящее время является наибольшей в Европе. Расположена она в Шотландии, состоит из 140 турбин и вырабатывает достаточно электричества для того, чтобы полностью обеспечивать им 180 000 домов

Ветряная электростанция Мэпл Ридж – самая большая в Нью Йорке, расположена в фермерском округе на окраине города. Запущенная в 2006, Мэпл Ридж вырабатывает 75% от всей ветряной энергии города

Разработанный студентами Аризонского государственного университета новый концепт турбин над автострадами способен обеспечивать электричеством целый дом, даже при низких скоростях ветра и не требует дополнительной площади для размещения. Таким образом удалось оригинально решить проблему выделения земли под ветряные электростанции

Ветряной парк Хорнс Рев у берегов Дании был самым большим на момент постройки (2002), сейчас строится 2 очередь ветряных генераторов, которая выведет Horns Rev на новый уровень

В настоящее время в устье Темзы строится ветряная ферма Greater Gabbard. Когда она будет введена (2011), то станет самой большой в мире

А в настоящее время лавры самой большой ветряной фермы принадлежат Lynn and Inner Dowsing, которая введена в эксплуатацию в 2008 в Линкольншире, Англия. Она вырабатывает электричество для 130 000 домов

Еще одна удивительная ветряная ферма - Tehachapi Pass в Калифорнии. Она была построена в 1980 году и до сих пор вырабатывает электричество. С тех пор ветряные электростанции в пустыне Мохави были многократно модернизированы и расширены

С использованием энергии ветра человечество знакомо с незапамятных времен. Когда-то неизвестный изобретатель приладил парус к неказистому плавучему средству, и с его помощью через столетия вся Земля была обследована пытливыми мореплавателями. Ветряные мельницы даже в наше время во многих странах исправно служат человеку.

Но сегодня использование ветра подразумевает, прежде всего, получение электроэнергии. Попытаемся разобраться, насколько это просто, дешево и удобно. Для тех, кто хочет сразу услышать итог, вывод: ветряная электроэнергия никогда не станет дешевле энергии, полученной из других источников: тепловых, атомных или гидроэлектростанций.

Поэтому заниматься ветряными электростанциями для дома имеет смысл только тем, у кого руки чешутся приспособить доставшийся «по случаю» готовый генератор, или энтузиастам экологически чистой энергии, фанатично желающим спасти планету от экологической катастрофы. Других причин использовать ветряную энергию при подведенном питании от внешних электрических сетей просто не придумаешь.

Для начала немного сведений о возможностях использования энергии ветра. При воздействии ветра на лопасти турбины, эффективность отбора энергии (КПД) не может превышать 59%. Это значение получили в своих работах ряд ученых (Ланчестер, Бец, Жуковский) еще в 1920 г. С тех пор оно известно как «предел Беца».

Есть ли смысл считать КПД ветряного генератора , если он приводится в действие дармовым источником неограниченной мощности? Конечно, есть! Зная КПД преобразования, можно оценить необходимую мощность электростанции, а затем - насколько похудеет ваш кошелек после ее приобретения.

Предельная мощность, которую можно «отнять» у ветра, равна площади, на которую он воздействует (площадь обмаха пропеллера), умноженной на скорость ветра в кубе и на упомянутый выше КПД, равный 0,6. Выразив все величины в системе СИ, получим, что 1м2 турбины при скорости ветра 2 м/сек отбирает мощность аж...4,8 Вт. При скорости ветра 8 м/сек (номинальная скорость большинства ветряных генераторов), отбор с единицы площади возрастет до 307 Вт.

Теперь информация к размышлению: реальный КПД для домашних установок нужно брать не более 0,3. Время работы ветряных электростанций при оптимальной скорости ветра колеблется от 10 до 15% в год в климатических условиях стран СНГ.

Поэтому полученную из формулы мощность ветряной электростанции необходимо увеличить еще в 4-5 раз. На практике рекомендуют устанавливать ветряную электростанцию, ориентируясь не столько на технические показатели, сколько на финансовые возможности, по принципу: «Чем больше, тем лучше». С мечтой установить мощную и, одновременно, компактную установку необходимо сразу расстаться. Одно другому противоречит в принципе.

Конструкция ветряной электростанции, в общем случае, состоит из генератора, выпрямительного устройства, аккумуляторной батареи и инвертора для преобразования напряжения в привычное значение 220В. Контроль и управление всеми блоками и элементами электростанции выполняет микропроцессорный контроллер или более простые логические схемы.

