Глава I

Общие сведения о ветроэнергетике

1.1 Энергия, отнимаемая у ветра

Из закона сохранения энергии следует, что если мы отнимем у ветра всю его энергию, то воздушный поток остановится, поэтому мы не можем отнять энергию у следующей его части. Значит, отнимать энергию надо с умом, замедляя его скорость до такой степени, чтобы процент извлечения ветровой энергии был максимальный. Немецкий физик А.Бец в 1919 г. доказал, что ветряк может извлечь не более 16/27 мощности ветра. Вот так выглядит это простое доказательство. Допустим, через лопасти ветряка воздух движется со средней скоростью, равной полусумме скоростей до и после ветряка

.

Тогда за 1 с через ветряк поперечной площадью S проходит масса воздуха,

где - плотность воздуха. Мощность, отбираемая ветряком у ветра, равна

Если нормировать мощность P на величину мощности ветра

,

то окажется, что

.

Зависимость доли извлекаемой мощности ветра p/p₀ от отношения скоростей воздуха после и до ветряка легко построить, используя электронные таблицы Excel, и убедиться, что А. Бец был прав, утверждая, что максимальная эффективность ветряка(59%)соответствует тому случаю, когда скорость ветра за ветряком уменьшается в 3 раза.

1.2 Ветроагрегаты

1.2.1 Обзор типов ветроэлектрических установок (вэу)

Современные ВЭУ - это машины , которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающегося ветроколеса, а затем в электрическую энергию.

2

3

Рисунок 1.

1.2.2 Типы мачт ветроустановок

В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов:

Горизонтально-осевые (рис.1-1) и вертикально – осевые ветродвигатели (рис. 1-2). Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа. Мощность ВЭУ может быть от сотен ватт до нескольких мегаватт.

Ранее в ветроустановках применялись ветроколеса так называемого «активного» типа (рис.1-3), (карусельного и др.), использующие силу давления ветра (в отличие от выше указанных ветроколес,

использующих подъемную силу).

Рисунок 1. Однако, такие установки имеют очень низкий КПД

(менее 20 %), поэтому в настоящее время для производства энергии не применяются.

Рисунок 3

1.2.3 Основные компоненты ветроэлектрических установок промышленного применения

1. Ветроколесо (ротор), преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянная. Для автономных с выпрямителем и инвертором - обычно переменная;

2. Вал ротора – предает механическую энергию мультипликатору;

3. Шкаф контроля – содержит устройства слежения за параметрами ветра, скоростью, направлением и в зависимости от них производит переключения режимов работы;

4. Мультипликатор – промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах, в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;

5. Тормозной механизм, включается автоматически при скоростях ветра, больших номинальной скорости ветра. При скоростях ветра близких к критической, ветроустановка полностью останавливается, и лопасти ветроколеса переводятся в защитное положение;

6. Анемометр – прибор, измеряющий скорость и направление ветра. Данные затем передаются системе управления. Прибор может иметь различное исполнение у ветроустановок разного типа.

7. Радиатор служит для отвода тепла при превышении температуры генератора выше определенного значения. Может отсутствовать у некоторых установок;

8. Генератор может быть установлен как наверху, так и внизу. При нижнем расположении генератора дополнительно используется редуктор;

9. Вал генератора передает вращающийся момент от мультипликатора генератору.

10. Механизм ориентации по ветру служит для изменения положения гондолы в зависимости от направления ветра;

11. Башня, на которой установлено ветроколесо. Для повышения устойчи- вости ее иногда укрепляют стальными растяжками. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75м. обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчаты башни (рис.4)

12. Основание (фундамент)- предназначено для предотвращения падения

установки при сильном ветре.