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

Классификация современных ветроэнергетических установок по мощности

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 01.09.2016 2016-09-01

Статья просмотрена: 2352 раза

Библиографическое описание:

Шепелев, А. О. Классификация современных ветроэнергетических установок по мощности / А. О. Шепелев, Е. Ю. Артамонова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 17 (121). — С. 92-96. — URL: https://moluch.ru/archive/121/33503/ (дата обращения: 18.06.2021).

Классификация современных ветроэнергетических установок по мощности

Шепелев Александр Олегович, магистрант

Артамонова Елена Юрьевна, магистр

Омский государственный технический университет

В данной статье представлена классификация современных ветроэнергетических установок по мощности и область их применения.

Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, классификация, мощность

Применение нетрадиционных и альтернативных источников энергии в настоящее время одна из наиболее распространенных задач, как с точки зрения создания энергоресурсов, так и с точки зрения их потребления.

Особенный интерес к таким источникам энергии исходит от населения, находящегося в зонах, отдаленных от центрального электроснабжения, другими словами в зонах без электрификации. Энергию, получаемую при работе альтернативных источников энергии можно использовать как для постоянного энергоснабжения, так и для резервного энергоснабжения, что особенно удобно для коттеджных поселков, небольших населенных пунктов или стратегических объектов [1].

Россия является одной из стран, обладающих большим энергопотенциалом, в том числе и энергией ветра. Применение энергии ветра в последнее время находит всё большее распространение, как в работах отечественных ученых, так и в разработках зарубежных изобретателей.

Ветрогенераторы — это генераторы электрической энергии, предназначенные для превращения энергии ветра в электрическую. Сегодня ветрогенераторы — высокотехнологичное изделие мощностью от 5 кВт до 4500 кВт единичной мощности. Ветрогенераторы современных конструкций позволяют использовать экономически эффективно энергию даже самых слабых ветров — от 4 метров в секунду. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть», но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов любой мощности [2].

На данный момент существует огромное количество ветроэнергетических установок. Условно их можно поделить на ВЭУ с вертикальной (рис. 1) и горизонтальной (рис. 2) осью вращения. ВЭУ с горизонтальной осью получили большое распространение за рубежом в странах с хорошо развитой инфраструктурой (Германия, Дания, Испания). Также ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения получили большое распространение в оффшорном энергоснабжении (рис. 3). Установки с вертикальной осью постепенно заполоняют рынок и широко используются потребителями средней и малой мощности. Наиболее распространенными видами установок с вертикальной осью вращения являются установки с роторами Дарье и роторами типа Савониуса.

Рис. 1. Ветровые установки с вертикальной осью вращения, на основе ротора Дарье, построенные в Австралии в 1980-х годах

Рис. 2. Ветровые установки с горизонтальной осью вращения

Рис. 3. Оффшорные ветровые установки с горизонтальной осью вращения

В настоящее время ведутся разработки всё большего количества моделей многофункциональных энергетических комплексов, работающих на основе использования в качестве первичных источников ветроэнергетической, солнечной или гидроэнергетической установки, или их комбинации (рис. 4), которые могут быть использованы для автономного гарантированного и бесперебойного питания потребителей [3–5].

Рис. 4. Ветросолнечная электростанция

Разработка устройств систем автономного энергоснабжения актуальна для малонаселённых территорий с неразвитой инфраструктурой и отсутствием электрификации. Потенциальными потребителями ветроэнергетических установок с целью резервирования энергии являются объекты особой группы электроснабжения, военные части, туристические объекты, малые объекты обслуживающей инфраструктуры, небольшие фермерские хозяйства. Так же ветроустановка может применяться как дополнительный источник электроэнергии для снижения затрат при питании от сетевых компаний, это актуально при наличии достаточных ветровых условий, а при применении концентратора это практически любые территории с ветрами более 5м/с. Потенциальным потребителем в этом случае являются частные домохозяйства

Согласно ГОСТ Р 51237–98 [6] все ВЭУ классифицируются на 4 класса мощности.

ВЭУ очень малой мощности. Под данный класс попадают все типы ВЭУ мощностью до 5 кВт. Генераторы таких ВЭУ как правило вырабатывают постоянное напряжение. ВЭУ переназначены для электроснабжения отдельных потребителей с использованием аккумуляторных батарей или других видов накопителей энергии. Такие ВЭУ могут работать с другими источниками энергии (солнечными батареями, ДЭС) на шине постоянного напряжения. Монтаж ВЭУ осуществляется бескрановым способом.