Изучая технические характеристики ветряных электростанций , предпочтение необходимо отдавать тем, у которых скорость начала движение ротора, начальная скорость зарядки аккумуляторов и скорость, при которой они выходят на рабочий режим, минимальны. Чем шире диапазон рабочих скоростей ветра, тем больше вероятность получить энергию. Стоимость в этом случае играет вторичную роль: зачем брать установку дешевле, если она в вашем регионе будет работать несколько дней в году?

Теперь пришло время прицениться к продукции фирм, предлагающих готовые комплекты оборудования. О самодельных ветряных электростанциях здесь вообще не будем говорить. Даже лучшие образцы промышленного изготовления имеют КПД не более 30%, а самодельные конструкции из подсобных материалов смогут производить разве что шум.

Все разнообразие конструкций ветряных генераторов можно свести к двум большим группам: с горизонтальным расположением ротора генератора и генераторы с ротором вертикального типа.

Горизонтальные генераторы флюгерного типа обладают более высоким КПД, меньшей материалоемкостью. Но требуют применения мачт большей высоты, имеют сложную механическую часть и неудобны в обслуживании. Станции вертикального типа менее экономичны, они имеют большую материалоемкость, но работают в большем диапазоне скоростей ветра и более компактны.

Рассмотрим по одному образцу из наиболее интересных представителей ветряных электростанций каждой группы. Наибольший интерес из электростанций с горизонтальным расположением ротора представляет безредукторный контурный генератор «Windtronics» .

В нем аэродинамическое сопротивление снижено за счет особой конструкции турбины, в которой на концах лопастей закреплены сильные постоянные магниты, а по ободу смонтировано 68 статорных катушек. При таком решении ротор одновременно является и генератором электрической энергии. Специальные закрылки на лопастях позволяют турбине начать движение при скорости ветра 0,2 м/сек. На сегодня это значение является рекордным для генераторов.

При скорости 0,9 м/сек. турбина начинает вырабатывать электричество. Другие типы генераторов при этих значениях скорости ветра даже не могут сдвинуться с места. Вес изделия около 110 кг, диаметр 1,8 метра, уровень шумов - не более 35 дБ.

Благодаря жесткой конструкции, турбина выдерживает скорость ветра до 62,6 сек. Годовая производительность от 1500 до 2750 кВт/ч электроэнергии. Американской фирмой «Honeywell Wind Turbine» в комплекте с турбиной поставляется вся необходимая электроника, рассчитанная на подключение 2 генераторов или солнечной дополнительной панели. Серьезным и единственным недостатком ветряной электростанции является ее цена - 5750 долларов при номинальной мощности генератора всего 1,5 кВт.

Многообещающим представителем электростанций с генератором вертикального типа можно считать турбины «Eddy» компании «Urban Green Energy» . Генераторы очень компактны, почти бесшумны и могут монтироваться даже в городских условиях. При весе генератора 95 кг он занимает площадь чуть больше 2,5 м2.

Турбину можно смонтировать за час, а служит она до 20 лет. Генератор выдерживает ветровые нагрузки до 193 км/час и вырабатывает, в зависимости от модификации, от 2000 до 4000 кВт/ч энергии в год. Главным недостатком является высокая начальная скорость ветра для турбины - 3,2 м/сек. Информации о стоимости генератора пока нет.

Ветряной генератор «Eddy»

Оригинальная форма турбины, напоминающая лепестки розы, натолкнула архитекторов на идею создать электростанцию в виде дерева, на ветвях которого смонтировано от 3 до 12 турбин, Проект получил название «Power Flowers» - «цветочное дерево» и привлек широкое внимание общественности, создав неплохую рекламу генераторам «Eddy» и фирме UGE.

Ветряная электростанция «Power Flowers» с генераторами «Eddy»

О различных конструкциях и моделях электростанций можно очень долго говорить, но объединяет их одно: очень высокая цена. Из анализа предложений фирм можно вывести некую удельную стоимость 1кВт мощности оборудования. Она составляет приблизительно 2000 долларов без монтажных работ. Добавив еще около 500 долларов на монтаж и наладку, мы получим усредненную величину затрат на оборудование, которое произведет вам 2000-3000кВт/ч электрической энергии за год.

По оценкам специалистов, электроэнергия, полученная от экологически чистых источников, дороже обычной в 3-4 раза. При использовании маломощных ветряных электростанций, стоимость энергии может на порядок (в 10 раз) превышать полученную из традиционных источников. Это связано с большими разовыми затратами на оборудование и работами по установке, наладке и обслуживанию ветряных электростанций.

Для того, что бы скрыть этот факт, часто используют утверждение, что с ростом цены на энергоносители экологически чистые источники станут рентабельными. При этом игнорируется то соображение, что с ростом расценок на энергию будет расти и стоимость оборудования, которое обладают значительной материалоемкостью. И перспектив к сокращению подобной «вилки» не предвидится даже в отдаленном будущем.

