Технологии ветряной энергетики
Содержание
Введение. 4
1 Теоретическая часть. Ветровая энергетика. Перспективы развития, достоинства, недостатки. 5
1.1 Мировой рынок ветряной энергетики. 5
1.2 Технологии ветряной энергетики. 13
1.3 Перспективы развития ветряной энергетики. 21
2 Практическая часть. 24
2.1 Задание на курсовую работу. 24
2.2 Методика определения соответствия условий спуска сточных вод в городскую канализацию.. 24
2.3 Расчет определения соответствия условий спуска сточных вод в городскую канализацию.. 28
2.4 Выводы по полученным результатам. 31
Заключение. 33
Список используемых источников. 34
Введение
Человеческие цивилизации используют энергию ветра на протяжении тысячелетий. Ранние формы ветряных мельниц использовали ветер для дробления зерна или перекачивания воды. Теперь современные ветряные турбины используют ветер для производства электричества.
Современные ветряные турбины - намного более сложные машины, чем традиционная ветряная мельница в прериях. Ветровая турбина имеет до 8000 различных компонентов.
Цель работы:
1. Изучение теоретического вопроса - «Ветровая энергетика. Перспективы развития, достоинства, недостатки».
2. Выполнение практического задания - определение соответствия условий спуска сточных вод в городскую канализацию.
Теоретическая часть. Ветровая энергетика. Перспективы развития, достоинства, недостатки.
Мировой рынок ветряной энергетики
|
|
|
Идея вырабатывать электричество, используя силу ветра, приписывает немецкому физику Альберту Бетцу. Он же считается разработчиком технологии ветряной турбины. Первая ветряная турбина была построена в Вермонте в 1940-е гг. Первая ветряная электростанция водного типа (прибрежная) Vindeby была построена в 1991 году неподалеку от побережья Дании совместными усилиями датской компании DONG (сейчас DONG Energy) и немецкой Siemens.
Двадцать один год прошел с тех пор, как в Дании была построена первая в мире морская ветряная электростанция Vindeby (5 МВт). Сегодня 4620 МВт [1] морской ветровой энергии была установлена во всем мире, что составляет около 2% от общей установленной мощности ветровой энергии. Более 90% его установлено за пределами Северной Европы, в Северном, Балтийском и Ирландском морях, а также в Ла-Манше. Большая часть остальной части находится в двух демонстрационных проектах у восточного побережья Китая. Тем не менее, есть большие надежды на крупное развертывание в других местах; правительства и компании в Японии, Корее, Соединенных Штатах, Канаде, Тайване и даже в Индии проявили энтузиазм по поводу разработки оффшоров в своих водах. Согласно более амбициозным прогнозам, к 2020 году во всем мире может быть установлено до 80 ГВт ветрового ветра, из которых три четверти приходится на Европу
|
|
|
Почему большая привлекательность для ветра с берега, когда ветер с берега сейчас напрямую конкурирует с традиционными источниками энергии на растущем числе рынков по всему миру? Оффшорный ветер имеет ряд преимуществ, таких как более высокие скорости ветра и меньшая турбулентность, чем на суше, и меньшее количество экологических ограничений. Оффшор особенно подходит для крупномасштабной застройки вблизи крупных центров спроса, представленных крупнейшими портовыми городами мира, избегая необходимости в длинных линиях электропередачи, чтобы получить мощность для центров спроса, как это часто бывает на суше. Оффшор - это относительно новая технология со значительными возможностями для снижения затрат, техническими инновациями и «революционными» разработками, которые могут изменить облик возобновляемых источников энергии в некоторых частях мира.
