TURINYS:
VĖJO ENERGIJA 2
KAIP BUVO PRADĖTA NAUDOTI VĖJO ENERGIJA? 2
VĖJO ENERGETINĖS CHARAKTERISTIKOS 3
VĖJO JĖGAINIŲ STATYBOS VIETA 5
VĖJO JĖGAINIŲ ĮRENGINIAI 6
VĖJO JĖGAINIŲ PANAUDOJIMO SRITYS 10
KIEK KAINUOJA VĖJO ENERGIJA 10
VĖJO JĖGAINIŲ POVEIKIS APLINKAI 10
VĖJO ELEKTRINIŲ PANAUDOJIMO LIETUVOJE GALIMYBĖS 13
ĮDOMŪS FAKTAI APIE VĖJO ENERGIJĄ 14
SAULĖS ENERGIJA 15
LIETUVOS SAULĖS ENERGIJOS IŠTEKLIAI 17
KLIŪTYS SAULĖS ENERGETIKOS KELYJE 18
SAULĖS ENERGIJOS PANAUDOJIMAS 21
ĮDOMŪS FAKTAI APIE SAULĖS ENERGIJĄ 22
LITERATŪRA: 23
VĖJO ENERGIJA
Vėjo energija, tai viena iš Saulės energijos formų. Saulei nevienodai
įšildžius Žemės paviršių ir ją gaubiantį oro sluoksnį, atsiranda oro masių
judėjimas, kitaip tariant kyla vėjas. Vėjų kinetinė energija Žemėje
apytiksliai sudaro 0,25 % Saulės energijos, pasiekiančios žemės paviršių
(apie 0,7×1021 J). Tačiau praktiniam naudojimui prieinamas arba vadinamasis
vėjo energijos techninis potencialas sudaro tik 1,5 % teorinių vėjo
energijos resursų. Realiai ekonomiškai apsimokantis potencialas sudaro tik
nedidelę techninio vėjo energijos potencialo dalį. Bet tai priklauso nuo
vėjo energetikos išvystymo lygio, kitų energijos rūšių kainų.
Lietuva nepasižymi pastoviais ir stipriais vėjais, tačiau panašios
geografinės sąlygos yra daugelyje Vakarų Europos šalių, kuriose
pastaruosius 10-15 metų vėjo energetika sparčiai vystoma. Tuo tarpu
Lietuvoje vėjo energija kol kas beveik nenaudojama. Nors, kad vėjo jėgainės
gali veikti ir pas mus, rodo kelių šimtų metų vėjo malūnų naudojimo
patirtis.
Reikia pastebėti, kad vėjo resursų įsisavinimas sparčiausiai vyksta
dažniausiai ne tose šalyse, kur geriausios vėjo sąlygos, bet tose, kur
šalių vyriausybės sudaro tinkamas sąlygas vėjo jėgainių statybai, priimdama
tam palankius įstatymus. Tai ypač ryšku Vokietijoje, kuri šiuo metu yra
neabejotina vėjo energetikos lyderė pasaulyje. Šioje šalyje veikia
įstatymai, skatinantys elektros energijos gamybą vėjo jėgainėse ir
suteikiantys 20 metų garantiją, kad pagaminta elektros energija bus
superkama palankiomis gamintojui kainomis.
KAIP BUVO PRADĖTA NAUDOTI VĖJO ENERGIJA?
Pirmiausiai vėjo energija buvo naudojama kaip varomoji jėga buriniuose
laivuose ir tik vėliau buvo sukurti mechanizmai – vėjo malūnai, kurie vėjo
energiją paversdavo mechaniniu darbu ir buvo naudojami grūdams malti ar
įvairioms darbo mašinoms sukti. Europoje pirmą kartą vėjo malūnas paminėtas
IX a. Vėliau, X a. buvo aprašyti Persijos malūnai su vertikaliąja sparnų
ašimi. Seniausi Europos vėjo malūnų atvaizdai yra išlikę iš XII a. Vėjo
malūnai Lietuvą pasiekė XIV a. per Baltiją – judrų prekybos kelią. Pirmieji
iš baltų su malūnais susipažino prie Baltijos jūros gyvenę senieji prūsai.
