Эффективность КПД ветрогенератора: способы увеличения, конструкция и рабочие характеристики ветряка
Обновлено: 16 января 2021
Существующие конструкции ветрогенераторов пока не могут составить полноценную конкуренцию наиболее эффективным методам производства электроэнергии. Причина этого заключается в невысокой производительности, которая, в конечном счете, является следствием низкого КПД ветрогенератора.
Здесь насчитывается масса причин, сочетание которых уменьшает эффективность устройства, многие из них относятся к конструктивной области, другие являются тонкими эффектами, но все вместе они образуют чрезвычайно устойчивую преграду на пути к повышению основных рабочих параметров. Вопрос довольно непростой и заслуживает более подробного рассмотрения.
Рабочие характеристики ветряка
КПД не является единственным качественным показателем работоспособности ветрогенератора. Примечателен факт, что для конечного пользователя сам по себе КПД не представляет практического интереса, поскольку он является слишком обобщенным понятием. Для владельца устройства гораздо интереснее более конкретные и адресные параметры:
- мощность
- производительность
- минимальная и максимальная скорость ветра
- тип ротора
- ремонтопригодность
- высота мачты
На практике может возникнуть интерес и к другим характеристикам установки, в зависимости от степени их влияния на состояние и результаты работы устройства. Для промышленных образцов, изготовленных на заводе, ознакомление с подробными техническими характеристиками не составляет труда — они все указаны в паспорте устройства.
Другое дело, если ветряк создан самостоятельно. Тогда опираться даже на расчетные данные нет смысла, поскольку на практике они могут не подтверждаться и значительным образом отличаться от проектных. Поэтому необходимо всячески тестировать вновь созданный ветрогенератор, испытывая и снимая показания на разных скоростях ветра, режимах работы и прочих условиях функционирования.
От чего зависит КПД ветрогенератора?
Как уже говорилось, КПД ветрогенератора является производным от его технического состояния, вида турбины, конструктивных особенностей данной модели. Из школьного курса физики известно, что КПД — это отношение полезной работы к общей работе. Или отношение энергии, затраченной на выполнение работы, к энергии, полученной в результате.
В этом отношении возникает интересный момент — используемая энергия ветра получена совершенно бесплатно, никаких усилий со стороны пользователя приложено не было. Это делает КПД чисто теоретическим показателем, определяющим чисто конструктивные качества устройства, тогда как для владельцев в большей степени важны эксплуатационные характеристики. То есть, возникает ситуация, в которой КПД не столь важен, все внимание отводится чисто практическим задачам.
Тем не менее, при изменениях рабочих параметров в ту или иную сторону, автоматически меняется и КПД, что свидетельствует о его взаимосвязанности с общим состоянием устройства.
Коэффициент использования энергии ветра
Следует отметить, что для ветрогенераторов существует свой, специфический показатель эффективности — КИЭВ (Коэффициент Использования Энергии Ветра). Он обозначает, какой процент воздушного потока, проходящего в рабочем сечении, непосредственно воздействует на лопасти ветряка. Или, если говорить более наукообразно, он демонстрирует отношение мощности, полученной на валу устройства, к мощности потока, воздействующего на ветровую поверхность рабочего колеса. Таким образом, КИЭВ является специфическим, применительным только для ветрогенераторов, аналогом КПД.
Некоторые специалисты утверждают, что в теоретических исследованиях термин КПД для ветряков вообще неприменим, вместо него следует использовать именно КИЭВ.
На сегодняшний день значения КИЭВ от изначального 10-15 % (показатели старинных ветряных мельниц) возросли до 356-40 %. Это связано с усовершенствованием конструкции ветряков и появлением новых, более эффективных материалов и технических деталей, узлов, способствующих уменьшению потерь на трение или прочие тонкие эффекты.
Теоретические исследования определили максимальный коэффициент использования энергии ветра равным 0,593.
Какие конструкции имеют наивысший КПД?
На сегодня наивысший КПД горизонтальных ветровых установок, обладающих большей эффективностью, чем вертикальные ветряки, равен 0,4. Для вертикальных устройств среднее значение считается равным 0,38, т.е. показатели близки и не находятся на большом удалении друг от друга. Периодически появляются сообщения о разработках устройств, КПД которых превышает существующие показатели в 2 или более раз, что весьма сомнительно и не подтверждается более ничем, кроме голословных утверждений журналистов, плохо представляющих себе предмет.
Тем не менее, устройства с заметно возросшей эффективностью существуют. Они созданы в разных конструкционных вариантах, есть горизонтальные или вертикальные установки с повышенной производительностью, мощностью, остальными параметрами. Большинство таких устройств являются маломощными комплексами, предназначенными для использования в отдаленных районах и обеспечивающие отдельные дома или участки.
Для России важно создание именно таких устройств, так как потребности в энергоснабжении имеются только в труднодоступных и отдаленных регионах. Монтаж больших промышленных станций там не всегда возможен или нерентабелен.
Известны конструкции изобретателей Онипко, Третьякова и многих других конструкторов, имеющие оригинальные и элегантные варианты увеличения производительности и, соответственно, КПД. Большинство из них пока еще находятся в стадии разработки или подготовки к массовому производству, так как активная работа в этом направлении начата относительно недавно, еще не успела полностью реализоваться в виде промышленных изделий.