В общей сложности 4336 [2] МВт, состоящие из 1503 морских ветряных турбин, полностью подключены к сети в 56 ветряных электростанциях в десяти европейских странах. The Великобритания и Дания остаются двумя крупнейшими рынками для оффшорного ветра в Европе, за ними следуют Бельгия, Нидерланды, Германия, Швеция, Финляндия и Ирландия. † У Норвегии и Португалии есть полномасштабная плавающая турбина.
|
|
|
Оффшорный ветер является важным компонентом обязательной цели Европы для получения 20% конечного потребления энергии из возобновляемых источников. В настоящее время в Европе строится почти 6 ГВт ветровой мощности в море, 17 ГВт было получено, и есть планы на дальнейшие 114 ГВт. Ожидается, что в течение следующих четырех лет Европа установит 16,2 ГВт ветровой мощности в море, большинство в Северном море. Ожидается, что только в Великобритании к 2020 году будет развернуто до 18 ГВт ветровой мощности в море, согласно дорожной карте по возобновляемым источникам энергии, опубликованной правительством Великобритании. У Crown Estate есть еще более амбициозные показатели: к 2022 году мощность ветроэнергетики на шельфе составит около 32 ГВт. Ожидается, что к 2020 году в Европе будет установлена мощность около 40 ГВт.
Установленная в Китае оффшорная мощность сегодня составляет 258,4 МВт, что занимает третье место в мире. Оффшорный ветер по-прежнему обеспечивает лишь небольшую долю от общей мощности ветра в Китае, что составляет менее 0,5% от общей энергии ветра, установленной в стране. Проект Shanghai Donghai Bridge, общей мощностью 102 МВт, установленный в 2010 году, является первым коммерческим оффшорным проектом за пределами Европы. По состоянию на конец 2011 года самым крупным оффшорным проектом в Китае был демонстрационный проект мощностью 150 МВт в провинции Цзянсу-Рудонг, в котором было установлено 99,3 МВт и к концу 2011 года подключена энергосистема. Все остальные установки представляют собой небольшие демонстрационные проекты, включая второй этап проекта Шанхайский мост Дунхай мощностью 65,6 МВт, в 2011 году - 8,6 МВт.
|
|
|
Китай ставит перед собой амбициозную задачу по разработке на шельфе 5 ГВт к 2015 году и 30 ГВт к 2020 году. Для достижения этой цели развитие шельфа в Китае осуществляется по модели концессионного тендера, в которой как разработчики, так и тарифы определяются тендером. Предполагалось, что второй раунд тендерных торгов на расстоянии 2 000 МВт в оффшорных условиях состоится в 2011 году, но был отложен до 2012 года, в основном из-за трудностей с планированием и размещением, с которыми столкнулись проекты, предложенные в первом раунде в 2010 году.
Основной причиной задержек с офшорными планами Китая является отсутствие координации между государственными администрациями. Исследование ветровой энергии в море, по-видимому, противоречит некоторым другим морским экономическим предприятиям и двум правительственным органам (Национальная энергетическая администрация и Государственная администрация океанов), отвечающим за развитие морской ветровой энергетики. Сплоченный национальный план для оффшорной индустрии необходим для долгосрочного развития. Если координация улучшится, китайские офшоры, вероятно, увидят некоторый прогресс в ближайшие годы.
Тем не менее, тем временем, «демонстрационные проекты» утверждаются и строятся. Вначале эти демонстрационные проекты всегда были небольшими, состоящими из нескольких турбин общей максимальной мощностью 20-30 МВт. Но в прошлом году проект Rudong (150 МВт) был одобрен и помечен как «демонстрационный проект». Демонстрационные проекты имеют выгодный тариф, а не общеизвестно низкий тариф в результате торгов. Поэтому по сравнению с концессионными проектами демонстрационные проекты имеют меньший размер и лучший тариф. Это может сыграть более позитивную роль в тестировании воды для морских технологий и управления ветровыми электростанциями.
Демонстрационные проекты также предоставляют полигон для испытаний новых морских турбин. Модель Sinovel 5 МВт имеет свой первый прототип, созданный во второй фазе проекта Dong Hai Bridge, вместе с морской моделью Shanghai Electric мощностью 3,6 МВт. Оффшорный проект Rudong мощностью 150 МВт использует совместно изготовленную турбину Siemens-SHE 2,3 МВт и модель Sinovel 3 МВт. Многие другие производители также тестируют свои модели на различных демонстрационных площадках.
