Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы

Естественной реакцией атмосферы на неравный прогрев разных ее слоев является ветер. Возникающие перепады давления в атмосфере заставляют ветер дуть из областей высокого давления в области низкого давления, и чем больше разница давлений, тем сильнее ветер — тем выше его скорость. Теоретически считается, что до 2% солнечной радиации преобразуются в механическую энергию ветра, благодаря естественному движению воздуха в атмосфере.

Известно, что рельеф той или иной местности может либо усилить ветер, либо ограничить воздушный поток. Так, в районах горных хребтов, перевалов, вблизи речных каньонов, — условия для установки ветряных турбин поистине идеальны. И если вспомнить, что мощность, которую можно получить от ветра, пропорциональна массе проходящего через турбину воздуха и кубу его скорости, то легко понять перспективы, которые стремительно открываются на данном направлении.

Ветер, безусловно, является одним из перспективнейших возобновляемых источников природной энергии. Не зря во многих странах год за годом сооружается все больше ветропарков, ветряных ферм, в частности — на прибрежных частях морей, океанов, и на равнинах.

Порывистый характер ветра не способствует стабильному питанию электрических сетей, поэтому важной задачей становится накопление энергии с целью дальнейшего ее использования. Но эта задача решается — возводятся промышленные и частные аккумуляторные системы хранения электроэнергии, принимаются меры по обеспечению бесперебойного электроснабжения.

И уже сейчас можно уверенно говорить о том, что мощный промышленный ветрогенератор (как например Enercon E-126), мощностью 6-8 МВт, будучи интегрирован в систему электроснабжения небольшого городка, сможет обеспечить нужды его жителей и потребности электрифицированной инфраструктуры.

Давайте, однако, обратимся к сути, и рассмотрим устройство промышленного ветрогенератора. Ведь любой ветрогенератор является продуктом щепетильной инженерной мысли, результатом точных расчетов и долгого проектирования, с целью получить эффективный и надежный преобразователь энергии ветра в электрическую энергию, поэтому каждая деталь огромной конструкции отнюдь не случайна. Для примера будем обращаться к конструкции ветрогенератора Enercon E-126, и рассмотрим основные его части.

Башня (7) высотой в десятки метров является опорой промышленного ветрогенератора. Она изготавливается сплошь из железобетона путем последовательной заливки в опалубку или собирается из коротких железобетонных колец, которые устанавливают последовательно одно на другое, и соединяют, протягивая через них каркасные тросы. Армированный бетон обладает достаточной прочностью, чтобы удержать на высоте тяжелую турбину и гондолу, а также противостоять нагрузке, возникающей при работе ветрогенератора, препятствуя опрокидыванию сооружения.

Основание башни покоится на железобетонном фундаменте (8), вес которого соизмерим с весом самой башни. Для примера, ветрогенератор Enercon E-126 обладает общим весом около 6000 тонн. Опора по форме не является цилиндром, она имеет форму ближе к усеченному конусу, чем к цилиндру. Расширенная у основания, башня надежно удерживает всю конструкцию в правильном положении.

Лопасти и ротор

Лопасти (6) и ротор (5) промышленного ветрогенератора изготавливают из особого композитного волокна на основе стали. Лопасти набираются из отдельных сегментов, либо изготавливаются как монолит, в зависимости от их размаха. Для крепления лопастей к ротору применяют, как правило, болты и хаб. Сами лопасти крепятся к хабу, а хаб — непосредственно к ротору генератора.

Вращение турбины вокруг башни

Для вращения турбины вокруг башни применяется асинхронный двигатель (3), соединенный зубчатой передачей с кольцом у основания гондолы. Таких двигателей может быть от одного до трех, в зависимости от размера ветрогенератора и от его мощности.

Если раньше в качестве генераторов для ветряков применялись агрегаты близкие по конструкции к стандартным синхронным генераторам, то в начале 2000-х появилось такое новшество, как кольцевой генератор (1). Здесь ротор турбины, соединенный с хабом, является одновременно и ротором генератора.

На кольцевом роторе расположены обмотки независимого возбуждения, формирующие магнитные полюсы, а на статоре, соответственно, — обмотка статора. Обмотка статора разделена на части (в случае Enercon E-126 — на четыре части), каждая из которых подключена к индивидуальному выпрямительному блоку. Контроллер генератора расположен в машинном отделении (2) гондолы.

После выпрямления, постоянное напряжение номиналом в 400 вольт подается на инвертор (4), установленный в основании башни, где энергия преобразуется в переменный ток, и после трансформации подается на ЛЭП.

Мы рассмотрели ключевые составные части современного промышленного ветрогенератора на примере модели Enercon E-126, впервые установленной вблизи немецкого города Эмден в 2007 году. Мощность генератора на данный момент составляет 7,58 МВт, чего достаточно для круглогодичного обеспечения электроэнергией 4500 коттеджей.

На сегодняшний день компанией Enercon возведено более 13000 подобных ветрогенераторов по всему миру, их суммарная установленная мощность уже в 2010 году превышала 2846 МВт.