Способы увеличения КПД
Для того, чтобы увеличить КПД ветрогенератора, надо изменить в положительную сторону его рабочие или эксплуатационные характеристики. В первую очередь, надо повысить чувствительность крыльчатки к слабым и неустойчивым ветрам. Россия считается самой богатой ветровыми ресурсами страной, но это только из-за большой площади. Средние показатели в нашей стране относительно невысокие, скорости потока слабые или средние. Это вынуждает изыскивать пути повышении эффективности крыльчатки.
Одним из интересных предложений в этой области является «лепестковый парус», разработанный Евгением Цукановым. Он предложил идею создания своеобразной односторонней мембраны для воздушного потока, свободно пропускающей ветер в одну сторону и являющейся плотной непроницаемой преградой для потока обратного направления.
Согласно разработке Цуканова, полотно лопастей состоит из сетки, покрытой лепестками. Они прикреплены одной кромкой к сетке, свободно свисают вниз, частично перекрывая друг друга. При фронтальном направлении лепестки прижимаются к сетке, образуя непроницаемую поверхность, принимающую энергию ветра в полном объеме. Если направить поток с обратной стороны, лепестки под действием ветра поднимаются и пропускают воздух без сопротивления.
Этот вариант требует некоторых промышленных мероприятий, в частности, создании технологических линий по производству подобного полотна, но сама по себе идея весьма удачно позволяет устранить воздействие ветра на обратные стороны лопастей, что очень увеличит КПД вертикальных конструкций и позволит получить от них совершенно другие результаты.
Существуют и другие способы, например, использование диффузоров или защитных колпаков, отсекающих поток с противодействующих поверхностей. Все эти варианты конструкции имеют свои достоинства и недостатки, но, в целом, они намного эффективнее традиционных образцов, поэтому нуждаются в активной доработке, запуске в промышленное производство.
Источник
Ветроэнергетические установки
Ветроэнергетические установки
Определения
| Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) — установка, использующая кинетическую энергию ветра, которая с помощью ветроколеса преобразуется в механическую энергию вращения вала генератора и далее – в электрическую энергию (рис. 4.1). Ветроколесо будем называть и ветротурбиной, и ветродвигателем. Гондола – головная часть ветроагрегата. Ветропарки, ветроэлектростанции (ВЭС) – множество ВЭУ, сгруппированных на одной территории для работы на одну электросеть. |  Рис. 4.1. Конструкция ВЭУ [56] |
Общие характеристики
Доля ВЭУ в энергетике
— по состоянию на 2009 год суммарная мощность ВЭУ составляла 17-18 МВт [53], мощность ВЭУ присоединенного Крыма – 59 МВт [53];
— доля в общем производстве электроэнергии в России – менее 0,1% (2010) [20].
— общая мощность – 432 ГВт (начало 2016) [53];
— доля ветроэнергетики в мировом производстве электроэнергии составляет 3% (2014) [53].
— в Китае 75 324 МВт (конец 2012, мировой лидер) [54];
— в Дании: 42% от всей вырабатываемой электроэнергии (2015) [53].
Назначение ВЭУ
4.3.1. ВЭУ постоянного тока [35]
1) Ветрозарядные ВЭУ.
Назначение: заряд АБ.
Особенности: ВЭУ постоянного тока могут иметь несколько АБ (когда одна АБ питает нагрузку, другая заряжается); обычно безредукторные (быстроходные ветроколеса).
2) ВЭУ гарантированного питания, работающие параллельно с АБ.
Назначение: электропитание потребителей и заряд АБ; для системы в целом — гарантированное снабжение электроэнергией потребителей
Особенности: в зависимости от изменения скоростей ветра и внешней нагрузки системы автоматического управления переводят ВЭУ и систему в целом в один из следующих режимов:
— ветроагрегат (ВА) питает внешнюю нагрузку без АБ;
— ВА заряжает АБ без внешней нагрузки;
— ВА заряжает АБ и одновременно питает внешнюю нагрузку;
— ВА и АБ работают параллельно на внешнюю нагрузку;
— АБ питает внешнюю нагрузку без ВА.
3) ВЭУ негарантированного питания (без АБ).
Назначение: Электропитание маломощных потребителей в местах с устойчивыми ветрами и в экстремальных условиях.
Особенности: во всех случаях установки этого типа должны иметь системы регулирования частоты вращения ВК[1]; мощность от нескольких десятков до нескольких сотен ватт; мощность внешней нагрузки регламентируется — она не должна превышать номинальную мощность ветрозарядного ВЭУ[1]; работают без АБ вместе с блоком управления, обеспечивающим стабильное напряжение на выходе; безредукторные (ветроколесо устанавливают непосредственно на вал генератора).
4.3.2. ВЭУ переменного тока [35]
1) Автономные ВЭУ.
Назначение: электропитание потребителей, не связанных с электрической сетью.
Особенности: малая мощность (0,1÷1 кВт); низкое значение коэффициента использования установленной мощности [35]; в состав системы входит аккумулятор.