Если есть непреодолимое желание установить ветряную электростанцию, то сначала необходимо познакомиться с архивом сводок погоды за несколько последних лет в вашем регионе. Подобная информация сейчас доступна в сети и сразу прояснит реальные возможности по использованию ветровой энергии.

Неисчерпаемая энергия, которую несут с собой воздушные массы, всегда привлекала внимание людей. Наши прадеды научились запрягать ветер в паруса и колеса ветряных мельниц, после чего он два столетия бесцельно носился по необозримым просторам Земли.

Сегодня для него вновь нашлась полезная работа. Ветрогенератор для частного дома из разряда технических новинок становится реальным фактором нашего быта.

Давайте поближе познакомимся с ветряными электростанциями, оценим условия их рентабельного применения и рассмотрим существующие разновидности. Домашние умельцы получат в нашей статье информацию для размышления по теме самостоятельной сборки ветряка и устройствах, необходимых для его эффективной работы.

Что такое ветрогенератор?

Принцип работы бытовой ветряной электростанции прост: воздушный поток вращает лопасти ротора, насаженного на вал генератора и создает в его обмотках переменный ток. Полученное электричество запасается в аккумуляторах и по мере необходимости расходуется бытовыми приборами. Конечно, это упрощенная схема работы домашнего ветряка. В практическом плане он дополняется устройствами, выполняющими преобразование электричества.

Сразу за генератором в энергоцепочке стоит контроллер. Он преобразует трехфазный переменный ток в постоянный и направляет его на зарядку аккумуляторов. Большинство бытовых приборов не может работать от «постоянки», поэтому за аккумуляторами ставится другое устройство – инвертор. Он выполняет обратную операцию: превращает постоянный ток в бытовой переменный напряжением 220 Вольт. Понятно, что эти преобразования не проходят бесследно и забирают от исходной энергии довольно приличную часть (15-20%).

Если ветряк работает в паре с солнечной батареей или другим генератором электричества (бензиновым, дизельным), то схема дополняется автоматическим выключателем (АВР). При отключении основного источника тока, он активирует резервный.

Для получения максимальной мощности ветряной генератор должен располагаться вдоль ветрового потока. В простых системах реализуется принцип флюгера. Для этого на противоположном конце генератора закрепляется вертикальная лопасть, разворачивающая его навстречу ветру.

В более мощных установках стоит поворотный электромотор, управляемый датчиком направления.

Основные виды ветрогенераторов и их особенности

Существует две разновидности ветрогенераторов:

1. С горизонтальным расположением ротора.
2. С вертикальным ротором.

Первый тип – самый распространенный. Он характеризуется высоким КПД (40-50%), но имеет повышенный уровень шума и вибрации. Кроме этого, для его установки требуется большое свободное пространство (100 метров) или высокая мачта (от 6 метров).

Генераторы с вертикальным ротором энергетически менее эффективны (КПД почти в 3 раза ниже, чем у горизонтальных).

К их преимуществам можно отнести простой монтаж и надежность конструкции. Низкая шумность позволяет ставить вертикальные генераторы на крышах домов и даже на уровне земли. Эти установки не боятся обледенения и ураганов. Они запускаются от слабого ветра (от 1,0-2,0 м/с) в то время, как горизонтальному ветряку нужен воздушный поток средней силы (3,5 м/с и выше). По форме рабочего колеса (ротора) вертикальные ветрогенераторы весьма разнообразны.

Роторные колеса вертикальных ветряков

Благодаря малой частоте вращения ротора (до 200 об/мин), механический ресурс таких установок существенно превышает показатели горизонтальных ветрогенераторов.

Как рассчитать и подобрать ветрогенератор?

Ветер это не природный газ, качаемый по трубам и не электроэнергия, бесперебойно поступающая по проводам в наш дом. Он капризен и непостоянен. Сегодня ураган срывает крыши и ломает деревья, а завтра сменяется полным штилем. Поэтому перед покупкой или самостоятельным изготовлением ветряка нужно оценить потенциал воздушной энергии в своем районе. Для этого следует определить среднегодовую силу ветра. Эту величину можно узнать в интернете по соответствующему запросу.

Получив вот такую таблицу, находим район своего проживания и смотрим на интенсивность его окраски, сравнивая ее с оценочной шкалой. Если среднегодовая скорость ветра получится меньше 4,0 метров в секунду, то ветряк ставить нет смысла. Он не даст нужного количества энергии.

Если сила ветра достаточна для установки ветряной электростанции, то можно переходить к следующему шагу: подбору мощности генератора.

