La energía eólica es una fuente de energía renovable y limpia. En los últimos 30 años se han logrado importantes avances a nivel internacional en la investigación teórica y aplicada sobre el aprovechamiento de la energía eólica. La tecnología de generación de energía eólica mejora día a día. La potencia nominal máxima de una turbina eólica conectada a la red ha alcanzado los 5 MW y el diámetro del impulsor ha alcanzado los 126 m. En 2005, la capacidad instalada mundial alcanzó los 58.982 MW y la generación de energía eólica representa el 1% de la electricidad mundial. China se ha convertido en uno de los principales promotores del desarrollo de la industria de la energía eólica en Asia. Su capacidad instalada total ocupa el octavo lugar en el mundo, y su capacidad recién instalada en 2005 ocupa el sexto lugar en el mundo. En el futuro, la velocidad de desarrollo de la tecnología y la industria de la energía eólica en el país y en el extranjero se acelerará significativamente.
El viento es uno de los fenómenos naturales más comunes. Es el "flujo de aire" causado por el calentamiento desigual de la superficie terrestre por el sol. La energía cinética del aire que fluye se llama energía eólica. Por tanto, la energía eólica es una forma amplia de energía solar. Según un análisis de la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y el Instituto de Ciencias Meteorológicas de la Administración Meteorológica de China, los recursos de energía eólica disponibles en la Tierra son 20 mil millones de kW, que es 20 veces la energía hidráulica disponible en la Tierra. La energía eólica disponible a una altura de 10 m en tierra en China es de 253 millones de kW. La energía eólica disponible en el mar es tres veces mayor que en la tierra. La energía eólica disponible a una altura de 50 m es el doble que a una altura de 10 m. Los recursos energéticos son muy abundantes.
La energía eólica es una de las fuentes de energía renovables con tecnología relativamente madura y perspectivas prometedoras de desarrollo y utilización. Los métodos de utilización de la energía eólica incluyen no sólo la generación de energía eólica y el levantamiento de agua por el viento, sino también el calentamiento por viento y la navegación a vela. Por lo tanto, el desarrollo y utilización de la energía eólica ejerce una gran fascinación entre los trabajadores científicos y tecnológicos de todo el mundo, lo que ha despertado a muchos científicos de todo el mundo a dedicarse a la investigación sobre la utilización de la energía eólica. En este artículo se analizará el estado actual y las tendencias de desarrollo de la tecnología de energía eólica en el país y en el extranjero.
Conocimientos básicos de la generación de energía eólica Editar este párrafo 1 Fórmula de cálculo de la energía eólica
El movimiento del aire tiene energía cinética. La energía eólica se refiere a la energía cinética que posee el viento. Si el área de la sección transversal del impulsor de la turbina eólica es A, entonces cuando el viento con velocidad V fluye a través del impulsor, la energía eólica transferida al impulsor por el viento por unidad de tiempo
( 1) Entre ellos: caudal másico por unidad de tiempo m=ρAV (2) En la práctica, (3) En la fórmula:
PW: la energía eólica del aire que fluye a través del área de la sección transversal de el impulsor de la turbina eólica por segundo, es decir, potencia de energía eólica, W;
Cp -El coeficiente de utilización de la energía eólica del impulsor;
hm-la eficiencia mecánica de la caja de cambios y sistema de transmisión, generalmente 0,80-0,95, y 1,0 para turbinas eólicas de accionamiento directo;
generación de energía Eficiencia de la máquina, generalmente 0,70-0,98;
densidad del aire, kg /m3;
A-área barrida por el impulsor del aerogenerador en una revolución, m2;
p>
V-velocidad del viento, m/s.
2 Teoría de Betz
La primera teoría completa sobre las turbinas eólicas fue establecida en 1926 por A. Betz del Instituto de Göttingen en Alemania.
Bates supuso que la rueda de viento era ideal, es decir, no había cubo, el número de palas era infinito y no había resistencia al flujo de aire a través de la rueda. Entonces este es un convertidor de energía pura. Además, se supone además que el flujo de aire es uniforme en toda la superficie barrida del rotor, y que la dirección de la velocidad del flujo de aire es a lo largo del eje del rotor, ya sea delante, detrás o a través del rotor.