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

Устройство и принцип работы ветрогенератора

Как устроен ветрогенератор

Любой ветрогенератор состоит из таких компонентов как;

– генератор, который вырабатывает переменный ток, и в дальнейшем преобразуется в постоянное напряжение, предназначенное для зарядки аккумуляторов. От скорости ветра зависит и мощность генератора;- лопасти, предназначены для передачи вращения к валу генератора через редукторы и стабилизаторы скорости вращения ротора генератора;
– мачта ветряка должна иметь достаточную высоту. Чем выше находятся лопасти, тем больше они получат энергии ветра.

Также в устройство ветрогенератора входят;

– контроллер, необходимый для преобразования переменного напряжения идущего с генератора, в постоянное напряжение и последующей зарядкой аккумуляторов. Контроллер управляет поворотом лопастей, и контролируют направление ветра;
– аккумуляторы накапливают электроэнергию, чтобы использовать ее при небольшом ветре или его отсутствии. Батарея также хорошо стабилизирует электроэнергию, полученную от генератора;
– датчик направления ветра помогает лопастям «поймать» ветер;
– АВР представляет собой устройство автоматического переключения между ветрогенератором и другими источниками электроэнергии, например электросетью, генератором, солнечными панелями;
– инвертор предназначен для преобразования постоянного тока, поступающего с аккумуляторов, в переменное напряжение для домашней электросети. Инверторы могут разделяться по типу синусоиды для разных потребителей электроэнергии.

Устройство ветрогенератора

1. Инвертор модифицированной синусоиды на выходе выдает квадратную синусоиду, предназначенную для не требовательных потребителей к качеству сети – это тэны, накальные лампы освещения.
2. Инверторы с чистой синусоидой по качеству выходного напряжения подходят даже для самых требовательных потребителей электроэнергии.
3. Инверторы трехфазного напряжения предназначены для трехфазных сетей.
4. Сетевой инвертор работает без аккумулятора и способен к выводу электроэнергии в общую сеть.

Принцип действия ветрогенератора

Принцип работы ветрогенератора построен на преобразовании кинетической энергии силы ветра в энергию вращения вала генератора. Для вертикальных ветрогенераторов, вертикальная ось соединена с вертикальным ротором. Генератор и ротор расположены внизу конструкции. Лопасти закреплены в вертикальной оси.

Вращаясь, лопасти заставляют вращаться ротор генератора, который начинает вырабатывать переменный и нестабильный ток. Это ток идет на контроллер, который преобразует его в постоянное напряжение и заряжает аккумуляторы. С аккумулятора питание идет на инвертор, назначение которого превращение постоянного тока в переменное напряжением 220 В или 380 В, которое поступает к потребителям электроэнергии.

Схемы работы ветрогенераторов

Вариантов работы ветрогенератора может быть несколько:

1. Автономная работа ветрогенератора.

Автономная работа ветрогенератора

1. Такая совместная работа считается очень надежным и эффективным способом автономного электроснабжения. При отсутствии ветра, работают солнечные батареи. Ночью, когда не работают солнечные батареи, аккумулятор заряжается от ветровой установки.

Параллельная работа ветрогенератора с солнечными панелями

1. Ветрогенератор также может работать параллельно с электросетью. При избытке электроэнергии, она поступает в общую сеть, а при недостатке ее потребители электроэнергии работают от общей электросети.

Параллельная работа ветрогенератора с электросетью

Ветряные генераторы могут прекрасно работать с любыми видом автономного электроснабжения и общей электросетью. Создавая при этом единую систему энергоснабжения.

Источник

Устройство промышленных ветрогенераторов большой мощности: размеры ветряка, сравнительные характеристики и промышленное применение

Обновлено: 14 января 2021

Ветроэнергетика как отрасль может базироваться только на использовании крупных и высокопроизводительных ветровых турбин. Установки малой мощности, обеспечивающие лишь отдельные дома или группы потребителей, интересны только как автономные источники энергии. Крупные ветротурбины успешно используются в странах Запада, США, Китае. Для использования таких устройств требуется достаточно сильный и стабильный ветер, что свойственно не всем регионам.

Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы?

Существующие ныне мощные ветрогенераторы имеют практически одинаковую конструкцию. За основу взят горизонтальный ротор с крыльчаткой. Большие размеры лопастей создают высокую площадь сопротивления потоку ветра, поэтому обычно устанавливается по три лопасти. Масса таких установок очень велика — одна из величайших установок Enercon E-126 весит 6000 т. При таких параметрах требуется достаточно сильный и ровный ветер.

Для старта вращения используются специальные электродвигатели. Большинство моделей не имеет устройства наведения, обходятся установкой на преобладающем направлении потока. Обычное место использования — степные или пустынные регионы, прибрежные или шельфовые районы с постоянными и ровными ветрами.