Čia buvo pradėti statyti pirmieji vėjo malūnai, su sparnais, nuolat
atsuktais į vyraujantį vėją. Vėliau iš tokių malūnų atsirado ir malūnai,
gręžiami į vėją visu liemeniu (stiebiniai). Tik nuo XVIII a. pradeda plisti
tobulesni, kepuriniai malūnai, kurių sparnus į vėją galima pasukti
viršutine dalimi – kepure. Daugiausiai vėjo malūnų Lietuvoje pradžioje buvo
pajūryje, vėliau jie plinta Vidurio Lietuvoje Šiaulių, Panevėžio, Joniškio,
Šakių, Vilkaviškio apskrityse. XIX a. jie sudarė 54 % visų malūnų (kiti 43%
– vandens ir 3 % garo malūnai). 1914 – 1921 metų kartografinės medžiagos
duomenimis, Lietuvoje buvo apie 900 vėjo malūnų, dažnai, kai kuriose
gyvenvietėse net po kelis.
VĖJO ENERGETINĖS CHARAKTERISTIKOS
Vėjo greitis. Svarbiausia vėjo, kaip energijos šaltinio charakteristika yra
jo greitis. Matuojamas vėjo greitis specialiais prietaisais, parodančiais
momentinį vėjo greitį arba vidutinį vėjo greitį per tam tikrą laiko tarpą.
Paprasčiausias prietaisas parodantis momentinį vėjo greitį ir kryptį yra
Vildo fliugeris (vėjarodis). Anksčiau tai buvo pagrindinis vėjo stiprumo
matavimo prietaisas. Tai stačiakampė metalinė lenta, pakabinta ant ašies ir
savo plokštuma nuolat atsukta į vėją. Pagal lentos atsilenkimo kampą
apytiksliai nustatomas vėjo greitis. Nors fliugeris yra paprastas ir pigus
prietaisas, bet dėl nepakankamo tikslumo mažai tinkamas vėjo energetinių
charakteristikų nustatymui. Tiksliam vėjo greičio matavimui naudojami
įvairių konstrukcijų anemometrai, kuriais gali būti nustatomas tiek
momentinis, tiek vidutinis vėjo greitis per tam tikrą laiką.
Tam, kad būtų galima spręsti apie vėjo energijos panaudojimo galimybes
konkrečioje vietovėje, daugelyje šalių, kur vystoma vėjo energetika,
sudaryti vėjo atlasai. Pateikiami vėjo atlasuose duomenys leidžia vėjo
jėgainių kūrėjams ir būsimiems savininkams tinkamai parinkti vėjo jėgainės
tipą, gana tiksliai apskaičiuoti galimą gauti energijos kiekį, pagrindinius
ekonominius parametrus. Lietuvos vėjo atlaso, analogiško užsienio šalių
vėjo atlasams nėra. Remiantis vėjo greičio matavimų Lietuvos
meteorologinėse stotyse duomenimis, Lietuvos energetikos institute
sudarytas tik apytikslis vėjo greičių pasiskirstymo žemėlapis (2.1 pav).
Vėjo greičio matavimai meteorologijos stotyse atliekami standartiniame
10 m
aukštyje nuo žemės paviršiaus, lygiais laiko tarpais (dažniausiai kas trys
valandos), po to apskaičiuojamas vidutinis greitis per matavimo laikotarpį,
susumuojant visas greičio reikšmes ir padalinant iš matavimų skaičiaus.
Pradinis vėjo greitis, kuriam esant vėjo jėgainės pradeda veikti,
dažniausiai būna 3,5 – 4,5 m/s. Vėjo greičiui pasiekus 25 m/s, dauguma vėjo
jėgainių stabdomos. Vėjo jėgainių konstrukciniai elementai skaičiuojami
apkrovoms, kurios kyla esant 60 m/s vėjo greičiui. Vėjo greitis, kuria
esant vėjo jėgainės pasiekia skaičiuojamąją vardinę galią, paprastai būna
apytiksliai lygus tos vietovės, kurioje statoma vėjo jėgainė dvigubam
vidutiniam metiniam vėjo greičiui, vėjaračio ašies aukštyje. Nedidelėms
vėjo jėgainėms vardinis vėjo greitis dažniausiai būna apie 8 – 10 m/s, o
didelėms, su aukštai iškeltais vėjaračiais – 12 –15 m/s.
[pic]2.1 pav. Vidutinis vėjo greitis ir vėjo energijos potencialas 10 m
aukštyje
Nemažą įtaką vėjo greičio dydžiui turi aukštis nuo žemės paviršiaus.
