Производство и передача эклектроэнергии на расстоянии

ign="justify">побережья Северного Ледовитого океана, где  она  особенно  необходима

мужественным  людям, обживающим эти богатейшие края. 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.

     По оценкам различных авторов,  общий ветроэнергетический потенциал  Земли

равен 1200 ГВт, однако возможности использования этого вида энергии в

различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте

20–30 м над  поверхностью Земли должна быть  достаточно большой, чтобы

мощность  воздушного  потока,  проходящего  через  надлежащим  образом

ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для

преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная  на площадке,

где среднегодовая  удельная мощность воздушного потока составляет около 500

Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом  равна 7  м/с),  может

преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2.

     Энергия, содержащаяся в потоке  движущегося воздуха, пропорциональна

кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть

использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент

полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен

59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ

энергии ветра  в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и

этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной

скорости, предусмотренной  проектом. Кроме того, часть энергии  воздушного

потока теряется при преобразовании механической энергии  в электрическую,

которое осуществляется с КПД обычно 75–95 %. Учитывая все  эти факторы,

удельная  электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим

агрегатом, видимо, составляет 30–40 % мощности воздушного потока при

условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей,

предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за

пределы расчетных  скоростей. Скорость ветра бывает настолько  низкой, что

ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой,  что

ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите  от

разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную  рабочую скорость,

часть извлекаемой  механической энергии ветра не используется, с тем чтобы

не превышать  номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти

факторы, удельная выработка электрической энергии  в течение года, видимо,

составляет 15–30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости  от

местоположения  и параметров ветроагрегата.

     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.  Аккумуляторная  батарея  автоматически  подключается  к

генератору  в тот момент, когда напряжение на его  выходных  клеммах

становится  больше, чем на клеммах  батареи,  и  также  автоматически

отключается при противоположном соотношении.

     В небольших масштабах ветроэлектрические  станции нашли применение

несколько десятилетий назад. Самая крупная  из них мощностью 1250 кВт давала

ток в сеть электроснабжения американского штата  Вермонт непрерывно с 1941

по 1945 г. Однако после поломки ротора опыт прервался – ротор не стали

ремонтировать, поскольку энергия от соседней  тепловой  электростанции

обходилась  дешевле. По экономическим причинам прекратилась эксплуатация

ветроэлектрических  станций и в европейских странах.

     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. Американец Генри

Клюз в  штате Мэн построил две мачты  и укрепил на них ветродвигатели с

генераторами. 20 аккумулятором по 6 В и 60 по 2 В служат ему в безветренную

погоду, а  в качестве резерва он имеет бензиновый движок. За месяц Клюз

получает  от своих ветроэлектрических агрегатов 250 кВт·ч энергии; этого ему

хватает для  освещения всего  хозяйства,  питания  бытовой  аппаратуры

(телевизора, проигрывателя, пылесоса, электрической  пишущей машинки), а

также для  водяного насоса и хорошо оборудованной  мастерской.

     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.

     Сейчас созданы самые  разнообразные   прототипы  ветроэлектрических

генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них

похожи на обычную детскую вертушку, другие – на велосипедное колесо с

алюминиевыми  лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или

же в виде мачты с системой подвешенных друг  над другом  круговых

ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя

или пятьюдесятью лопастями.

     В проектировании установки самая  трудная проблема состояла в  том, чтобы

при разной силе ветра обеспечить одинаковое число  оборотов пропеллера. Ведь

при подключении  к сети генератор должен давать не просто электрическую

энергию, а  только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е.

со стандартной  частотой 50 Гц. Поэтому угол наклона  лопастей по отношению к

ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном

ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает

им меньшую  часть своей энергии. Помимо регулирования  лопастей  весь

генератор автоматически поворачивается на мачте  против ветра.

     При использовании ветра возникает  серьезная проблема: избыток энергии  в

ветреную  погоду и недостаток ее в периоды  безветрия. Как же накапливать и

сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что

ветряное  колесо движет насос, который накачивает 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.

4. Передача  электроэнергии.

1. Возникновение проблемы передачи электроэнергии.

     Первые электрические станции  обычно представляли собой электрогенератор, присоединенный к паровой машине  или турбине, и предназначались  для снабжения электроэнергией отдельных объектов (например, цеха или дома, в крайнем случае, квартала). С середины 80-х годов стали строиться центральные городские электростанции, дававшие ток прежде всего для освещения. (Первая такая электростанция была построена в 1882 году в Нью-Йорке под руководством Эдисона.) Ток на них вырабатывался мощными паровыми машинами. Но уже к началу 90-х годов стало ясно, что таким образом энергетическую проблему не разрешить, поскольку мощность центральных станций, расположенных в центральной части города, не могла быть очень большой. Использовали они те же уголь и нефть, то есть не снимали проблемы доставки топлива.

     Дешевле и практичнее было возводить электростанции в местах с дешевыми топливными и гидроресурсами. Но, как правило, местности, где можно было в большом количестве получать дешевую электроэнергию, были удалены от промышленных центров и больших городов на десятки и сотни километров. Таким образом, возникла другая проблема — передачи электроэнергии на большие расстояния.

2. Причины потери электроэнергии при передаче.

     Первые опыты в этой области относятся к самому началу 70-х годов XIX века, когда пользовались в основном постоянным током. Они показали, что как только длина соединительного провода между генератором тока и потреблявшим этот ток двигателем превышала несколько сотен метров, ощущалось значительное снижение мощности в двигателе из-за больших потерь энергии в кабеле. Это явление легко объяснить, если вспомнить о тепловом действии тока. Проходя по кабелю, ток нагревает его. Эти потери тем больше, чем больше сопротивление провода и сила проходящего по нему тока. (Количество выделяющейся теплоты Q легко вычислить. Формула имеет вид: Q=R•I2, где I — сила проходящего тока, R — сопротивление кабеля. Очевидно, что сопротивление провода тем больше, чем больше его длина и чем меньше его сечение. Если в этой формуле принять I=P/U, где P — мощность линии, а U — напряжение тока, то формула примет вид Q=R•P2/U2. Отсюда видно, что потери на тепло будут тем меньше, чем больше напряжение тока.) Имелось только два пути для снижения потерь в линии электропередачи: либо увеличить сечение передающего провода, либо повысить напряжение тока. Однако увеличение сечения провода сильно удорожало его, ведь в качестве проводника тогда использовалась достаточно дорогая медь. Гораздо более выигрыша сулил второй путь.