Если речь идет об автономном энергоснабжении дома, то в расчет берут среднестатистическое потребление электроэнергии 1 семьей. Оно находится в диапазоне от 100 до 300 кВт*ч в месяц. В регионах с низким годовым ветропотенциалом (5-8 м/сек) такое количество электричества способен сгенерировать ветряк мощностью 2-3 кВт. При этом следует учитывать, что зимой средняя скорость ветра выше, поэтому выработка энергии в этот период будет больше, чем летом.

Выбор ветрогенератора. Ориентировочные цены

Цены на вертикальные отечественные ветрогенераторы мощностью 1,5-2,0 кВт находятся в диапазоне от 90 до 110 тысяч рублей. Комплектация при такой цене включает только генератор с лопастями, без мачты и дополнительного оборудования (контроллер, инвертор, кабель, аккумуляторы). Полнокомплектная электростанция вместе с монтажом обойдется дороже на 40-60%.

Стоимость более мощных ветроустановок (3-5 кВт) составляет от 350 до 450 тысяч рублей (с дополнительным оборудованием и монтажными работами).

Ветряк своими руками. Забава или реальная экономия?

Скажем сразу, что сделать ветрогенератор своими руками полноценным и эффективным непросто. Грамотный расчет ветрового колеса, передаточного механизма, подбор подходящего по мощности и оборотам генератора – отдельная тема. Мы дадим лишь краткие рекомендации по основным этапам данного процесса.

Генератор

Автомобильные генераторы и электродвигатели от стиральных машин с прямым приводом для этой цели не подходят. Они способны генерировать энергию от ветрового колеса, но она будет незначительной. Автогенераторам для эффективной работы нужны очень высокие обороты, которые не может развить ветряк.

В моторах для стиралок другая проблема. Там стоят ферритовые магниты, а для ветрогенератора нужны более производительные – ниодимовые. Процесс их самостоятельного монтажа и намотки токоведущих обмоток требует терпения и высокой точности.

Мощность устройства, собранного своими руками, как правило, не превышает 100-200 Ватт.

В последнее время среди самодельщиков пользуются популярностью мотор-колеса для велосипедов и скутеров. С позиций ветроэнергетики это мощные ниодимовые генераторы, оптимально походящие для работы с вертикальными ветровыми колесами и зарядки аккумуляторов. С такого генератора можно снимать до 1 кВт ветровой энергии.

Мотор-колесо – готовый генератор для самодельной ветряной электростанции

Винт

Проще всего изготавливаются парусный и роторный винты. Первый состоит из легких изогнутых трубок, закрепленных на центральной пластине. На каждую трубку натягиваются лопасти из прочной ткани. Большая парусность винта требует шарнирного крепления лопастей, чтобы при урагане они складывались и не деформировались.

Роторная конструкция ветрового колеса используется для вертикальных генераторов. Она проста в изготовлении и надежна в работе.

Самодельные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения работают от пропеллерного винта. Домашние умельцы собирают его из труб ПВХ диаметром 160-250 мм. Монтаж лопастей выполняется на круглой стальной пластине с посадочным отверстием для вала генератора.

Ветряная электростанция (ВЭС) — альтернативный экологичный источник энергии. ВЭС представляет собой несколько распределённых или сосредоточенных ветроэлектрических установок (ветрогенераторов или ВЭУ), соединённых в общую сеть (каскады). Крупнейшие ВЭС могут состоять из сотни и более ветрогенераторов, работающих как на собственные, так и на один общий энергоблок. Для ВЭС наиболее эффективны регионы со средней скоростью ветра более 4,5 м/с.

Россия располагает крупными ветроэнергитическими ресурсами, в сумме ветропотенциал страны оценивается приблизительно в 14000 ТВт час/год. Крупнейшая ветровая станция России — Зеленоградская ВЭУ (5,1 МВт), также отметим Анадырскую ВЭС, Заполярную и ВЭС Тюпкильды. Общая мощность работающих ВЭС России более 16,5 МВт. Кроме электрической, ветровая энергия используется в получении тепловой и механической энергий.

"Зеленоградская ВЭУ расположенна в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области.

ВЭУ преобразует кинетическую энергию воздушных потоков в механическую, которая используется для вращения ротора генератора электротока. Промышленные ВЭУ используются в построении ветряных электростанций. Их мощность может достигать 7,5 МВт, она зависит от конструкции ветряка, силы воздушного потока, плотности воздуха и площади обдуваемой поверхности. Промышленная ВЭУ обычно состоит из фундамента, силового шкафа управления, башни, лестницы, поворотного механизма, гондолы, электрогенератора, механизма слежения за параметрами ветра, тормозной системы, трансмиссии, лопастей, обтекателя, коммуникаций и системы защиты от молний. Ветротурбины бывают с вертикальной осью вращения (карусельные лопастные и т.д.) и горизонтально-осевые — кругового вращения, наиболее распространённые из-за простоты и высокого КПД.