Paprastai vėjo greitis meteorologinėse stotyse matuojamas 10 m aukštyje nuo
žemės paviršiaus, tačiau vėjo jėgainių vėjaračiai gali būti įvairiuose
aukščiuose, todėl vėjo greitį jėgainės ašies aukštyje galima apskaičiuoti
pagal tokią formulę:
[pic],
(2.1)
čia: v1 – vėjo greitis (m/s) išmatuotas aukštyje h1 (m);
v2 – vėjo greitis (m/s) vėjaračio ašies aukštyje h2 (m);
n – laipsnio rodiklis, įvertinantis vietovės šiurkštumo laipsnį, n =
0,1 – 0,4 (atvirose vietovėse su neaukštų pasėlių plotais n = 0,14;
miškingose vietose n = 0,3; užstatytose pastatais n > 0,4).
Pavyzdžiui, kaip vėjo greitis kinta priklausomai nuo aukščio parodyta 2.1
lentelėje.
|Vėjo greitis|Vėjo greitis v2, m/s aukštyje h2, m |
|v1, m/s 10 m| |
|aukštyje | |
| |15 |20 |25 |50 |75 |100 |
|3,5 |3,7 |3,86 |3,98 |4,36 |4,64 |4,83 |
|4 |4,23 |4,41 |4,55 |5,01 |5,3 |5,52 |
|4,5 |4.76 |4,96 |5,12 |5,64 |5,97 |6,21 |
|5 |5,29 |5,51 |5,68 |6,26 |6,63 |6,9 |
|5,5 |5,82 |6,06 |6,25 |6,89 |7,29 |7,52 |
2.1 lentelė. Vėjo greičio priklausomybė nuo aukščioVėjo energetinis potencialas. Vėjo energijos potencialas suprantamas kaip
galia, kurią turi judėdamas oro srautas. Oro srauto galia P vatais, (W)
[pic],
(2.2)
čia : r – oro tankis, kg/m3; paprastai vėjo energetiniuose skaičiavimuose
priimama r = 1,25 kg/m3 (esant 10 oC temperatūrai ir 760 mm Hg slėgiui);
v – oro srauto greitis, m/s;.
A – plotas, pro kurį praeina oro srautas, m2.
Žinant vidutinį vėjo greitį vvid (m/s), vėjo energijos potencialą Pvp,
(lyginamąją oro srauto galią) (W/m2), galima apskaičiuoti iš tokios
formules:
[pic].
(2.3)
VĖJO JĖGAINIŲ STATYBOS VIETA
Norint įvertinti konkrečios aikštelės tinkamumą vėjo jėgainių statybai, yra
būtina atlikti papildomus nors 6 – 12 mėn. trukmės vėjo greičio matavimus
pasirinktoje vėjo jėgainės statybai aikštelėje. Parenkant vėjo jėgainės
statybos vietą, būtina atsižvelgti į:
· žemės paviršiaus reljefą:
· kliūtis vėjui;
· vietovės šiurkštumą;
· kad vidutinis metinis vėjo greitis 10 m aukštyje būtų ne mažesnis
negu 3,5 m/s.
Vėjo jėgainės statomos ten, kur yra pakankamai didelis vėjo greitis ir
mažas jo turbulentiškumas. Vėjo turbulentiškumą sukelia sūkuriai, kurie
atsiranda vėjui aptekant įvairias kliūtis Vėjo greitis žymiai padidėja ant
kalvų, kurių šlaitai lygūs ir neapaugę mišku. Didelę įtaką vėjo greičiui
turi ir netoli vėjo jėgainės esantys pastatai ar pavieniai medžiai (2.4
pav).
[pic]
2.4 pav. Vėjo greičio sumažėjimas aptekant kliūtįJei yra pavienių kliūčių vėjui, jėgainės statomos nuo kliūties atstumu ne
mažesniu kaip 18 – 20 šios kliūties aukščių arba vėjaratį pakeliant į tokį
aukštį, kad jo apačia nuo žemės paviršiaus būtų ne mažesniu atstumu, kaip
dvigubas kliūties aukštis. Nuo medžių eilės jėgainės statomos ne arčiau,
kaip 2,5 medžių aukščiai arba iškeliant vėjaratį virš 3 medžių aukščių.
Geriausia vieta vėjo jėgainei – ant atviros kalvos, kurios aukštėjimo
kampas iki 160, viršūnės. Be to, saugumo sumetimais (avarijų atveju), o
taip pat atsižvelgiant į keliamą triukšmą, jėgainės atstumas nuo statinių
turėtų būti ne mažesnis, negu 6 – 8
vėjaračio skersmenys.