Особенности конструкционной части ВЭУ
Типы ветродвигателей
 а) | 1) С горизонтальной осью вращения В настоящее время 95% всех выпускаемых в мире ВЭУ – трехлопастные с горизонтальной осью (рис.4.3, а) [15]. Ниже, когда об этом особо не упоминается, речь будет идти о горизонтальной оси вращения, направленной вдоль направления ветра. |
 б)  в)  г)  д) Рис.4.3. Разновидности ВЭУ: а) с горизонтальной осью вращения; б) с вертикальной осью вращения в) ортогональная конструкция; г) механизм Дарье; д) механизм Савониуса. е) конструкция на многолопастном роторе с направляющим аппаратом. ж) генератор с геликоидной конструкцией.[7] | 2) С вертикальной осью вращения (карусельные) (рис.4.3, б). Лопасти таких турбин движутся параллельно земле. Существуют различные виды механизмов с вертикальной осью вращения: -ортогональная конструкция (рис. 4.3, в); -механизм Дарье(рис. 4.3, г); -механизм Савониуса(рис. 4.3, д); -конструкция на многолопастном роторе с направляющим аппаратом(рис. 4.3, е); -генератор с геликоидной конструкцией(рис. 4.3, ж); [7] Свойства: На движение лопастей не влияет направление ветра. Ось турбины устроена так, что всё её оборудование можно установить на небольшом расстоянии от земли и производителю не нужно строить высокую башню. Вертикальные ветрогенераторы гораздо менее эффективны, чем горизонтальные (половина работы лопасти происходит противоположно направлению ветра). Для установки вертикальной ВЭУ понадобиться гораздо больше места, чем для горизонтального генератора. Вывод: горизонтальный ветрогенератор будет выгоден для промышленного использования, так как он более эффективен. А вертикальный ветрогенератор будет хорош для применения в домашнем хозяйстве, где не требуется высокой эффективности и для введения его в эксплуатацию не понадобиться больших расходов.  е)  ж) |
Лопасти
Число лопастей: от 1 до 50 (и более) [22].
В однолопастных ветроколесах для уравновешивания лопасти используется контргруз. Узлы однолопастного ветряка (подшипник, редуктор, электромашина) испытывают несимметричную нагрузку при каждом обороте. Увеличение количества лопастей дает наряду с повышением мощности сравнительное смягчение работы [24].
От числа лопастей зависит частота вращения ветроколеса (Раздел 4.9.1) и момент на валу (Раздел 4.10). Мощность от числа лопастей практически не зависит (Раздел 4.6.3).
Чем больше число лопастей, тем больше парусность конструкции, сложнее механизм поворота лопастей (Раздел 4.15.1), вывода их из-под шторма (Раздел 4.6.2).
Рекомендация [24]: рациональное число лопастей в ВЭУ с диаметром Dвк до 60 метров – 3 лопасти, с Dвк свыше 60 метров – 2 лопасти.
Размеры: диаметр окружности, очерчиваемой концами лопастей (диаметр винта), у мощных ВЭУ (1 МВт) может превышать 50 метров [4].
Рекордный размах лопастей – 150 метров (ветрогенератор Haliade 150) (Раздел 4.22.2).
Масса лопасти: может превышать 1000 кг [4]
Материал: лопасти должны быть легкими и в то же время достаточно прочными. Они делаются из дерева, стали, фибергласа [22], из стекловолокна и углепластика [12].
Фиберглас – это материал, состоящий из стеклянного наполнителя (волокна) и синтетического полимерного связующего. Для фибергласа характерно сочетание высокой прочности и сравнительно низкой теплопроводности. Этот материал не деформируется и устойчив к действию химикатов, воздуха и воды.
Высота башни (мачты)
По отношению к ветру, чем выше высота мачты, тем:
— в меньшей степени ослабляют скорость ветра растительность и строения;
Лопасти должны возвышаться над окружающими препятствиями, находящимися в радиусе 100 м, минимум на 10 м. Считается, что 15 м — это минимально возможная высота установки [4].
— в меньшей степени проявляется эффект торможения нижележащих слоев воздушного потока о вышележащие (проявление этого эффекта резко снижается на высотах больше 100 метров) [50];
В некоторых районах сила ветра увеличивается на 20% и, соответственно, энергетическая выгода на 34% при повышении на каждые 10 метров [17].
Чем больше размер лопастей, тем выше должна быть башня [4].
У крупных ВЭУ высота башни составляет 80÷120 метров [12]. Рекордная высота – 198 метров (при мощности ВЭУ – 6 МВт) [12]
Максимальная высота башни ограничивается пределом прочности материалов, используемых в конструкции башни [4].
Сложность конструкции башни (особенно при больших мощностях ВЭУ) требует её грамотного проектирования. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.
Расположение генератора
а) Наверху на мачте, в гондоле ветроустановки (имеющей у крупных ВЭУ размеры двухэтажного дома) [12].
б) Внизу. В этом случае в системе используется вертикальная трансмиссия и нижний передаточный механизм [10].
в) По принципу дирижабля (экзотика).