Analizando una rueda de viento "ideal" colocada en el aire en movimiento, se concluye que la potencia máxima que la rueda de viento puede producir es
(4) En la fórmula: Pmax -la potencia de la rueda eólica La potencia máxima que se puede generar;
-Densidad del aire, kg/m3;
A-El área barrida por el impulsor de la turbina eólica en una revolución , m2;
V-velocidad del viento, m/s.
Esta expresión se llama fórmula de Bates. Se supone que la velocidad del viento es consistente con la dirección del eje del rotor y es uniforme en toda la superficie barrida del rotor.
Dividir la ecuación (4) por la energía cinética del viento cuando el flujo de aire pasa a través de la superficie barrida A se puede utilizar para derivar la eficiencia máxima teórica de la turbina eólica.
El Betz valor límite teórico.
Muestra que la energía que las turbinas eólicas pueden extraer del viento natural es limitada, y parte de su pérdida de potencia puede explicarse como la energía cinética rotacional que queda en la estela.
La conversión de energía conducirá a una disminución de la potencia, que varía según el tipo de aerogenerador y generador utilizado. Por lo tanto, el coeficiente de utilización de energía eólica real del aerogenerador Cplt es de 0,593[3].
3 Temperatura, presión atmosférica y densidad del aire
Pruebe la temperatura ambiente y la presión atmosférica del lugar experimental con un termómetro y un barómetro, y calcule la densidad del aire según la siguiente fórmula.
En la fórmula: ρ-densidad del aire, kg/m3;
h-presión atmosférica local, Pa;
t-temperatura, ℃.
Se puede ver en la fórmula de la densidad del aire que el tamaño de la densidad del aire está relacionado con la presión y la temperatura atmosféricas.
4 Los principales componentes de los aerogeneradores
1) Pequeños aerogeneradores
Los principales componentes de los pequeños aerogeneradores de eje horizontal son: rueda eólica, generador, torre bastidor, mecanismo de dirección, sistema de almacenamiento de energía, inversor, etc.
(1) Rueda de viento
La rueda de viento es el componente del aerogenerador que absorbe la energía del viento. Su función es convertir la energía cinética del flujo de aire en energía. Energía mecánica de la rotación de la rueda de viento. El rotor eólico de un aerogenerador de eje horizontal está compuesto por de 1 a 3 palas. La estructura de las palas es diversa, y los materiales dependen del modelo y potencia del aerogenerador, como palas de fibra de vidrio recubiertas de núcleo de madera, palas de resina plástica reforzada con fibra de vidrio, etc.
(2) Generador
En las turbinas eólicas, se han utilizado tres tipos de generadores, a saber, generadores de CC, alternadores síncronos y alternadores asíncronos. Las turbinas eólicas pequeñas utilizan principalmente un alternador síncrono o asíncrono, y la corriente alterna generada se convierte en corriente continua a través de un dispositivo rectificador.
(3) Torre
La torre se utiliza para soportar generadores y mecanismos de dirección. Dado que la velocidad del viento aumenta con la altura desde el suelo, cuanto más alta sea la torre, más energía eólica podrá capturar la turbina por unidad de área, pero el costo y la tarifa de instalación también aumentarán.
(4) Mecanismo de ajuste direccional
Las turbinas eólicas de eje vertical pueden aceptar el viento que sopla desde cualquier dirección, por lo que no hay necesidad de un mecanismo de ajuste de dirección. Para las turbinas eólicas de eje horizontal, para obtener la mayor eficiencia de utilización de la energía eólica, la superficie giratoria del rotor eólico siempre debe estar alineada con la dirección del viento y se requiere un dispositivo orientado al viento. Los mecanismos de dirección comúnmente utilizados incluyen principalmente el timón de cola, el volante y el dispositivo eléctrico de control del viento.