Из-за узкого континентального шельфа Японии, потенциал для подводного ветра в Северном море в стиле ограничен. Но крупные японские игроки стремятся основываться на ранней работе в Европе на плавучих морских платформах. Весной этого года были сделаны крупные объявления в отношении четырех морских проектов, как монтируемых на дне, так и плавающих, с тестируемыми вариантами как спаренного буя, так и полупогружных. Mitsubishi также объявила о планах разработки новой турбины мощностью 7 МВт с гидравлическим приводом, предназначенной для работы на полупогружных плавучих платформах в глубокой воде у побережья Фукусимы. Первая оффшорная ферма мощностью 2,4 МВт, построенная к востоку от Токио, у побережья Чоши, будет готова к запуску в январе 2013 года, и уже есть планы по строительству второй ветряной электростанции мощностью 2 МВт, которая начнется в мае следующего года и будет построена у побережья. Китакюсю,
Япония имеет 6-ю по величине в мире исключительную экономическую зону (ИЭЗ), а также очень способную морскую индустрию. Оффшорная ветроэнергетика может внести существенный вклад в энергоснабжение страны, создав новую отрасль в Японии и помогая снизить зависимость страны от ядерной энергии.
В 2010 году правительство Кореи опубликовало дорожную карту для развития ветровой энергии в открытом море, в качестве первоочередной задачи - проект морской ветряной электростанции мощностью 2,5 ГВт, расположенный в море Запад-Юг. Кроме того, специально назначенная целевая группа опубликовала генеральный план с указанием трех этапов дальнейшей разработки на шельфе. На первом этапе восемь отечественных производителей должны поставить в общей сложности 15 опытных образцов турбины общей мощностью 80 МВт на испытательный стенд для испытаний и сертификации, которые должны быть завершены к 2014 году; второй этап будет состоять из демонстрационного проекта мощностью 400 МВт, запланированного к 2016 году; и окончательный проект мощностью 2000 МВт будет объявлен с 2017 по 2017 год и будет открыт для всех участников.
Однако теперь корейское правительство ускоряет процесс и объявило, что строительство испытательного стенда мощностью 100 МВт в округе Йонгванг в провинции Южная Чолла будет завершено в июне следующего года, на год раньше, чем было запланировано. Существующие испытательные стенды в Ким-Ньон на острове Чеджу будут расширены, чтобы позволить испытательный запуск турбин мощностью 5-7 МВт. Правительство Кореи планирует также расширить испытательные стенды в Кимнёне для испытания двух турбин мощностью 7 МВт. Среднесрочная и долгосрочная дорожная карта развития морской ветроэнергетики планируется выпустить в первой половине 2013 года.
Сегодня основной проблемой для оффшорных ветров является дальнейшее снижение затрат. Выбор участков в более глубоких водах, вдали от берега, с более сложными условиями дна и более высокими волнами, - все это способствовало увеличению затрат быстрее, чем усовершенствования технологии смогли снизить их. Затраты на строительство, меры по защите оборудования и внешних поверхностей от солевого тумана, электрические кабели и подключение к сети также более дороги, в то время как более высокие скорости ветра требуют использования более надежных ветряных турбин. Потребность в подходящих судах также увеличивает эксплуатационные и эксплуатационные расходы.
С технологической точки зрения, снижение затрат продолжает достигаться, и это является одной из главных причин уверенности в отношении ветра в море. Стоимость энергии от ветра с берега существенно снизится, когда начнется массовое развертывание морских ветрогенераторов следующего поколения.