Компания Altaeros Energies в рамках демонстрационного запуска развернула ветровую турбину под названием BAT (buoyant airborne turbine) на высоте 300 метров, что на 83 метра выше самого высокого в мире ветрогенератора Vestas V164-8.0 МВт. Ветрогенератор имеет внешнюю оболочку заполненную гелием, что позволяет без проблем поднять его на большую высоту, где скорость ветра постоянная и высокая. Эта технология позаимствована у дирижаблей, которые использовались человечеством продолжительное время. К земле установка крепится с помощью прочных тросов. В 2013 году компания Altaeros Energies уже проводила успешное тестирование ветрогенераторов на высоте 150 метров при скорости ветра 20 м/с [57].
4.5. Процесс преобразования энергии в ВЭУ
Что мы имеем на входе ветроколеса? Кинетическую энергию ветра:
где m – масса воздуха, используемого ветроколесом, v – скорость движения воздуха.
Масса воздуха, проходящая каждую секунду через площадь Sвк, охваченную лопастями:
Площадь, охваченная лопастями (Sвк=0.25πD 2 , где D – диаметр, описываемый концами лопастей), называется также ометаемой площадью.
Подставив (4.2) в (4.1), получим выражение для кинетической энергии ветра, которую ежесекундно мы пытаемся использовать при работе ВЭУ (мощность ветра, другими словами):
Только часть этой энергии (Wв) удается с помощью ветроколеса преобразовать в механическую энергию вращения вала. Степень использования энергии характеризуется коэффициентом использования энергии ветра:
Выходная мощность ВЭУ (то есть выходная мощность генератора) может быть рассчитана с учетом КПД генератора ηг:
Скорость ветра
Скорость ветра существенно влияет на количество электроэнергии, выработанной ВЭУ.
95% всей энергии российского ветра заключена в диапазоне скоростей от 4 до 12 м/c (при скоростях ниже – ничтожна мощность, более высокие скорости – редки) [16].
ВЭУ рационально использовать в местности, где среднегодовая скорость ветра составляет не менее 3,5 м/с [15].
Рабочий диапазон скоростей ветра для ВЭУ: от 3 [4] до 25 м/с [15]. Малые ВЭУ могут работать и при скорости ветра меньше, чем 3 м/сек [4].
Большинство ВЭУ достигают своей номинальной мощности при скорости ветра около 7-10 м/с [15]. Для России скорость, на которую должен быть рассчитан бытовой ветряк для получения максимума мощности, можно принимать 5 м/с [16].
Большие скорости ветра могут привести к разрушению ВЭУ. При скорости ветра выше допустимой ветроколесо останавливается с помощью системы автоматического перевода лопастей во флюгерное положение [15].
Самая большая скорость ветра над поверхностью земли была зарегистрирована 8 марта 1972 года на базе ВВС США в Туле (Гренландия) – 92,5 м/с (44 м над уровнем моря). Во время московского урагана 1998 года скорость ветра достигала 26 м/с.
4.6.3. Площадь Sвк, охваченная лопастями, и число лопастей
Механическая мощность ветроколеса (и электрическая мощность ветрогенератора при прочих равных условиях) пропорциональна площади Sвк, охваченной лопастями, то есть квадрату диаметра Dвк, описываемому концами лопастей.
С другой стороны:
1) Увеличение размера лопастей ветроколеса приводит к увеличению механических нагрузок на элементы конструкции, что повышает стоимость ВЭУ [4].
2) По оценкам одного из советских конструкторов ветродвигателей В.П.Ветчинкина, пропорционально кубу диаметра Dвк возрастает стоимость ВЭУ [16].
Число лопастей практически не влияет на мощность на валу ветроколеса (а, следовательно, и на выходную мощность ВЭУ) [10].
4.6.4. Коэффициент использования энергии ветра kис и угол атаки
Коэффициент использования энергии ветра kис не имеет отношения к КПД ветрогенератора ηг.
Коэффициент использования энергии ветра характеризует отношение механической энергии, снимаемой с ветроколеса, к кинетической энергии ветра, захватываемого этим ветроколесом:
Выделим два фактора, определяющих значение коэффициента использования энергии ветра:
а) тип ветродвигателя;
Крыльчатое ветроколесо: 0,593 (максимально возможное значение); 0,49÷0,52 [15]; 0,45-0,48 [25]; 0,43 [16] (максимальные достигнутые на практике значения).
Ветроколесо карусельного и барабанного типа: 0,192 (максимально возможное значение) [25]; 0,15-0,18 [10] (максимальные достигнутые на практике значения).
Максимально возможный коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса был рассчитан Николаем Егоровичем Жуковским (статья «Ветряная мельница типа НЕЖ. Статья третья», 1920).
Как получилось это число? В ветряк попадает 2/3 набегающего потока, находящегося в площади, ометаемой ветроколесом (1/3 отклоняется); в идеальном случае скорость отходящего потока составляет 1/3 от скорости входящего (т.е. 1/9 часть энергии уносится с отходящим потоком): 2/3*8/9=0,593 [24].
Мощность ВЭУ
Уровень мощности ВЭУ
Согласно ГОСТ Р 51990-2002 ВЭУ в зависимости от мощности подразделяют на четыре группы:
— большой мощности — свыше 1 МВт;
Самый мощный ветрогенератор из существующих имеет мощность 7,58 МВт (Раздел 4.21.2).