(5) Mecanismo limitador de velocidad
Cuando la velocidad del viento es mayor que la velocidad del viento de diseño de la turbina eólica, para evitar daños en las palas, la velocidad de la rueda de viento necesita para ser controlado.
(6) Dispositivo de almacenamiento de energía
El dispositivo de almacenamiento de energía es muy importante para pequeñas turbinas eólicas que funcionan de forma independiente. Sus métodos de almacenamiento de energía incluyen el almacenamiento de energía térmica y el almacenamiento de energía química.
(7) Inversor
Se utiliza para convertir energía CC en energía CA para cumplir con los requisitos de energía de los equipos eléctricos de CA.
2) Grandes aerogeneradores
Los aerogeneradores de gran escala se componen de dos partes: parte mecánica aerodinámica y parte eléctrica. La parte de la maquinaria neumática incluye una rueda eólica, un eje de baja velocidad, una caja de cambios que aumenta la velocidad y un eje de alta velocidad. Su función es impulsar el rotor del generador y convertir la energía eólica en energía mecánica. La parte eléctrica incluye generadores asíncronos, convertidores de frecuencia electrónicos de potencia, transformadores y redes eléctricas. Su función es convertir la energía mecánica en energía eléctrica con frecuencia constante. En los últimos años se han desarrollado con éxito aerogeneradores de frecuencia constante, velocidad variable y accionamiento directo (sin caja de cambios que aumenta la velocidad).
Turbinas eólicas y tecnología de generación de energía eólica Editar este párrafo 1 La historia del desarrollo de las turbinas eólicas y la tecnología de generación de energía eólica
La energía eólica es una de las primeras fuentes de energía utilizadas por los humanos. Ya en el año 2000 a. C., aparecieron barcos de vela y molinos de viento en Egipto, Persia y otros países. En la Edad Media, los Países Bajos y los Estados Unidos tenían molinos de viento de eje horizontal para drenaje y riego. Nuestro país es uno de los primeros países del mundo en utilizar la energía eólica. Ya hace 1.800 años, nuestro país tiene registros de que la energía eólica levanta agua. En 1890, P. LaCour de Dinamarca desarrolló con éxito una turbina eólica. En 1908, se habían construido cientos de pequeñas centrales eléctricas en Dinamarca. Desde principios del siglo XX hasta finales de los años 1960, el desarrollo de los recursos de energía eólica en algunos países todavía se encontraba en la etapa de utilización a pequeña escala.
Con la adopción de grandes unidades de energía hidroeléctrica y térmica y el desarrollo de sistemas de energía, las turbinas eólicas medianas y grandes desarrolladas antes de 1970 fueron eliminadas gradualmente debido a su alto costo y poca confiabilidad hacia finales de la década de 1960. Al final de la década, todos dejaron de funcionar. La investigación experimental en esta etapa muestra que estas unidades medianas y grandes son generalmente técnicamente viables, lo que sentó las bases para un gran desarrollo a finales de los años setenta.
Desde 1980, la tecnología de turbinas eólicas se ha comercializado cada vez más a nivel internacional. Las capacidades de las unidades principales son 300kW, 600kW, 750kW, 850kW, 1MW y 2MW. En 1991, Dinamarca construyó el primer parque eólico marino del mundo en Vindeby, que constaba de 11 unidades danesas Bonus de 450 kW con una capacidad instalada total de 4,95 MW. Posteriormente, los Países Bajos, Suecia y el Reino Unido construyeron sucesivamente sus propios parques eólicos marinos.
En la actualidad, entre los fabricantes que tienen capacidades de producción comercial de equipos de energía eólica marina se encuentran la danesa Vestas (incluida NEG-Micon, que está integrada por ella), la estadounidense GE Wind Energy y la alemana Nordex, Repower. y Pfleiderer /Prokon, Bonus y la famosa empresa alemana Enercon. La cobertura de potencia nominal de una sola unidad varía de 2 MW, 2,3 MW, 3,6 MW, 4,2 MW, 4,5 MW a 5 MW. Los diámetros de los impulsores varían de 80 m, 82,4 m, 100 m, 110 m, 114 m, 116 m y 126 m.
