Ветроэнергетические установки

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенный для преобразования энергии ветра в другие виды энергии (электрическую, механическую, тепловую и т. п.).

Ветроагрегат являясь основной частью ВЭУ, состоит из ветродвигателя, системы передачи ветровой мощности на нагрузку (потребителю) и самого потребителя ветровой энергии (какого-либо устройства: электромашинного генератора, водяного насоса, нагревателя и т. п.).

Ветродвигатель является устройством для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию рабочего движения ветродвигателя. Рабочие движения, которые совершает ветродвигатель, могут быть разными. На существующих сегодня ветродвигателях в качестве рабочего движения используется круговое вращательное движение. Вместе с тем известны многочисленные предложения (иногда даже реализованные) по использованию других видов рабочего движения, например колебательного.

Лопастная система ветродвигателя (ветроколесо) может иметь различное конструктивное исполнение. У современных ветродвигателей лопастная система выполнена в виде жестких лопастей с крыловым профилем в поперечном сечении (иногда в этом случае используют термины «крыльчатые», или пропеллерные, ветродвигатели).

Известны успешно работающие лопастные системы, в которых вместо лопастей используются вращающиеся цилиндры (использование эффекта Магнуса). Имеются предложения по созданию лопастной системы на основе различного типа лопастей с гибкими поверхностями (паруса).

Таким образом, лопасть — это составная часть ветроколеса, создающая крутящий момент. Лопастная система ветродвигателя с рабочим круговым вращательным движением может иметь горизонтальную или вертикальную оси вращения.

При расчете и проектировании конкретного ветродвигателя помимо ветровых условий его работы необходим учет как особенностей ветроагрегата, тик и всей ВЭУ. В связи с этим ВЭУ классифицируют по следующим признакам:

виду вырабатываемой энергии,

признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса,

типу системы передачи.

В зависимости от вида вырабатываемой энергии все ветроэнергетические установки подразделяют на ветроэлектрические и ветромеханические. Электрические ВЭУ, в свою очередь, подразделяются на встроустановки, вырабатывающие электроэнергию постоянного либо переменного тока. Механические ВЭУ служат для привода рабочих машин.

В зависимости от назначения электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на ветрозарадные, гарантированного электроснабжения потребителя, негарантированного электроснабжения. Электрические ВЭУ переменною тока подразделяют на автономные, гибридные, работающие параллельно с энергостистемой соизмеримой мощности (например, с дизельной установкой), сетевые, работающие параллельно с мощной энергостистемой.

Классификация ветроэнергетических установок по областям применения определяется их назначением.

При расчете и проектировании ветродвигателя и выборе его номинальных параметров необходим учет типа нагрузки (электрогенератор, водяной насос и т. п.), типа системы передачи ветровой мощности к потребителю, типа системы генерирования и аккумулирования электроэнергии.

Система передачи ветровой мощности представляет собой определенный комплекс различных устройств для передачи мощности от вала ветроколеса к валу соответствующей машины ветроагрегата (потребителя) с повышением или без повышения частоты вращения мня ной машины. В современной ветроэнергетике чаше всего используют механический способ передачи мощности.

Система генерирования электроэнергии представляет собой электромашинный генератор и комплекс устройств (устройства управления, силовой электроники, аккумулятор и т. д.) для подключения к потребителю со стандартными параметрами электроэнергии.

Выпускаются и работают ВЭУ мощностью от нескольких ватт до тысяч киловатт. Выделяют четыре группы: очень малой мощности — менее 5 кВт, малой мощности — от 5 до 99 кВт, средней мощности — от 100 до 1 000 кВт, большой мощности — свыше 1 МВт. Ветроустановки каждой группы отличаются друг от друга прежде всего конструктивным выполнением, типом фундаметнта, способом установки ветроагрегата на ветер, системой регулировання, системой передачи ветровой мощности, способом монтажа и способом обслуживания.

Преимущественное распространение получили горизонтально-осевые ветроэнергетические установки .

На рис. 1 показана конструкция ветроэнергетической установки и общий вид ветроэлектростанции.

Рис. 1. Конструкция ветроэлектрической установки: 1 — ветродвигатель (ветроколесо), 2 — ветроголовка, 3 — генератор, 4 — редуктор, 5 — поворотная платформа, 6 — измерительное устройство, 7 — мачта ВЭУ содержит ветротурбину и электрогенератор, связанный с валом ветротурбины непосредственно или через редуктор.

ВЭУ содержит ветротурбину и электрогенератор, связанный с валом ветротурбины непосредственно или через редуктор.