— средней мощности — от 100 кВт до 1 МВт;
— малой мощности — от 5 до 99 кВт;
— очень малой мощности — менее 5 кВт.
Тенденция: рост единичной мощности ВЭУ.
Ветрогенератор мощностью 6 МВт выгоднее двух генераторов мощностью 3 МВт. Экономия достигается, в частности, на установке и на обслуживании [44].
Максимальный уровень мощности ВЭУ ограничивается следующими факторами:
— максимально возможными размерами лопастей, которые, в свою очередь, ограничиваются механической прочностью и затратами на ее обеспечение;
Размер лопастей – один из главных факторов, определяющих мощность ВЭУ при фиксированном ветре.
— затратами на транспортировку и монтаж.
Американские специалисты считают, что при мощности больше 3,6 МВт затраты на транспортировку и монтаж будут чрезмерно высоки и не оправдают экономии на укрупнение агрегата [34].
КПД ветрогенератора
КПД ветрогенератора зависит от мощности и от ряда других факторов. В приведенных примерах ветрогенераторов небольшой мощности (Раздел 4.20) значение КПД составляет от 74 до 95%.
4.9. Частота вращения ветроколеса nвк
Частота вращения ветроколеса (при фиксированной скорости ветра) будет тем ниже, чем:
— больше число лопастей (создают помехи друг другу) [4], [5];
— больше ширина лопастей [5];
— чем больше угол поворота лопастей относительно плоскости вращения [5].
Быстроходность ветроколеса
Одной из характеристик ветрогенераторов является быстроходность ветроколеса Z – отношение окружной скорости движения внешнего конца лопасти к расчетной скорости ветра.
,
где w – угловая скорость вращения ветроколеса (рад/с), R— радиус лопасти.
Для современных ветроколес эта цифра лежит в пределах от 4 до 12 [15].
В иностранной литературе быстроходность принято обозначать буквой λ [24].
| От быстроходности зависит коэффициент использования энергии ветра kис (рис.4.6). При высокой быстроходности влияние трения становится все больше. Наибольшую мощность достигают увеличением аэродинамического качества профиля К [24]. Аэродинамическое качество – отношение подъёмной силы к лобовому сопротивлению при данном угле атаки. |  Рис. 4.6. Зависимость kис от числа лопастей и быстроходности [24] |
Момент на валу ветроколеса
Выражение для момента
В Разделе 4.6.3 было сказано, что мощность на валу ветроколеса Рв практически не зависит от числа лопастей.
В Разделе 4.9.1 было сказано, что частота вращения nвкс увеличением числа лопастей уменьшается.
Момент можно выразить из формулы для мощности ветроколеса:
где Ω= πnвк/30 – угловая скорость ветроколеса.
Анализ формулы (4.8) показывает, что многолопастные тихоходные ВЭУ обладают другим важным качеством — большим моментом М. Это свойство используется для непосредственного привода механизмов, например, водяных насосов для подъема воды [5].
Именно момент на валу определяет массу и размеры генератора, а также во многом – массу и размер вала и других элементов конструкции, например, гондолы и мачты [16].
Стартовый момент
Стартовый момент (момент страгивания) – это момент на валу, который необходимо сообщить ветроколесу, чтобы оно стронулось с места из начального неподвижного состояния.
Большой стартовый момент имеют многолопастные тихоходные ветроколеса [24].
Малый стартовый момент имеют малолопастные быстроходные ветроколеса [24].
Качество страгивания можно улучшить принудительной системой поворота лопастей [24].
Частота вращения генератора
Напряжение
Постоянное (для малых мощностей от 100 Вт до 1…3 кВт) и/или переменное [7].
Малые ВЭУ (мощностью 0,1…1 кВт, работающие на аккумулятор) — постоянное напряжение от 14 до 28 В, которое впоследствии может инвертироваться в 220 В переменного тока [4].
Переменное напряжение 230 В, 50 Гц [5].
В случае потребителей электроэнергии с напряжением с различными параметрами используется разветвленная система электроснабжения с вторичными источниками электропитания, представляющими собой преобразователи электроэнергии.
Крупные ВЭУ, работающие на энергосистему, в основном вырабатывают электроэнергию с напряжением 690 В. Трансформатор повышает напряжение еще выше — до 10-30 кВ [4].
Типы генераторов
В составе ВЭУ используются трехфазные генераторы переменного тока.
— классические синхронные генераторы с ОВ на роторе (питание ОВ осуществляется в режиме самовозбуждения);
— синхронные генераторы с возбудителем и вращающимся выпрямителем (в ВЭУ мощностью более 15 кВт);
— индукторные генераторы с неподвижной обмоткой возбуждения;
— синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов;
— асинхронные генераторы (основной генератор ВЭУ до 2000 года [23]);
— синхронизированные асинхронные генераторы (САГ) (Раздел 13.3).
Пример: ВЭУ Growian мощностью 3МВт в Германии [31].