2 Tipos de aerogeneradores
Los aerogeneradores son dispositivos que convierten la energía eólica en energía eléctrica Dado que existen muchos tipos de aerogeneradores, también existen muchos métodos de clasificación. Según el número de palas, se dividen en palas simples, palas dobles, tres palas, cuatro palas y palas múltiples según la posición relativa del eje principal y el suelo, se dividen en eje horizontal y eje vertical (vertical); eje) tipos; según el principio de funcionamiento de las palas, se dividen en tipo de elevación y tipo de resistencia. En la actualidad, la mayoría de los aerogeneradores son del tipo de tres palas de eje horizontal.
Para aerogeneradores de eje horizontal, el eje de rotación de la rueda de viento es paralelo a la dirección del viento; para aerogeneradores de eje vertical, el eje de rotación de la rueda de viento es perpendicular al suelo o a la dirección. del flujo de aire.
La situación actual de la generación de energía eólica en el país y en el extranjero Editar este párrafo 1 La situación actual de la generación de energía eólica en el mundo
En la actualidad se han conectado aerogeneradores medianos y grandes a la red terrestre y marina en más de 40 países del mundo. En funcionamiento, continúa la tendencia de mayor tasa de crecimiento de la energía eólica que otras fuentes de energía. Como se muestra en la Tabla 1, al 31 de diciembre de 2005, la capacidad instalada mundial alcanzó los 58.982 MW, la capacidad instalada anual es 11.310 MW y la tasa de crecimiento es 24. La generación de energía eólica representa el 1% de la electricidad mundial y; algunos países y regiones han llegado a 20 o más. Los diez países con la mayor capacidad acumulada de energía eólica instalada en el mundo en 2005 se muestran en la Tabla 2. Los diez países principales totalizaron 51.750,9 MW, lo que representa aproximadamente el 87,7% de la capacidad instalada total del mundo.
En 2005, el proceso de diversificación de la distribución de la cuota de mercado internacional de la energía eólica mostró una tendencia de desarrollo continuo: 11 países tienen una capacidad instalada de más de 1.000 MW, incluidos 7 países europeos (Alemania, España, Italia, Dinamarca, Reino Unido, Países Bajos, Portugal), 3 países asiáticos (India, China, Japón) y Estados Unidos. Asia se está convirtiendo en una nueva fuerza en el desarrollo de la energía eólica mundial, con una tasa de crecimiento del 48%.
En 2002, la Asociación Europea de Energía Eólica (EWEA) y Greenpeace Internacional publicaron un informe titulado "Wind Force 12 (Wind Force 12)", que describe el potencial de la energía eólica para alcanzar el nivel de electricidad mundial en 2020. 12 planos. El informe afirma que este documento no es un pronóstico, sino más bien una comparación de los recursos mundiales de energía eólica, el crecimiento de la demanda mundial de electricidad y la capacidad de la red, las tendencias del mercado de energía eólica y las tasas de crecimiento potenciales, comparaciones con la historia del desarrollo de otras tecnologías de fuentes de energía como la energía nuclear y las grandes centrales hidroeléctricas, y la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero como el CO2 demuestran la posibilidad de que la energía eólica alcance el 12% de la electricidad mundial. El informe también señala que la capacidad instalada de energía eólica de China podría alcanzar los 170 millones de kilovatios en 2020.
2 La situación actual de la generación eólica doméstica
Según estimaciones de la Academia Nacional de Ciencias Meteorológicas, la cantidad teórica desarrollable de energía eólica a una altura de 10 metros en tierra en mi país tiene 3.200 millones de kW y la cantidad real explotable es 3.200 millones de kW 253 millones de kW. La cantidad de energía eólica marina que se puede desarrollar es tres veces mayor que la de las reservas de energía eólica terrestre.