Ветряная энергия способна в сравнительно недолгий срок значительно сократить зависимость мировой экономики от нефти, газа, урана и других видов ископаемого топлива, а также существенно снизить выброс в атмосферу парниковых газов, которые губительно сказываются на климате нашей планеты. По данным NREL, выработка 1 МВт ветряной энергии предотвращает выброс приблизительно 2 600 тонн углекислого газа.
Ветроэнергетика России отсчитывает свою историю с 1920-х годов, когда ЦАГИ разработал первые ветроэлектрические станции и ветряки для сельского хозяйства. Мощность подобного «крестьянского ветряка» варьировалась от 3 л. с., 8 л. с. до 45 л. с., установка могла освещать 150—200 дворов или приводить в действие мельницу [1].
В 1931 году в Курске была построена ветроэлектростанция Уфимцева, первая в мире ветроэлектрическая станция с инерционным аккумулятором, она является объектом культурного наследия федерального значения. В том же году в Балаклаве вошла в строй ветроэлектростанция мощностью 100 киловатт, на тот момент самая мощная в мире, разрушена в 1941 году во время боёв Великой Отечественной войны [2].
В настоящее время ветроэнергетика используется преимущественно в сельской местности с малой плотностью населения, где доступ к основным источникам энергии ограничен. На 1 января 2018 года суммарная мощность ветроэлектростанций в стране составляла 134,36 МВт или всего 0,06 % от установленной мощности электростанций энергосистемы.
Большая часть ветровых зон России — это степи на юге России (Нижняя и Средняя Волга, Дон), морские побережья (побережье Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, побережья Каспийского, Чёрного, Азовского, Балтийского и Охотского морей) и некоторые отдельные ветровые зоны (Карелия, Алтай, Тува, Байкал). Максимальная средняя скорость ветра приходится в этих районах на осень и зиму [3].
Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % — в Северном экономическом районе, около 16 % — в Западной и Восточной Сибири (при этом, плотность населения во многих ветровых зонах не превышает 1 чел. на 2 км²[4]). Технический потенциал ветроэнергетики России составляет 80 000 ТВтч/год, из которых экономически выгодными являются 6218 ТВтч/год [5].
Суммарная мощность проектов ветроэлектростанций в России насчитывает 1700 МВт. К концу 2010 года реальная мощность из них составляла не более 17 МВт. Ассоциация ветроиндустрии России предсказывает, что в случае достижения доли возобновляемой энергетики в 4,5 % к 2020 году - мощность ветряных электростанций будет составлять 7 ГВт[6]. В 2010 году было объявлено о начале ряда проектов, в том числе о возведении ВЭС в Ейске с мощностью от 50 до 100 МВт, и о начале переговоров Siemens с российскими предпринимателями о строительстве ветряных электростанций [7]. Однако к 2015 году вместо планируемой мощности 1250 МВт [6] она составила всего 15,4 МВт [8].
Крупнейшая — Адыгейская ВЭС.
Самые крупный парк ветроэлектростанций России находятся в Крыму — это Донузлавская (18,7 МВт), Останинская («Водэнергоремналадка», 26 МВт), Тарханкутская (15,9 МВт) и Восточно-Крымская (рисунок 1); в общей сложности они располагают 522 ветроагрегатами мощностью 59 МВт.
Рисунок 1 - Ветряная электростанция «Мирное», Крым
Строятся:
- Кочубейская ВЭС (Кочубеевский район).
Разрабатываются проекты следующих станций:
- Азовская ВЭС (90 МВт);
- Ленинградская ВЭС (Ленинградская область, 75 МВт);
- Калининградская морская ВЭС (50 МВт);
- Морская ВЭС (Карелия, 30 МВт);
- Приморская ВЭС (Приморский край, 30 МВт);
- Магаданская ВЭС (Магаданская область, 30 МВт);
- Чуйская ВЭС (Республика Алтай, 24 МВт);
- Усть-Камчатская ВДЭС (Камчатская область, 16 МВт);
- Новиковская ВДЭС (Республика Коми, 10 МВт);
- Дагестанская ВЭС (Дагестан, 6 МВт);
- Анапская ВЭС (Краснодарский край, 5 МВт);
- Новороссийская ВЭС (Краснодарский край, 5 МВт);
- Валаамская ВЭС (Карелия, 4 МВт).