Все эти генераторы применяются и в других электроэнергетических установках, поэтому об особенностях, достоинствах и недостатках различных типов генераторов будет сказано в рамках отдельного раздела (Раздел 13).
Варианты стабилизации частоты напряжения
Как правило, к выходному напряжению ВЭУ предъявляются требования по стабильности частоты.
Заметим, что не все потребители критичны к изменению частоты: например, осветительные приборы, электронагревательные элементы, двигательная нагрузка (когда не требуется стабильная частота вращения). В отдельных областях применения (сельскохозяйственные установки) такие потребители составляют 90% суммарной мощности [5].
1) Стабилизация частоты вращения генератора, а следовательно, и частоты напряжения генератора: fг=60nг/p.
Частота вращения nвк при прочих равных условиях зависит от скорости ветра и от момента сопротивления на ветроколесе. Момент сопротивления на ветроколесе зависит от нагрузки генератора.
а) Воздействие на ветроколесо, например, путем изменения угла поворота рабочих лопастей αл (угол атаки) (pitch control) [23].
Для изменения угла атаки используются гидравлическая и механическая системы поворота лопастей, существенно усложняющие установку.
Предположим, что изменилась мощность нагрузки генератора, т.е. изменилась мощность (момент) сопротивления турбины. За счет изменения αл можно выровнять моменты – момент, развиваемый турбиной, и момент сопротивления. Равенство моментов, согласно уравнению движения:
не приведет к изменению частоты вращения.
Из-за меньшей плотности воздуха возможности такого управления существенно меньше, чем в случае гидротурбин [5].
Еще одним недостатком такого способа регулирования является большая инерционность [5].
Отметим, что такие ветроколеса должны быть оснащены специальными подшипниками, которые часто являются причиной поломок агрегатов.
Более точно было бы сказать, что этот способ направлен на регулирование мощности на валу генератора. При скорости ветра v vp с помощью системы регулирования мощность поддерживается почти постоянной [10].
б) Использование редуктора с переменным передаточным отношением i (система SPG – Super Position Gear): nг(const) = i (var) · nвк (var).
SPG – это механическая система (планетарный дифференциал), которая использует гидравлические компоненты и полностью заменяет дорогое силовое электронное оборудование. Часто действует в комбинации со способом 1,а [32].
Впервые этот способ был успешно испытан на экспериментальной ВЭС LS1 (Великобритания, Оркнейские острова, 1987). Тот же принцип используется на ветростанции мощностью 2 МВт чешской фирмы Wilkov Wind [32].
в) Регулирование нагрузки генератора. Наряду с полезной нагрузкой используется балластная нагрузка. Тем самым предотвращается превышение скорости. Более высокое быстродействие [5].
Балластная нагрузка – бесполезная нагрузка (сопротивление), которая при необходимости подключается на выходные клеммы генератора, изменяя, тем самым, его ток, и как следствие, момент на его валу, являющийся для ветроколеса моментом сопротивления.
Например, в момент, когда АБ полностью зарядилась, регулятор «отключает» заряд, чтобы батарея не перезарядилась, в то же время поддерживая нагрузку на генераторе переменного тока для предотвращения ускорения.
Следует отметить, что удержание ветроколеса на постоянной скорости снижает его КПД [23].
2) Стабилизация частоты напряжения при изменяющейся частоте вращения (применение электрических преобразователей частоты).
а) Преобразователь частоты со звеном постоянного тока («выпрямитель» — «инвертор») (более распространен).
б) Непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) (циклоконверторы).
в) Применение синхронизированных асинхронных генераторов с преобразователем частоты в цепи ротора.
Передача электроэнергии
Вопрос передачи энергии для ВЭУ становится проблемой в случае расположения их на морском побережье (иногда в десятках километров от берега). Для передачи вырабатываемой электроэнергии в этом случае требуются подводные кабели.
а) Передавать энергию переменного трехфазного тока.
Достоинство: не требуются дополнительные преобразователи электроэнергии.
Недостаток: повышенные потери (подводные кабели обладают ёмкостью); сложнее решается вопрос синхронизации полученной энергии с сетью.
б) Передавать электроэнергию постоянного тока высокого напряжения.
Достоинство: меньше потери.
Недостаток: потребуются дополнительные преобразователи электроэнергии из вырабатываемого переменного тока в постоянный (большой мощности).
При небольших расстояниях энергию передают прямо от ветрогенераторов в виде трехфазного переменного тока. Однако при расстоянии уже в 80 км потери энергии становятся слишком велики [46].
Пример. Немецкая компания TenneT TSO планирует построить в Северном море, на расстоянии от 60 до 160 км от побережья, несколько оффшорных ветропарков, до сотни ветряков каждый, и соответствующее количество преобразователей, размещенных на оффшорных морских платформах. Самая большая из строящихся платформ (SylWin alpha) имеет в длину 82 м, в ширину 56 м и в высоту 80м и рассчитана на преобразование 864 МВт [46].
4.17. Частные показатели качества (критерии сравнения) ВЭУ [15]:
— безопасность эксплуатации ветрогенератора;
— коэффициент использования ветра;
— годовое количество энергии, вырабатываемое в год при заданной среднегодовой скорости ветра;
— соотношение стоимости ветрогенератора к годовой выработке электроэнергии;
— необходимая периодичность сервисного обслуживания;
— надежность работы, характеризуемая, в частности, сроком гарантийного обслуживания.