La cantidad real urbanizable en Mongolia Interior es de 061,8 millones de kW
La cantidad real urbanizable en el Tíbet es de 040,8 millones de kW
La cantidad real urbanizable en Xinjiang es de 034,3 millones de kW
La capacidad desarrollable real de Qinghai es de 24,2 millones de kW
La capacidad desarrollable real de Heilongjiang es de 017,2 millones de kW
En 2005, excluyendo la provincia de Taiwán, China añadió 592 unidades de turbinas eólicas con una capacidad instalada de 503.000 kW. En comparación con la nueva capacidad instalada de 198.000 kW en 2004, la tasa de crecimiento de la nueva capacidad instalada en 2005 fue de 254.
A finales de 2005, China, excluyendo la provincia de Taiwán, tenía un total de 1.864 unidades de turbinas eólicas, una capacidad instalada de 1.266 millones de kW y 62 parques eólicos. Distribuidos en 15 provincias (ciudades, regiones autónomas y regiones administrativas especiales), están ordenados por capacidad instalada como se muestra en el Cuadro 3. En comparación con la capacidad instalada acumulada de 764.000 kW en 2004, la tasa de crecimiento de la capacidad instalada acumulada en 2005 fue del 65,6. En 2005, la cantidad de electricidad eólica conectada a la red fue de aproximadamente 1.530 millones de kW.h [9].
El importante proyecto del Plan Nacional de Apoyo a la Ciencia y la Tecnología "Undécimo Plan Quinquenal" de China, "Desarrollo y demostración de turbinas eólicas de alta potencia", respalda el desarrollo de 1,5 ~ 2,5 MW y más de 2,5 MW de velocidad variable doblemente alimentada. 1.5~ El desarrollo y la industrialización de turbinas eólicas de frecuencia constante y velocidad variable de accionamiento directo de 2,5 MW y superiores; el desarrollo y la industrialización de palas, cajas de engranajes, generadores de doble alimentación y generadores de imanes permanentes de accionamiento directo; de turbinas eólicas de más de 1,5 MW; turbinas eólicas de doble velocidad de más de 1,5 MW Desarrollo e industrialización de sistemas de control y convertidores de turbinas eólicas alimentadas, sistemas de control de turbinas eólicas de accionamiento directo y convertidores, investigación sobre tecnologías clave para el desarrollo de parques eólicos marinos; de equipos especiales para la instalación y mantenimiento de turbinas eólicas marinas. Investigación sobre 16 temas, incluida la formulación de normas relacionadas con las unidades y el análisis del desarrollo de la tecnología de energía eólica. Al final del "Undécimo Plan Quinquenal", las capacidades independientes de investigación y desarrollo de mi país en tecnología de energía eólica estarán cerca del nivel líder mundial.
3 Pequeños aerogeneradores
La situación actual de la pequeña industria eólica
Como uno de los principales pilares de la energía renovable rural, la pequeña industria eólica recibido Con un rápido desarrollo, hay 70 unidades dedicadas al desarrollo, investigación y producción de la pequeña industria de energía eólica. Según el informe estadístico de 23 empresas manufactureras, en 2005 *** produjo 33.253 unidades de pequeñas turbinas eólicas de funcionamiento independiente de menos de 30 kW, un aumento del 34,4% respecto al año anterior, de las cuales *** produjo 24.000 unidades de 200 W, 300 W y 123 unidades de 500W, que representan el 72,5% de la producción anual total; 15 unidades exportaron 5.884 unidades de turbinas eólicas pequeñas, un aumento del 40,7% respecto al año anterior, ganando 2.827 millones de dólares estadounidenses en divisas, exportadas principalmente a 24 países y regiones. incluyendo Filipinas y Vietnam. Además, debido al aumento vertiginoso de los precios de la gasolina, el diésel y el queroseno y la falta de canales de suministro fluidos, los usuarios de generadores diésel en zonas del interior, ríos y lagos, barcos pesqueros, puestos fronterizos, tropas, estaciones meteorológicas y estaciones de microondas han ido gradualmente cambiado a turbinas eólicas o generadores híbridos eólicos y solares.