Наибольший эффект от использования ВЭУ очень малой мощности можно получить, если их устанавливать на возвышенностях, берегах рек и крупных озер.

ВЭУ малой мощности. Под данный класс попадают все типы ВЭУ мощностью от 5 до 100 кВт. Данные ВЭУ, в зависимости от технического исполнения могут работать на шину постоянного напряжения децентрализованного потребителя, так и на шину переменного напряжения небольшого поселка. Для электроснабжения поселков возможно использовать ВЭУ малой мощности от 30 кВт и более. ВЭУ малой мощности выполняются как с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения. Монтаж ВЭУ осуществляется бескрановым способом.

ВЭУ малой мощности перспективно использовать для электроснабжения удаленных поселков и отдельных потребителей, не имеющих централизованного электроснабжения.

ВЭУ средней мощности. Под данный класс попадают все типы ВЭУ мощностью от 100 до 1000 кВт. В данном классе с большим отрывом преобладают ВЭУ с горизонтальной осью вращения. Данный класс ВЭУ предназначен в основном для работы с децентрализованной системой электроснабжения небольшого поселка, предприятия или военной базой. ВЭУ средней мощности более производительны, чем ВЭУ малой и очень малой мощности. Такие ВЭУ возможно установить в северных населенных пунктах, где имеется существенный энергодефицит. Строительство ветропарков из ВЭУ средней мощности не будет требовать завоза и использования крановой техники, что весьма проблематично в условиях северных территорий нашей страны.

ВЭУ большой мощности. Под данный класс попадают все типы ВЭУ мощностью более 1000 кВт. В данном классе в свободной продаже имеются только ВЭУ с горизонтальной осью вращения. ВЭУ большой мощности имеют высокие башни высотой от 70 до 120 метров. Самая большая ВЭУ в мире «Enercon E-126» имеет мощность 7 МВт и диаметр лопастей 126 метров.

При использовании ВЭУ большой мощности возникает ряд определенных трудностей, связанный с условиями эксплуатации ВЭУ. Ветровые потоки в различных слоях атмосферы имеют различные направления и скорости движения. Особенно это свойственно для континентальной зоны, где завихрения ветрового потока создаются шероховатостями поверхности (лесом, рельефом, возвышенностями и т. д.). Ветроколеса большого диаметра могут сильно терять в производительности по указанной выше причине.

ВЭУ большой мощности мультимегаваттного класса перспективно использовать ВЭУ в прибрежных и оффшорных зонах. Водная гладь не имеет шероховатостей и создаваемый воздушный поток будет достаточно равномерным на всей ометаемой площади.

1. Бубенчиков, А.А Выбор оптимального генератора для ветроустановки / А. А. Бубенчиков, Р. А. Дайчман, Е. Ю. Артамонова, Т. В. Бубенчикова, А. А. Гафаров, И. А. Гаибов // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 10(41) — С. 18–22.
2. Дайчман Р. А. Выбор ветроустановок для систем автономного электроснабжения // Молодой ученый. — 2015. — № 24. — С. 117–121.
3. Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии: пат. 113615 Рос. Федерация: МПК H02J 3/00 / А. Б. Васенин, О. В. Крюков, В. Г. Титов; заявитель и патентообладатель ОАО «Гипрогазцентр». — № 2011138865/07; заявл. 22.09.11; опубл. 20.02.12, Бюл. № 5
4. Система энергоснабжения потребителя на основе комплексного использования классических и возобновляемых источников энергии: пат. 128702 Рос. Федерация: МПК F24H 7/00 F24J 2/00 / А. А. Гуммель, А. Н. Слепченко, Д. В. Батищев; заявитель и патентообладатель ООО СКТБ «Инверсия». — № 2012120399/28; заявл. 16.07.12; опубл. 27.05.13, Бюл. № 15
5. Энергообеспечивающий комплекс на основе альтернативных источников энергии: пат. 113886 Рос. Федерация: МПК H02J 9/06 / А. Ю. Клейман и [др.]; заявитель и патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает ФГУ «Пограничный научно-исследовательский центр ФСБ России». — № 2011136415/06; заявл. 01.09.11; опубл. 27.02.12, Бюл. № 20
6. ГОСТ Р 51237–98. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Термины и определения.

Источник