Достоинства ВЭУ
1) Затраты, связанные с эксплуатацией ВЭУ (обслуживание, ремонт, запчасти), ниже, чем у дизель-генераторной установки (ДГУ). Нет необходимости в обеспечении топливом, а ветер, как источник энергии ничего не стоит [4].
Следует отметить, что по сравнению с ДГУ первоначальная стоимость ВЭУ выше, и это недостаток ВЭУ [4].
2) При использовании энергии ветра нет вредных выбросов в атмосферу (как в ТЭС), нет опасных радиоактивных отходов (как в АЭС) [4].
Ветроустановка мощностью 1 МВт в течение 20 лет позволяет заместить примерно 29 тыс.т угля c соответствующим сокращением выбросов углекислого газа и других веществ в атмосферу [26].
3) Стоимость 1 кВт установленной мощности намного ниже, чем у ФЭП, и сравнима с микроГЭС.
4) Ветровые ресурсы, по сравнению с солнечными, распределены достаточно равномерно в течение года и в течение дня.
5) Автономность ВЭУ.
По сравнению с микроГЭС, ВЭУ можно разместить недалеко от объекта энергоснабжения, в то время как расположение микроГЭС привязано к реке.
6) По сравнению с ФЭП производство ВЭУ не требует высокотехнологичного оборудования.
Недостатки ВЭУ
1) Нестабильность скорости ветра.
Это приводит к значительным изменениям мощности ветродвигателя и, как следствие, невозможности надежного питания электроэнергией номинального состава потребителей без использования других источников электроэнергии.
Выход и необходимость: использование аккумулирующих устройств и резервных источников электроэнергии.
На каждую тысячу «ветряных» мегаватт нужно иметь в запасе в среднем 400 МВт резервной мощности, способной быстро включиться в штиль и так же быстро исчезнуть с попутным ветром. Для «обычной» энергетики нормативный резерв маневренной мощности вчетверо меньше [19].
2) Низкая плотность воздуха.
У воды плотность в 800 раз больше — около 1000 кг/м 3 . Низкая плотность не позволяет взять от ветра большую мощность (когда мы будем говорить о мощностях ВЭУ, вы сможете сравнить ее с мощностью ГЭС). Чтобы получить хотя бы относительно большую мощность требуются ветроколеса больших размеров (в сотни раз больше колеса гидротурбины такой же мощности) [7].
3) Низкая степень использования земли у ВЭС.
Крупные ВЭС состоят из нескольких рядов ВЭУ, располагаемых перпендикулярно потоку ветра.
Цель: исключить негативное влияние соседних ВЭУ, входящих в состав ВЭС, друг на друга, вследствие создаваемой ими турбулентности.
Требования, обеспечивающие достижение цели.
Соседние ВЭУ должны устанавливаться на расстоянии 5÷15 диаметров ротора друг от друга [4]. Расстояние между опорами в ряду составляет 4 диаметра ротора, а между рядами – 10 диаметров ротора. В среднем на каждый 1 МВт мощности ВЭС должна приходиться площадь 20 га [34].
Мегаваттные машины должны быть разделены расстоянием в полтора километра [4].
Следствие. Только 1% земли, занятой под ВЭС, реально используется под установку башен. Территория между ВЭУ не может использоваться ни под строительство зданий, ни под лесоводство [4].
4) ВЭУ, в отличие от ФЭП, содержит движущиеся элементы; надежность каждого механизма ограничена и зависит от профессионализма его разработчиков и производителей [4].
Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высоте более 100 метров является сложным и дорогостоящим мероприятием [50].
5) Высокий уровень шума (от лопастей и механической передачи).
Для ВЭУ мощностью 850 кВт уровень шума на уровне оси ветроколеса в непосредственной близости составляет 104 дБ. По мере удаления от ВЭУ уровень шума снижается и на расстоянии 300 м составляет 42-45 дБ (на оживленной улице наши уши страдают больше) [11].
По требованиям ГОСТ Р 51991-2002 уровень звука, создаваемый одиночной ВЭУ на расстоянии 50 м от ветроагрегата и на высоте 1,5 метров не должен превышать 60 дБА (а в жилых и общественных помещениях вблизи ВЭУ – во всех случаях). Уровень инфразвука ограничивается 100 дБ [37].
6) Излучение инфразвука [14]. Низкочастотная вибрация, передающаяся через почву [20].
Инфразвук (от лат. infra — ниже, под + звук) — упругие волны с частотой ниже звуковых волн. Звуковые волны – волны, которые могут восприниматься человеческим ухом. Их частота составляет приблизительно от 20 Гц до 18-20 кГц. Таким образом, инфразвук – это волны с частотой ниже 16-25 Гц [14].
Инфразвук вредным образом действует на центральную нервную систему и может вызвать тревогу, страх, головокружение, усталость и т.п. Инфразвук частотой 6-7 Гц может привести к остановке сердца или разрыву кровеносных сосудов.
7) Мощность ВЭУ относительно мала.