Tendencia de desarrollo de la industria de pequeñas turbinas eólicas
1) Debido a la mejora del nivel de vida de los agricultores y pastores y al continuo aumento del consumo de electricidad, continúa la potencia única de las pequeñas turbinas eólicas. para aumentar, 50W Las unidades ya no están en producción. La producción de las unidades de 100W y 150W disminuye año tras año, mientras que la producción de las unidades de 200W, 300W, 500W y 1kW aumenta año tras año, representando el 80% del total. producción anual.
2) Dado que la mayoría de los agricultores están ansiosos por utilizar la electricidad de forma ininterrumpida, la promoción y aplicación de "sistemas de generación de energía híbridos eólicos y solares" se ha acelerado significativamente, y el desarrollo de múltiples unidades se ha convertido en el desarrollo. dirección en el futuro.
3) Con la formulación de la "Ley de Energías Renovables" nacional y el "Catálogo de Orientación para la Industria de Energías Renovables", se introducirán una variedad de medidas de apoyo y políticas de apoyo fiscal preferencial, que seguramente mejorarán la producción. Las empresas producen entusiasmo y promueven el desarrollo industrial.
4) En la actualidad, todavía hay 28.000 aldeas, 7 millones de hogares y 28 millones de personas en nuestro país que no tienen acceso a la electricidad y se encuentran dispersas en zonas montañosas remotas, zonas agrícolas y pastorales. y es difícil llegar a la red eléctrica convencional. Los expertos analizan que entre los 7 millones de hogares sin electricidad, 3 millones de hogares pueden utilizar la microcentral hidroeléctrica para resolver sus necesidades eléctricas, mientras que 4 millones de hogares pueden utilizar la pequeña generación de energía eólica o eólica. generación de energía híbrida para satisfacer las necesidades eléctricas de agricultores y pastores.
Turbina eólica de energía eólica concentrada
La turbina eólica de energía eólica concentrada fue desarrollada por el Instituto de Investigación de Nuevas Tecnologías Energéticas de la Universidad Agrícola de Mongolia Interior y ha obtenido una patente de modelo de utilidad china (número de patente : ZL94244155.9 ). Este tipo de turbina eólica acelera, rectifica y homogeneiza la energía eólica fina a través del dispositivo de energía eólica concentrada e impulsa el impulsor para que gire para generar electricidad, aumentando así la densidad del flujo de energía de la energía eólica, reduciendo la turbulencia del viento natural y mejorando la inestabilidad de la energía eólica y otras debilidades. Mejorar la calidad de la energía eólica y reducir el costo de la energía eólica. La turbina eólica tiene las características de baja velocidad del viento, gran generación de energía, bajo nivel de ruido, alta seguridad, larga vida útil y bajo costo de electricidad.
Los aerogeneradores de energía eólica concentrada pueden funcionar de forma independiente, funcionar con energía eólica y solar complementaria, funcionar con redes de múltiples máquinas e integrarse en una red eléctrica de bajo voltaje. La serie de productos desarrollados actualmente incluye unidades de 200W, 300W, 600W, 1kW, 2kW y otras. Después de que la turbina eólica de energía eólica concentrada se someta a pruebas piloto, se puede desarrollar en unidades de mediana y gran escala. La aplicación de esta nueva tecnología de energía eólica en China y el mundo mejorará efectivamente el nivel de suministro de energía y la calidad de los sistemas de energía eólica, utilizará de manera efectiva energía eólica de baja calidad, mejorará la competitividad de los productos de energía eólica y tendrá importantes beneficios económicos y ecológicos. .
Conclusión
En los próximos 20 años, la industria de la energía eólica será la de más rápido crecimiento a nivel internacional, y la tecnología de la energía eólica también entrará en un período dorado de rápido desarrollo en China; La tasa de crecimiento de la capacidad instalada de las turbinas eólicas conectadas a la red se acelerará significativamente, lo que atraerá la atención del mundo. Las turbinas eólicas fuera de la red tienen una amplia área de desarrollo y un gran potencial, y la capacidad instalada total eventualmente superará la de las conectadas a la red. turbinas eólicas.