VĖJO JĖGAINIŲ ĮRENGINIAI
Vėjo energija paverčiama mechaniniu darbu ir kita energijos rūšimi vėjo
jėgainėse. Vėjo jėgainės gali būti klasifikuojamos pagal vėjaračio tipą ir
vėjaračio ašies padėtį. Pagrindinių vėjaračių tipų schemos pateiktos 2.3
pav. Pagal vėjaračio ašies padėtį, vėjo jėgainės būna vertikaliosios ir
horizontaliosios ašies. Dažniausiai naudojamose horizontaliosios ašies
jėgainėse su mentiniais vėjaračiais, mentės būna paprastos neprofilinės,
įtvirtintos stebulėje tam tikru kampu ir profilinės. Pirmu atveju vėjaračio
sukimui išnaudojama pasipriešinimo jėga ir mentės galo linijinis greitis
būna artimas vėjo greičiui. Vėjaračiuose su specialaus aerodinaminio
profilio mentėmis išnaudojama jų keliamoji jėga, o mentės galo linijinis
greitis būna žymiai didesnis už vėjo greitį.
Vėjaračio dydį charakterizuoja darbo plotas, statmenas vėjo krypčiai, kurį
jis besisukdamas užima erdvėje, kartais vadinamas vėjaračio “šluojamuoju”
plotu. Įprastiems vėjaračiams su horizontaliąja ašimi šis plotas A, (m2)
yra
[pic],
(2.4)
čia D – vėjaračio skersmuo, m.
Stačiakampio formos vėjaračiams (H – pavidalo, karuseliniams)
[pic],
(2.5)
čia h – vėjaračio mentės aukštis (ilgis), m.
[pic]
2.3 pav. Vėjaračių tipai: 1,2,3 – karuseliniai ir būgniniai; 4 – kaušinis;
5 – daugiamentis;
6 – vienmentis (su kontrasvoriu); 7 – dvimentis; 8 – trijų menčių; 9 –
Savonijaus tipo;
10 – H pavidalo ortogonalinis; 11 – Darje tipo
Vėjo jėgainės galia. Vėjaračio išvystoma galia mažai priklauso nuo menčių
skaičiaus. Svarbiausią reikšmę turi menčių forma, jų profilis, padėtis vėjo
sraute ir vėjaračio darbo plotas. Tačiau daugiamenčiai vėjaračiai turi
didesnį pradinį sukimo momentą esant mažam vėjo greičiui ir maksimalią
galią jie pasiekia esant nedideliam sukimosi greičiui.
Vėjaračio išvystoma galia yra mažesnė už vėjo srauto galią. Kokią vėjo
srauto galios dalį vėjaratis paverčia mechanine galia, parodo vėjo
energijos išnaudojimo arba dar vadinamas galios koeficientas cp.
Vėjo jėgainės galia P vatais (W), nustatoma iš formulės
[pic],
(2.6)
čia: r – oro tankis, kg/m3, r » 1,25 kg/m3;
vv – vardinis vėjo greitis, m/s, vv » 2vvid;
A – vėjaračio darbo plotas, m2;
cp – jėgainės galios koeficientas, cp » (0,3 – 0,45);
hp – pavarų naudingumo koeficientas (hp » 0,8 – 0,9);
hg – el. generatoriaus naudingumo koeficientas (hg » 0,75 – 0,8).
Visos kinetinės vėjo energijos negalima panaudoti. Oro srautas, praėjęs pro
vėjaratį ir atidavęs jam dalį savo energijos, dar turi turėti tam tikrą
greitį, kad pasitrauktų nuo vėjaračio, netrukdydamas atitekančiam oro
srautui. Teoriškai yra apskaičiuota, kad idealaus vėjaračio maksimali cp
reikšmė yra 0,593. Tobuliausių šiuo metu gaminamų vėjaračių, dažniausiai
naudojamų horizontalios ašies jėgainėse, pasiekiama maksimali cp reikšmė
yra 0,45 – 0,48. Vėjaračiai, naudojantys pasipriešinimo jėgą (2.3 pav.
1,2,3,4), turi mažą galios koeficientą, paprastai neviršijantį 0,14 –
0,18. Šiek tiek didesnius cp turi Savonijaus tipo vėjaratis ir daugiamentis
vėjaratis su neprofilinėmis mentimis. Jų galios koeficientas siekia 0,24 –
0,28. Vandens siurblių pavarai mažiau, bet dar naudojamos vėjo jėgainės su
daugiamenčiais vėjaračiais (2.3 pav. 5). Šių jėgainių privalumas yra tas,
kad jos pradeda veikti esant mažam vėjo greičiui ir išvysto didelį sukimo
momentą, kas yra svarbu tūrinių vandens siurblių pavarai. Nemažas