Ветряная электрическая станция (ВЭС) состоит из нескольких ветроэлектрических установок, работающих параллельно и отдающих вырабатываемую электроэнергию в электроэнергетическую систему.

Измерительное устройство дает сигнал на поворот ветроголовки при изменении направления или силы ветра, а также регулирует угол поворота лопастей в зависимости от силы ветра.

Существуют ветроагрегаты на 500, 1000, 1500, 2000, 4000 кВт. Ветроагрегат на 500 кВт имеет: мачту высотой 40-110 м, ветроголовку массой 15-30 т, частоту вращения n = 20-200 об/мин, частоту вращения ротора генератора 750-1500 об/мин (редукторный привод) или 20-200 об/мин (прямоприводной агрегат).

В качестве генераторов в ВЭУ чаще используются асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором , которые отличаются от синхронных большей надежностью, простотой конструкции и меньшей массой, что необходимо для повышения надежности ветроэнергоустановки.

Ветроэнергетические агрегаты могут работать автономно или параллельно с энергетической системой. При автономной работе частота вращения ветродвигателя ВД не регулируется или поддерживается в пределах ±50 %, поэтому частота и напряжение на зажимах генератора непостоянны, т. е. вырабатываемая электрическая энергия некачественная, а потребители таких ВЭУ часто не предъявляют высоких требований к качеству (в основном нагревательные приборы). Для получения качественной энергии применяются стабилизаторы, состоящие из выпрямителя, инвертора и аккумулятора.

Мощные ВЭУ работают параллельно с энергосистемой (рис. 2 ). Эта параллельная связь обеспечивает постоянство частоты, напряжения и постоянство частоты вращения ветродвигателя. Мощность, которую генератор отдает в сеть, зависит от вращающего момента двигателя и определяется силой ветра.

Возможна совместная работа ВЭУ с сетью с соединением через промежуточный преобразователь частоты при переменной частоте вращения ветродвигателя.

При использовании асинхронного генератора ветродвигатель также может работать с меняющейся частотой вращения, а генератор отдает в сеть качественную электроэнергию. Для возбуждения асинхронный генератор потребляет из сети или от специальной конденсаторной батареи реактивную мощность, а синхронный — сам ее создает.

Рис. 2 . Параллельная работа ветроэнергетической установки с мощной энергосистемой: ВД — ветродвигатель, Р — редуктор, Г — генератор, В — выпрямитель, И — инвертор, У — блок управления, ЭС — энергосистема

Особенности системных ветроэнергетических станций (ВЭС):

1. Они располагаются в местах с высоким ветровым потенциалом.

2. Имеют мощность энергоблоков: 1500-2000 кВт и более при континентальном базировании и 4000-5000 кВт при морском и прибрежном базировании.

3. Используют генераторы асинхронные с короткозамкнутым ротором и синхронные (часто с возбуждением постоянными магнитами) с невысоким генераторным напряжением (0,50-0,69 кВ).

4. Низкий КПД станции — 30-40 %.

5. Отсутствие тепловой нагрузки.

6. Высокая маневренность, но полная зависимость от погодных условий.

7. Диапазон рабочих скоростей ветра от 3,0-3,5 до 20-25 м/с. При скорости ветра менее 3,0-3,5 м/с и более 20-25 м/с ВЭУ отключаются от сети и устанавливаются в нерабочее положение, а при восстановлении скорости ветра ВЭУ подключаются к сети и разгоняются с помощью генератора, работающего в двигательном режиме.

8. Отсутствие отбора электрической мощности на генераторном напряжении (кроме собственных нужд).

9. Передача электроэнергии потребителям на напряжениях 10, 35, 110, кВ.

Современная ветроэнергетика во многих странах мира является частью энергетических систем, а в ряде стран — одной из главных составляющих альтернативной энергетики на возобновляемых источниках энергии. Подробнее об этом читайте здесь: Развитие ветроэнергетики в мире

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что такое ветроэнергетические установки вэу

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.

Содержание

Строение малой ветряной установки

1. Ротор, лопасти, ветротурбина
2. Генератор (как правило это синхронный трехфазный с возбуждением от постоянных магнитов напряжением =24 В)
3. Мачта с растяжками
4. Контроллер заряда батарей
5. Аккумуляторы (обычно автомобильные необслуживаемые на 24 В)
6. Инвертор (= 12 В ->

Строение промышленной ветряной установки

• (1) Фундамент
• (2) Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления
• (3) Башня
• (4) Лестница
• (5) Поворотный механизм
• (6) Гондола
• (7) Электрический генератор
• (8) Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
• (9) Тормозная система
• (10) Трансмиссия
• (11) Лопасти
• (12) Система изменения угла атаки лопасти
• (13) Колпак ротора
• Система пожаротушения
• Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора
• Система молниезащиты

Типы ветрогенераторов

Существуют два основных типа ветротурбин: с вертикальной осью вращения и с горизонтальной. Вертикальноосевые турбины работают при низких скоростях ветра, но имеют малую эффективность. Поэтому вертикальноосевые системы встречаются достаточно редко и применяются, как правило, в домашних системах.

Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается. Уже сейчас за вполне умеренные деньги можно приобрести ветряную установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому. Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 9 м/с. Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором. Источники будут замечательно друг друга дополнять.

Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7—10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветряной фермы может занимать год и более.

Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.

В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:

• Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.
• Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и ротор останется неподвижным.
• Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы.
• Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.
• Нестабильность работы генератора. Из-за того что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.
• Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветряных электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.

Перспективные разработки

Департамент Энергетики США (DoE) финансирует разработки и испытания ветрогенераторов мощностью 5—8 МВт как для наземного использования, так и для установке в море.

Норвежская компания Hydro разработала плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. Hydro планирует запустить демонстрационную версию мощностью 3 МВт в 2007 году. Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.

Компания Magenn разработала аппарат легче воздуха с установленным на нём ветрогенератором. Аппарат поднимается на высоту 120—300 метров. Нет необходимости строить башню и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра от 1 м/с до 28 м/с. Аппарат может перемещаться в ветряные регионы или быстро устанавливаться в местах катастроф.

Компания Windrotor предлагает новую очень эффективную конструкцию ротора мощной турбины, позволяющую значительно увеличить его размеры и коэффициент использования энергии ветра. Предполагается, что эта конструкция станет новым поколением роторов ветровых турбин.

Департамент Энергетики США (DoE)в конце 2007 года объявил о готовности финансирования особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.

В мае 2009 года в Германии была запущена в эксплуатацию первый ветрогенератор, установленный на гибридной башне компании Advanced Tower Systems (ATS). Нижняя часть башни высотой 76,5 метров построена из железобетона. Верхняя часть высотой 55 метров построена из стали. Общая высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет 180 метров. Увеличение высоты башни позволит увеличить выработку электроэнерии до 20% [1] .

Малые ветрогенераторы

К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветряной энергетике. Они применяются на яхтах, с/х фермах для водоснабжения и т. д.

Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети.

Считается, что применение малых ветрогенераторов в быту малоцелесообразно из-за:

50 % стоимости всей установки (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в

220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с внешней сетью при работе генератора в параллель))
Высокой стоимости аккумуляторных батарей

25 % стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети)

Для обеспечения надёжного электроснабжения к такой установке иногда добавляют дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой.

В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину у основной массы производств на фоне других затрат. Ключевым для потребителя остаётся надёжность и стабильность электроснабжения.

Основными факторами приводящими к удорожанию энергии получаемой от ветрогенераторов являются:

Необходимость получения электроэнергии промышленного качества

220В 50 Гц (применяется инвертор)

Необходимость автономной работы в течении некоторого времени (применяется аккумуляторы)

Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется дизель-генератор)

В настоящее время наиболее экономически целесообразно получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощю ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько приемуществ:

• Отопление является основным энергопотребителем любого дома в России.
• Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.
• Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле.
• В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
• Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности, температуру воздуха в помещении можно потдерживать в широких диапазаонах 19—25С — в бойлерах горячего водоснабжения — 40—97С без ущерба для потребителей.

По данным Американской Ассоциации Ветряной Энергетики (AWEA) в США в 2006 г. было продано 6807 малых ветряных турбин. Их суммарная мощность 17 543 кВт. Их суммарная стоимость $56 082 850 (примерно $3200 за кВт мощности). В остальном мире в 2006 г. были проданы 9502 малых турбины (без учёта США), их суммарная мощность 19 483 кВт.

Наиболее перспективными регионами для развития малой ветроэнергетики считаются регионы со стоимостью электроэнергии более $0,1 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии, производимой малыми ветрогенераторами в 2006 г. в США составляла $0,10—$0,11 за кВт·ч. AWEA ожидает, что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до $0,07 за кВт·ч.

AWEA прогнозирует, что к 2020 году суммарная мощность малой ветряной энергетики США вырастет до 50 тыс. МВт, что составит около 3 % от суммарных мощностей страны. Ветряные турбины будут установлены в 15 млн домах и на 1 млн малых предприятий. В отрасли малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем $1 млрд.

Источник