8) ВЭУ создают помехи в работе теле- и радиоаппаратуры [22].
Когда на Оркнейских островах в Великобритании в 1987 году установили экспериментальный ветродвигатель, от жителей ближайших населенных пунктов начали поступать жалобы на ухудшение телевизионного сигнала. Выяснилось, что помехи создавали стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски для отвода ударов молний. Сами же лопасти, сделанные из стеклопластика, распространению телесигнала не мешали.
9) В США строительство ряда ветропарков было заблокировано из-за того, что аэродромные радары зачастую путали их вертящиеся лопасти с летящими самолетами. Для борьбы с этим в новых ветряках башню покрывают специальным поглощающим материалом, а в лопасти включают прозрачные для радиоволн композитные материалы [30].
10) Возможность попадания в лопасти птиц [4].
Места для установки ВЭУ должны быть выбраны в стороне от традиционных путей перемещения перелетных птиц. Во избежание случаев гибели птиц на эксплуатируемые ВЭУ должны быть установлены акустические маяки, отпугивающие птиц [37].
11) В зимнее время возможно обледенение лопастей и снижение эффективности работы ВЭУ.
12) Влияние большого числа ВЭУ на климат
Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии ветра, что приводит к снижению его скорости. При массовом использовании ветряков (например, в Европе) снижение средней скорости ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным за счет того, что медленно движущиеся воздушные массы успевают сильнее нагреться летом и охлаждаться зимой. Также отбор энергии у ветра может способствовать изменению влажностного режима прилегающей территории. Учёные пока только разворачивают исследования в этой области [50].
Накопление энергии
Недостаток ВЭУ, связанный с нестабильностью ветра, требует использования в составе системы аккумулирующих устройств.
Кроме традиционных вариантов, можно выделить следующие:
а) Система двух резервуаров, один из которых залегает ниже другого. В ветреные дни производимое электричество можно использовать для питания электродвигателя, приводящего в действие насос, закачивающий воду из нижнего резервуара в верхний. А когда ветрогенератор бездействует, достаточно открыть перемычку, и вода устремится из верхнего резервуара в нижний, вращая по пути турбину, которая будет давать электроэнергию [22].
б) Избыточное электричество расходуется на питание электродвигателя, который раскручивает маховик. Запасенная механическая энергия используется после перевода электрической машины в генераторный режим.
в) Использование ветровой энергии для электролиза воды — получения водорода и кислорода из воды. Водород — идеальное топливо, которое может заменить любой тип горючего. Теплота его сгорания втрое выше, чем у бензина. Если в ветреные дни создать достаточный запас водорода, его можно транспортировать в любое место по газопроводам, а затем – использовать в топливных элементах [22].
Рис. 4.7. Обобщенная функциональная схема ВЭУ
ВК – ветроколесо, преобразующее энергию ветра в механическую энергию вращения вала ветродвигателя.
МП — мультипликатор. Может отсутствовать.
Т – тормоз. Служит для отключения генератора от ветроколеса.
Г – генератор переменного тока, основной ЭМП.
Из перечисленных нами вариантов генераторов на схеме показан бесконтактный двухмашинный агрегат с возбудителем и вращающимся выпрямителем.
Выходное напряжение генератора поддерживается стабильным в данном случае за счет изменения тока возбуждения возбудителя.
Для обеспечения стабильной частоты напряжения генератора могут использоваться следующие устройства:
— механическая система регулирования частоты (МСРЧ), которая воздействует на угол поворота лопасти по отношению к ветру (угол атаки); при чрезмерной скорости ветра лопасти разворачиваются во флюгерное положение;
— электрическая система регулирования частоты (ЭСРЧ), в которой частота вращения генератора поддерживается постоянной за счет изменения электромагнитного момента (балластная нагрузка) – момента сопротивления вращению вала ветроколеса.
На обобщенной функциональной схеме представлены три вида потребителей:
— постоянного тока (получаем, преобразуя переменное напряжение генератора через трансформаторно-выпрямительный блок ТВБ);
— переменного тока нестабильной частоты (П
нсч) (напрямую от генератора, подходит для электроотопительной и осветительной системы);
— переменного тока стабильной частоты (П
сч) (получаем после преобразования в статическом преобразователе частоты со звеном постоянного тока: «выпрямитель-инвертор»).
Для обеспечения бесперебойного питания, совместно с ВЭУ, могут работать дизель-генераторные установки (ДГУ), солнечные батареи (СБ), химические источники тока (ХИТ).
Наряду с аккумулированием электрической энергии, вырабатываемой генератором, можно аккумулировать (накапливать) механическую энергию вращения ветроколеса, например, с помощью маховика или сжатого газа [7].
Система электроснабжения, состоящая из ВЭУ и АБ, называется ветроэнергетической станцией.
4.21. Пример кинематической схемы ВЭУ [43]
Ветроколесо и генератор соединяются часто через сложную механическую передачу. Один из примеров кинематической схемы ВЭУ приведен на рис. 4.8.
Рис. 4.8. Пример кинематической схемы ВЭУ
Основные элементы: 2 – ветроколесо; 3 — лопаст
Источник