Устройство ветрогенератора включает в себя ветротурбину (раскручиваемую лопастями или ротором) и электрогенератор. Полученное с генератора электричество обычно поступает на устройство управления аккумуляторами, после чего накапливается в аккумуляторах, и с помощью инвертора, подключённого в электросеть, преобразуется в переменный ток необходимой силы, частоты и напряжения (например: 50 Гц/220 В). ВЭУ на выходе электрорегулятора имеет 24, 48 или 96 вольт постоянного тока. Батареи аккумулятора накапливают энергию для использования в безветрие. Принципиальную электросхему взаимодействия ВЭУ с устройствами можно как угодно модифицировать и улучшать.

Типы ветровых электростанций.

Наземная — самый распространённый вид. Ветрогенераторы здесь размещены на возвышенностях (горы, холмы). Самой крупной ВЭС считается калифорнийская «Альта» в США с мощностью 1,5 ГВт. Ветрогенераторы на высоте более 500 м над уровнем моря - это горная разновидность наземных станций.

Шельфовая строится в море, в 10-60 км от берега. Даёт преимущество в отсутствии выделенных сухопутных территорий и высокую эффективность в силу постоянства морских ветров. В сравнении с наземной обладает большей дороговизной.

Крупнейшая станция «London Array» в Великобритании производит 630 МВт электроэнергии.

Прибрежная строится в прибрежных зонах морей и океанов, что обусловлено суточными морскими бризами.

Плавающая — сравнительно новый вид. Устанавливается на плавающей платформе на некотором удалении от берега.

Парящая, где ветровые турбины размещены высоко над землёй с целью использования более сильных и стойких воздушных потоков.

Преимущества ВЭУ:

1. Дешевизна установки и обслуживания
2. Отсутствие потребности в большом персонале
3. Экологичность (даже при разрушении), отсутствие выбросов в атмосферу, нарушения экосистемы и ландшафта
4. Восполняемость источника энергии
5. Отсутствует нужда в специальной выделенной зоны вокруг станции
6. Высокий уровень чистой прибыли владельцам в связи с высоким отношением современной стоимости электроэнергии к минимальным затратам на получение этой энергии

Недостатки ВЭУ:

1. Высокий входной барьер в бизнес. Строительство ветряных ферм, точные расчёты определения местности, основывающиеся на многолетних показаниях
2. Невозможность точного прогноза количества производимой энергии в силу стихийной природы ветра
3. Малая мощность
4. Высокий уровень шума, который может негативно влиять на окружающую среду (однако современные технологии позволяют добиться приближения уровня шума к уровню естественной среды уже в 30 метрах от турбины)
5. Вероятность вреда для птиц и искажения телерадиосигналов

Проекты ветряных установок будущего:

Ветростебли вместо лопастей. Установка в проекте «зелёного» города без машин Масдара близ Абу-Даби. 1203 энергоэффективных стебля высотой 55 м на расстоянии друг от друга в 10-20 м будут «расти» из земли, покачиваться от ветра и генерировать таким образом энергию путём сжатия керамических дисков электродных слоёв.

Сверхмассивный ветряк Aerogenerator X отличается от классических ветряков своими внушительными размерами и выработкой энергии в 3 раза больше, чем обычный ветряк (10 МВт). Размах лопастей 275 м. Конструкция используется в ширину, а не ввысь. Ветряк вращается над морской гладью как карусель.

Норвежский город турбин на побережье Ставангер. Так как Евросоюз поставил цель обеспечения энергией хотя бы на 20% от природных сил, то не исключено что Норвегия станет основным производителем энергии через ветер и воду. Множество связанных ветроустановок будут настоящим городом с двумя млн. рабочих мест. Этой энергии должно хватить на Норвегию и часть Европы. К 2020 г. разработчики рассчитывают обеспечивать 12% энергии от энергии во всём мире. Экологически чистые турбины сберегут более 10700 млн. тонн выбросов двуокиси углерода.

Ветровая энергия

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры — от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Еще в Древнем Египте за три с половиной тысячи лет до нашей эры применялись ветровые двигатели для подъема воды и размола зерна. За пятьдесят с лишним веков ветряные мельницы почти не изменили свой облик. Например, в Англии имеется мельница, построенная в середине XVII в. Несмотря на свой преклонный возраст, она исправно трудится и по сей день. В России до революции насчитывалось приблизительно 250 тыс. ветряных мельниц, общая мощность которых составляла около 1,5 млн. кВт. На них размалывалось до 3 млрд. пудов зерна в год.