Конструкция мощного ветрогенератора состоит из следующих элементов:

• опорная башня. У образцов меньших размеров это мачта. Башня имеет коническую форму, способствующую большей устойчивости и равномерному распределению нагрузок. Изготавливается на месте путем последовательной заливки бетоном соответствующей опалубки. В основании имеется мощная бетонная площадка, являющая цоколем фундамента, обеспечивающего неподвижность и устойчивость
• гондола. Это камера, внутри которой расположены генераторный отсек, устройства передачи вращения. К ней же присоединяется ротор, конструктивно являющийся продолжением гондолы и образуюший вместе с ней обтекаемую форму. Внешняя часть ротора состоит из хаба и лопастей. Хаб — это центральный обтекатель, установленный на валу генератора и служащий для присоединения лопастей. Гондола имеет возможность вращения вокруг башни для установки на ветер, для чего используется асинхронный электродвигатель и зубчатая передача, опоясывающая всю верхнюю часть башни. Возможность вращения имеется не у всех моделей, для шельфовых ветряков, работающих на потоках двух противоположных направлений, эта функция необязательна.
• генератор турбины представляет собой устройство кольцевого типа. Ротор турбины конструктивно объединен с ротором генератора, это снижает потери и уменьшает материалоемкость. Для подобных конструкций принципиально важно в максимальной степени исключить узлы передачи вращения, взамен применяя единые цельные элементы.

Лопасти изготавливаются из специального композитного волокна с включениями стали. В зависимости от размеров они изготавливаются целиком или набираются из отдельных частей. Устройство лопастей предусматривает возможность изменения профиля или угла поворота, позволяя регулировать аэродинамику в соответствии с режимом ветрового потока.

В зависимости от размеров, фирмы-изготовителя и назначения ветряка, могут иметься какие-либо изменения в конструкции, дополнения или иные особенности, присущие только данной модели.

Размеры ветряка

Промышленные ветрогенераторы большой мощности обладают впечатляющими габаритами. Так, уже упоминавшийся Enercon E-126 имеет полную высоту 198 м при размахе лопастей 128 м. Площадь, которую ометают такие лопасти, составляет 12668 м 2 .

Размеры других ветряков соответствуют вырабатываемой мощности. Существуют более крупные или мелкие модели, но все они велики и обладают большим весом. При этом, поверхность земли занимает только основание мачты, вся остальная площадь пригодна для использования под сельское хозяйство.

Примечательно, что мощные ветряки нерентабельны по отдельности. Они используются чаще всего в составе больших ветроэлектростанций, занимающих достаточно большие площади. В составе комплексов насчитываются десятки и даже сотни отдельных установок, объединенных в единую систему и выдающие суммарную мощность в несколько мВт. Они создаются в местах с оптимальными ветровыми условиями, способными обеспечить равномерную нагрузку и стабильную производительность оборудования.

Большие размеры означают высокие цены на оборудование. Так, стоимость турбины Enercon E-126 составляет 11 млн евро. Можно примерно подсчитать стоимость целой ветроэлектростанции, эксплуатационные расходы и затраты на доставку и монтаж таких гигантов. Соответственно, себестоимость энергии достаточно высока, а срок службы относительно низок — около 20 лет.

Мощные ветрогенераторы: сравнительная характеристика

Параметры мощных ветряков напрямую зависят от их мощности. Тип конструкции у всех моделей практически одинаков, так как аэродинамика лопастей, оптимальным образом подходящая для установок высокой мощности, должна соответствовать именно такой конфигурации. Поэтому сравнивать можно только пропорции крыльчатки того или иного устройства. Гораздо проще рассматривать мощность установок, поскольку она важнее для любых расчетов и может сказать гораздо больше для потенциального пользователя.

Флагманами в этом направлении являются известные фирмы Siemens, Enercon, Vestas и многие другие. Конкуренция между ними весьма жесткая, так как спрос ограничен, ошибки недопустимы. Отсюда высочайшее качество оборудования, отлаженный механизм работы всех узлов и агрегатов. Примечательно, что спрос на крупные устройства намного ниже, чем на менее производительные. Цена оборудования не позволяет широко распространять его повсеместно, выбор делается в сторону меньших расходов.

Промышленные ветровые электростанции

Функционирование нескольких сотен крупных ветряков способно создавать большие мощности. Создание ветровых электростанций позволило решить проблемы с электроснабжением регионов, не имеющих возможности строительства ГЭС или АЭС.

Примечательно, что запрет на строительство АЭС в ряде регионов мира и отсутствие других возможностей явились причинами возникновения множества ВЭС, хотя эксплуатационные и экономические параметры ветряков уступают более традиционным вариантам выработки энергии. Кроме того, ветроэнергетика признана экологически чистым направлением, что также сыграло немалую роль в развитии отрасли.

В последнее время наблюдаются две параллельные тенденции:

• рост числа мощных установок, объединенных в большие станции
• возрастание интереса к частным источникам, дающим возможность автономного существования без использования сетевых ресурсов

Возникает конкурентная ситуация, когда большие вложения в огромные комплексы перестают покрываться доходами от них, а небольшие установки становятся все более выгодными и удобными. Будущее покажет, какая система станет наиболее распространенной и эффективной.

Источник