В 2003—2005 гг. в рамках РАО ЕЭС были проведены эксперименты по созданию комплексов на базе ветрогенераторов и двигателей внутреннего сгорания, по программе в посёлке Тикси установлен один агрегат. Все проекты начатые в РАО, связанные с ветроэнергетикой переданы компании РусГидро. В конце 2008 года РусГидро начала поиск перспективных площадок для строительства ветряных электростанций [7]. Также предпринимались попытки серийного выпуска ветроэнергетических установок для индивидуальных потребителей, например водоподъёмный агрегат «Ромашка». В последние годы увеличение мощностей происходит в основном за счет маломощных индивидуальных энергосистем, объём реализации которых составляет 250 ветроэнергетических установок (мощностью от 1 кВт до 5 кВт) [8].
Технологии ветряной энергетики
Ветровые турбины работают по простому принципу: вместо того, чтобы использовать электричество для производства ветра - как вентилятор - ветряные турбины используют ветер для производства электроэнергии. Ветер вращает лопасти турбины, похожие на пропеллер, вокруг ротора, который вращает генератор, который создает электричество (рисунок 2).
Рисунок 2 – Работа ветряной турбины
Ветер - это форма солнечной энергии, вызванная сочетанием трех одновременных событий:
1. Солнце неравномерно нагревает атмосферу
2. Неровности земной поверхности
3. Вращение Земли.
Схемы и скорости ветрового потока сильно различаются по всему миру и зависят от водоемов, растительности и различий в местности. Люди используют этот поток ветра, или энергию движения, для многих целей: плавания, полета воздушного змея и даже генерации электричества.
Термины «энергия ветра» и «энергия ветра» оба описывают процесс, посредством которого ветер используется для выработки механической энергии или электричества. Эта механическая энергия может использоваться для определенных задач (таких как измельчение зерна или перекачка воды), или генератор может преобразовать эту механическую энергию в электричество.
Ветровая турбина превращает энергию ветра в электричество, используя аэродинамическую силу от лопастей винта, которые работают как крыло самолета или лопасти винта вертолета. Когда ветер проходит через лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха на обеих сторонах лопасти создает подъем и сопротивление. Сила подъема сильнее, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться. Ротор подключается к генератору либо напрямую (если это турбина с прямым приводом), либо через вал и ряд зубчатых колес (редуктора), которые ускоряют вращение и позволяют получить физически меньший генератор. Этот перевод аэродинамической силы на вращение генератора создает электричество.
При построении ветряной электростанции основные расходы идут на закупку оборудования и установку турбинных генераторов, после этого операционные затраты на поддержание ее работы минимальны. Ветряная турбина может работать при скорости ветра примерно в диапазоне 13-90 км/ч. Шум, производимый ветряным генератором, соответствует нормам ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения) для жилых зон [12].
Ветряные станции могут быть построены как на земле (наземные, onshore), так и на небольшой глубине в шельфовой зоне морей (прибрежные или шельфовые, offshore), где часто дуют достаточно сильные ветра. Помимо стандартных оффшорных ветряных турбин с жестким, вкопанным в морское дно, основанием, идет разработка нового типа прибрежных ветряных турбин, размещенных на плавучих платформах, крепящихся к дну якорными тросами. [10].
Современные ветряные турбины делятся на две основные группы:
1. Турбины с горизонтальной осью.
Ветровые турбины с горизонтальной осью (рисунок 3)- это то, что многие люди представляют, думая о ветровых турбинах. Чаще всего они имеют три лопасти и работают «против ветра», при этом турбина поворачивается вверху башни, так что лопасти смотрят на ветер.