Техника XX века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой — получение электроэнергии. В начале века Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания.

Ветряные мельницы оказались прекрасными источниками даровой энергии. Неудивительно, что со временем их стали использовать не только для размола зерна. Ветряки вращали дисковые пилы на больших лесопилках, поднимали грузы на большие высоты, использовались для подъема воды. Наряду с водяными мельницами они оставались, практически, самыми мощными машинами прошлого. В той же Голландии, например, где ветряков было больше всего, они успешно работали до середины нашего века. Часть их действует и в настоящее время.

Что интересно, мельницы в средневековье вызывали у некоторых суеверный страх — настолько непривычными были даже простейшие механические приспособления. Мельникам приписывали общение с нечистой силой.

В наши дни к созданию конструкций ветроколеса — сердца любой ветроэнергетической установки — привлекаются специалисты-самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Типы ветрогенераторов

Разработано большое количество ветрогенераторов. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветрогенераторы могут быть классифицированы:

С горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока;
с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра (подобные водяному колесу);
с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока.

Здесь — сайт ветроэнергетики. НПГ «САЙНМЕТ» является отечественным РАЗРАБОТЧИКОМ И ПРОИЗВОДИТЕЛЕМ ветроэнергетических установок (ветрогенераторов), одним из мировых лидеров в области автономной ветроэнергетики – обладателем Гран-при и трех золотых медалей Всемирной Брюссельской выставки инноваций «Eureka-2005». НПГ «САЙНМЕТ» представляет автономные ветроэнергетические установки: ветрогенератор мощностью 5 и ветрогенератор мощностью 40кВт, а также ветросолнечные и ветродизельные установки на их основе.

Ветродизельные энергетические установки могут быть объединены в локальные сети, а также сопряжены с солнечными батареями. Ветродизельные агрегаты, в зависимости от ветрового потенциала местности, позволяют экономить 50-70% топлива, потребляемого дизель-генераторами сравнимой мощности.

Основные конструктивные решения ветрогенераторов защищены патентами на изобретения.

Энергия ветра

Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиями бороздившие просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь ничтожную долю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле. Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это более чем в 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.

Почему же столь обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Ветровой энергетический потенциал Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт * ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Непостоянство ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно удорожает себестоимость электроэнергии. Из-за рассеянности при сооружении равных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних требуется в пять раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для сельскохозяйственных нужд).

Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек., называется умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше 30 м/сек. – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.

Основное направление использования энергии ветра – получение электроэнергии для автономных потребителей, а также механической энергии для подъема воды в засушливых районах, на пастбищах, осушения болот и др. В местностях, имеющих подходящие ветровые режимы, ветроустановки в комплекте с аккумуляторами можно применять для питания автоматических метеостанций, сигнальных устройств, аппаратуры радиосвязи, катодной защиты от коррозии магистральных трубопроводов и др.

По оценкам специалистов, энергию ветра можно эффективно использовать там, где без существенного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные перерывы в подаче энергии. Использование же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяет применять их для снабжения энергией практически любых потребителей.

Мощные ветровые установки стоят обычно в районах с постоянно дующими ветрами (на морских побережьях, в мелководных прибрежных зонах и т.д.) Такие установки уже используют в России, США, Канаде, Франции и других странах.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород, Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Литература

Наука и жизнь, №1, 1991 г. М.: Правда.

Техника молодёжи, №5, 1990 г.

Феликс Р. Патури Зодчие ХХI века М.: ПРОГРЕСС, 1979.

Наука и жизнь, No10, 1986 г. М.: Правда.

Багоцкий В.С., Скундин А.М.

Химические источники тока М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.

Коровин Н.В. Новые химические источники тока М.: Энергия, 1978. 194 с.

Д-р Дитрих Берндт Конструкторский уровень и технические границы применения герметичных батарей А/О ВАРТА Беттери Научно-исследовательский центр

Лаврус В.С. Батарейки и аккумуляторы К.: Наука и техника, 1995. 48 с.

Наука и жизнь, №5…7, 1981 г. М.: Правда.

Мурыгин И.В. Электродные процессы в твердых электролитах М.: Наука, 1991. 351 с.

T he Power Protection Handbook American Power Conversion

Шульц Ю. Электроизмерительная техника 1000 понятий для практиков М.: Энергоиздат, 1989. 288 с.

Наука и жизнь, №11, 1991 г. М.: Правда.

Ю. С. Крючков, И. Е. Перестюк Крылья Океана Л.: Судостроение, 1983. 256 с.

В. Брюхань. Ветроэнергетический потенциал свободной атмосферы над СССР Метрология и гидрология. №6, 1989 г.

New scientist №1536, 1986 г.

Daily Telegraf, 25.09.1986 г.

Каркас одноэтажных зданий состоит из поперечных рам, шарнирно связанных поверху стропильными конструкциями. Поперечная жесткость здания обеспечивается колоннами, жестко защемленными в фундаменте и диском покрытия.

В зданиях с кровлей, устраиваемой по сплошному настилу из крупноразмерных железобетонных плит, условия работы отдельных рам облегчаются за счет частичной передачи нагрузок «жесткой» кровлей на смежные рамы.

Здания с кровлей из плит, укладываемых по прогонам, находятся в менее благоприятных условиях, т.к. независимость деформации отдельных рам при воздействии на них местных нагрузок может привести в ряде случаев к ухудшению эксплуатационных свойств здания.

Поэтому при проектировании зданий с мостовыми кранами значительной грузоподъемности, а также бескрановых, имеющих большую высоту, следует предусматривать продольные связи по верхним поясам стропильных конструкций, до некоторой степени объединяющих работу рам в поперечном направлении.

Обеспечение жесткости здания в продольном направлении только за счет колонн экономически оправдывается лишь для бескрановых зданий: с пролетами L ≤ 24 м и высотами Н ≤ 8,4 м, а также для зданий с L= 30 м и Н ≤7,2 м. Для зданий большой высоты и зданий с мостовыми кранами необходимо предусматривать вертикальные связи жесткости в продольном направлении.

Такие связи устраивают между колоннами и при необходимости в покрытии здания.

Передача ветровых нагрузок с торцовых стен на колонны и вертикальные связи через конструкции кровли целесообразна только для зданий определенных пролетов и высоты. В большепролетных зданиях более или менее значительной высоты такое использование кровли затрудняет крепление стропильных конструкций к колоннам, усложняет конструкции, обеспечивающие устойчивость покрытий, а в ряде случаев и вообще не может быть осуществлено без нарушения целостности кровли, прочности креплений ее к стропильным конструкциям.

Торцовые стены таких зданий должны проектироваться с применением горизонтальных ветровых ферм и с передачей на них подавляющей части ветровой нагрузки.

Кровли из относительно мелких изделий, укладываемых по прогонам, могут воспринимать ветровые нагрузки от торцовых стен и передавать их на колонны лишь при условии развязки их системой поперечных горизонтальных связей по верхним поясам стропильных конструкций.

Условия применения таких, а также других второстепенных конструкций (вертикальные связи между фермами, распорки, растяжки) зависят от параметров здания.

Все одноэтажные промышленные здания делят на конструктивно однородные группы в зависимости от типа транспортного оборудования и габаритных характеристик (пролет и высота), которые приведены в таблице 1 ниже.

К группе I относят здания с пролетами до 24 м, имеющих высоту до 8 м, а также здания с пролетами 30 м и высотой до 7 м.

К группе II относятся здания, имеющие поперечные температурные швы при: L= 18 м и Н = 9 – 15 м; L= 24 м и Н = 9 – 12 м; L ≥ 30 м и Н = 9 – 10 м;

К группе III относятся здания с поперечными температурными швами, но более высокие, чем здания группы II, а также здания без поперечных температурных швов с пролетами L= 18 м, 24 м, 30 м, высотой более 12 м.

Все здания указанной номенклатуры, за исключением зданий группы А – б — I, требуют применения связей.

Таблица 1

Группа зданий по высоте	с беспрогонными кровлями	с кровлей по прогонам
с мостовыми кранами	без мостовых кранов	с мостовыми кранами	без мостовых кранов
Низкие	А – а — I	А – б — I	Б – а — I	Б –б — I
Средние	А – а — II	А – б — II	Б – а — II	Б –б — II
Высокие	А – а — III	А – б — III	Б – а — III	Б –б — III

Вертикальные связи жесткости между колоннами устанавливают в середине температурного блока каждого продольного ряда. В зданиях с мостовыми кранами вертикальные связи по колоннам устраиваются только на высоту до низа подкрановых балок (рис.1), а в зданиях без мостовых кранов – на полную высоту колонн. Между стальными колоннами крановых зданий связи устанавливают еще и в надкрановых частях колонн, как в середине температурного блока, так и в крайних его шагах (рис. 2 а, б). При высоте подкрановой части стальной колонны превышающей 8,5 м связи сдваивают (рис. 2 в).

По схеме стальные связи между колоннами подразделяются на крестовые и портальные. Крестовые характерны 6-метровым шагам колонн, портальные – 12-метровым.