Рисунок 3 – Турбина с горизонтальной осью
2. Турбины с вертикальной осью
Ветровые турбины с вертикальной осью (рисунок 4) выпускаются в нескольких вариантах, в том числе модель Дарриуса, названной в честь ее французского изобретателя. Эти турбины являются всенаправленными, то есть их не нужно настраивать, чтобы они указывали на ветер для работы.
Рисунок 4 – Турбина с вертикальной осью
Ветровые турбины могут быть построены на суше или на море в больших водоемах, таких как океаны и озера.
Рассмотрим виды ветровых турбин.
Ветровые турбины общего назначения (рисунок 5).
Ветровые турбины промышленного масштаба варьируются от 100 киловатт до нескольких мегаватт. Более крупные ветряные турбины более экономичны и сгруппированы в ветряные установки, которые обеспечивают большую мощность для электрической сети.
Рисунок 5 – Ветровая турбина общего назначения
Оффшорные ветряные турбины (рисунок 6).
Оффшорные ветряные турбины имеют тенденцию быть массивными и выше, чем Статуя Свободы. Они не сталкиваются с такими же проблемами при транспортировке наземных ветряных установок, поскольку крупные компоненты можно перевозить на судах, а не на дорогах. Эти турбины способны улавливать мощные океанские ветры и генерировать огромное количество энергии.
Рисунок 6 – Оффшорные ветряные турбины
Одиночные маленькие турбины (рисунок 7).
Отдельные небольшие турбины - мощностью менее 100 киловатт - обычно используются для жилых, сельскохозяйственных и небольших коммерческих и промышленных применений. Небольшие турбины могут использоваться в гибридных энергетических системах с другими распределенными энергетическими ресурсами, такими как микросети, работающие на дизельных генераторах, аккумуляторах и фотоэлектрических устройствах. Эти системы называются гибридными ветровыми системами и обычно используются в удаленных местах вне сети (где соединение с коммунальной сетью отсутствует) и становятся все более распространенными в приложениях, подключенных к сети, для обеспечения устойчивости.
Рисунок 7 - Одиночная турбина
Когда ветряные турбины любого размера устанавливаются на стороне потребителя электрического счетчика или устанавливаются в месте, где будет использоваться энергия, которую они производят, или рядом с ней, они называются «распределенным ветром» [11].
В 2018 году большую часть ветроэнергетического оборудования (57%) произвели четыре лидирующие на рынке компании — датская Vestas, китайская Goldwind, американская GE Renewable Energy и испанская Siemens Gamesa [13].
Не прекращаются попытки усовершенствовать идею получения энергии из силы ветра и максимально снизить стоимость производства возобновляемой энергии. Над этим работает множество изобретателей и стартапов по всему миру.
Нидерландская Ampyx Power предлагает постепенный переход от строительства ветряных турбин к системам второго поколения ветряной энергетики — «воздушной ветряной энергетики» (Airborne Wind Energy System — AWES), состоящим из дрона, привязанного с генератору электричества на земле. Английская Kite Power Systems предлагает извлекать энергию ветра из воздушных систем на основе кайта, аналогичную систему разрабатывает и тестирует проект Google X Makan [13].
За последние два десятилетия мировое развитие ветроэнергетики быстро росло. Значительный рост использования энергии ветра обусловлен рядом факторов, в том числе впечатляющим совершенствованием технологии ветряных турбин, растущей озабоченностью по поводу окружающей среды, особенно изменением климата, снижением затрат и заинтересованностью в снижении зависимости от невозобновляемых источников энергии. В последние несколько лет на глобальных рынках ветроэнергетики доминировали три основных рынка: страны Европы, Северная Америка и Азия. На эти три рынка приходилось 86% от общей установленной мощности на конец 2019 года. Хотя стоимость в разных странах разная, тенденция везде одинаковая, поэтому энергия ветра становится все более экономичной и конкурентоспособной. Из-за преимуществ, которые имеет энергетика ветра, это хороший альтернативный источник энергии для распределенной сети.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 93; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!