2. Вертикальные связи по стальным колоннам:

а – крестовые связи; б – портальные связи; в – крестовые сдвоенные связи

Капитальные стены, расположенные в распор между колоннами и прочно связанные с ними, могут быть использованы для обеспечения продольной жесткости здания вместо вертикальных связей лишь при гарантии, что эти стены не будут подлежать разборке при эксплуатации или реконструкции здания.

Во всех зданиях с кровлей по прогонам необходимо предусматривать горизонтальные поперечные связи жесткости, которые устанавливают по верхним поясам стропильных конструкций в крайних панелях каждого температурного блока, независимо от наличия или отсутствия ветровых ферм.

В высоких зданиях требуется устройство горизонтальных ветровых ферм в торцах зданий. В зданиях с мостовыми кранами ветровые фермы устанавливаются на уровне верха подкрановых балок (рис.3).

Рис. 3. Схема расположения ветровой фермы в уровне подкрановых балок

Для передачи давления ветровых ферм по линии подкрановых балок зазоры между торцами балок заполняют бетоном, а крепление подкрановых балок к колоннам связевой панели рассчитывается на восприятие всех горизонтальных сил (включая силы от продольного торможения кранов), действующих по линии подкрановых балок.

В зданиях без мостовых кранов ветровые фермы необходимо располагать в уровне верха вертикальных связей.

Во всех случаях применения ветровых ферм в зданиях без подстропильных конструкций между колоннами на уровне ветровых ферм должны быть поставлены распорки для передачи ветрового давления от ферм на вертикальные связи.

В зданиях с подстропильными конструкциями крепление их к колоннам рассчитывается на горизонтальные нагрузки от ветровых ферм. Зазоры между торцами подстропильных конструкций рекомендуется заполнять бетоном.

Все продольные нагрузки, воспринимаемые отдельными элементами здания, в конечном счете, должны быть переданы вертикальным связям в продольных рядах колонн или распределены между колоннами. Необходимость во второстепенных устройствах для обеспечения прочности узлов и устойчивости элементов покрытия, участвующих в такой передаче, в значительной мере определяется типом кровли.

В зданиях типов А – а – I, II, III и А – б – I с жесткими беспрогонными кровлями ветровые нагрузки распределяются покрытием между всеми колоннами в продольных рядах. Крепление каждой из стропильных конструкций к колоннам в этих случаях должно быть рассчитано на воспринимаемую ею часть общей ветровой нагрузки.

При невозможности обеспечить необходимую прочность крепления стропильных конструкций к колоннам (например, в покрытиях имеющих стропильные конструкции с большой высотой на опорах) устанавливают вертикальные связи между опорными стойками стропильных конструкций в крайних панелях температурного блока. При этом устанавливают и распорки между всеми колоннами ряда по их оголовкам для распределения, воспринимаемого вертикальной связью, ветрового давления между всеми колоннами ряда.

В зданиях типа А – б – II, в которых вертикальные связи между колоннами устраиваются на всю высоту колонн, ветровые усилия передаются покрытием на колонны лишь в узлах крепления стропильных конструкций к колоннам связевой панели. В этом случае необходимо устраивать дополнительные связи в покрытии. Так, при небольшой высоте стропильных конструкций на опоре между колоннами каждого продольного ряда устанавливают распорки, передающие ветровые нагрузки на вертикальные связи. Крепление каждой из стропильных конструкций к колоннам будет при этом работать лишь на приходящуюся на него часть общей ветровой нагрузки. А при значительной высоте стропильных конструкций на опоре (стальные и железобетонные фермы с параллельными поясами, железобетонные безраскосные фермы и т.п.) следует устанавливать вертикальные связи (С1) между опорными стойками ферм в крайних шагах температурного блока, соединяемые непрерывной цепью распорок. Стальные стропильные фермы дополнительно развязываются по нижним поясам раскосами (С2) и крепятся к остальным фермам с помощью растяжек по нижнему поясу (С3) и распорок по верхнему поясу (С4) (рис. 4).

Рис. 4. Схема связей в покрытии по стальным фермам

В зданиях с мостовыми кранами тяжелого или особо тяжелого режимов работы по продольным краям каждого температурного блока в уровне нижнего пояса стропильных ферм устанавливают распорки (С5) и раскосы (С6) (рис.4).

В зданиях с фонарями в пределах фонаря устанавливаются распорки в середине пролета, соединяющие узлы верхних поясов стропильных конструкций, а также вертикальные и горизонтальные связи в крайних шагах температурного блока.

Связи проектируют из прокатных, гнутых, гнутосварных профилей или электросварных труб.

Крепят их с помощью болтов нормальной точности или высокопрочных, а также на сварке.

Дата публикования: 2014-10-17; Прочитано: 8172 | Нарушение авторского права страницы

Studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.003 с)…