Побудова та принцип дії вітрогенераторів
Вітрогенератор (вітрова турбіна) - це пристрій для перетворення кінетичної енергії вітру на електричну. Також вітрогенератори можна умовно поділити на дві категорії: промислові і домашні (для приватного використання). Промислові встановлюються державними органами або великими енергетичними компаніями. Як правило, їх об'єднують у мережу утворюючи в результаті справжні електростанції.
Будова вітрогенератора (вітрової турбіни) наведена на рис., крім того він може містити систему пожежегасіння, телекомунікаційну систему для передачі даних про свою роботу, а також систему захисту від блискавки.
Рис. Будова вітрогенератора: 1 - фундамент; 2 - силова шафа, що включає силові контактори і ланцюги керування; 3 - вежа; 4 - сходи; 5 - поворотний механізм; 6 - гондола; 7 - електричний генератор; 8 - система спостереження за напрямком і швидкістю вітру (анемометр); 9 - гальмова система; 10 - трансмісія; 11 - лопаті; 12 - система зміни куту атаки; 13 - ковпак ротора
Принцип дії всіх вітроустановок один: під напором вітру обертається вітроколесо з лопатями, яке передає крутильний момент через систему передач валу генератора, що виробляє електроенергію. Реальний к.к.д. кращих вітрових колес досягає 45% у разі стійкої роботи при оптимальній швидкості вітру.
Існують дві принципово різні конструкції вітроенергетичних установок (ВЕУ): з горизонтальною і вертикальною віссю обертання.
Мал. 2.16. Конструктивна схема ВЕУ з горизонтальною віссю обертання: 1 – робоча лопать; 2 – трансмісія; 3 – віндроза; 4 – башта; 5 – вал відбору потужності; 6 – електрогенератор
Конструктивна схема ВЕУ з горизонтальною віссю наведена на мал. 2.16. Основними елементами установки є вітроприймальний пристрій (лопаті), редуктор передачі крутильного моменту до електрогенератора, електрогенератор і башта. Вітроприймальний пристрій разом з редуктором утворюють вітродвигун. Завдяки спеціальній конструкції лопатей в повітряному потоці виникають несиметричні сили, які створюють крутильний момент.
Винахід відноситься до електроенергетики і призначене для перетворення енергії вітру в електричну при стабільних параметрах вихідної частоти й напруги. Технічний результат, що полягає в стабілізації частоти й напруги генератора в широкому діапазоні зміни вітрового навантаження, досягається за рахунок того, що вітроенергетична установка містить електромагнітну муфту з обмоткою управління, додаткові конденсатори, пристрій стабілізації напруги, формувач імпульсів, задає генератор частоти, пристрій синхронізації і підсилювач , причому вітродвигун через передавальний пристрій з'єднаний з датчиком швидкості і ведучим валом електромагнітної муфти, яка вихідним валом з'єднана з ротором n-полюсного многоскоростного асинхронного генератора, обмотки якого з'єднані з входом блоку комутації, вихід якого з'єднаний з конденсаторами збудження, додатковими конденсаторами, з вихідними зажимами , пристроєм стабілізації напруги і формувачем імпульсів, який з'єднаний з першим входом пристрою синхронізації, а його другий вхід з'єднаний з задає генератором частоти, вихід пристрою синхронізації з'єднаний зі входом підсилювача, а останній - з обмоткою управління електромагнітної муфти.
Оскільки вітер може змінювати свою силу і напрям, вітрові установки обладнуються спеціальними пристроями контролю і безпеки. Ці пристрої складаються з механізмів розвороту вісі обертання за вітром (віндроза), нахилу лопатей відносно землі при критичній швидкості вітру, системи автоматичного контролю потужності та аварійного відключення для установок великої потужності.
Найчастіше на ВЕС (мал. 2.17) використовується трилопатеве вітроколесо з горизонтальним розташуванням вісі ротора. Удосконалення відбуваються шляхом збільшення розмірів лопатей, покращення техніко-економічних показників енергетичного обладнання і електронного управління, використання композитних матеріалів і застосування більш високих башт. Деякі ВЕУ функціонують зі змінною швидкістю або взагалі не використовують редуктор і працюють за методом прямого приводу. Так, при потужності ВЕУ 2,5 МВт діаметр лопатей вітроколеса досягає 80 м, а висота башти більше 80 м.
Мал.
2.17. Вітрова електростанція Shiloh II (США,
штат Каліфорнія) введена в дію в лютому
2009 року
ВЕУ з вертикальною віссю обертання мають переваги перед установками з горизонтальною віссю, які полягають у тому, що зникає необхідність у пристроях орієнтації на вітер, спрощується конструкція і знижуються гіроскопічні навантаження, обумовлені додатковим напруженням в лопатях, системі передачі та інших елементах установки, з’являється можливість встановлення редектора з генератором в основі башти. Конструктивна схема ВЕУ з вертикальною віссю обертання наведена на мал. 2.18.
У залежності від потужності генератора вітроустановки підрозділяються на класи, їх параметри і призначення наведені в табл. 2.2.
На сьогодні розроблена і використовується значна кількість схем перетворення енергії вітру в електричну енергію постійного чи змінного струму або для виконання механічної роботи.
Середньорічне вироблення електроенергії з 1 км2 площі ВЕС при різних швидкостях вітру наведено в табл. 2.3.
Основними недоліками ВЕС є:
• Непостійне і нерівномірне вироблення електроенергії як протягом доби, так і за сезонами року, що пов’язано з наявністю вітру і його швидкістю.
• Використання значних площ земельних ресурсів. Так, для ВЕС потужністю 1000 МВт треба загальна площа 70–200 км2, хоча більша частина цих земель може бути використаною в сільському господарстві та ін. (сама ВЕС займає 1% загальної площі). При використанні ВЕС морського базування цей недолік зникає. Уявіть собі ситуацію: по телебаченню йде цікава передача або Ви очікуєте гостей на вечерю і раптом зникла електроенергія (відомо, що це не є несподіванкою в сьогоднішніх умовах, особливо в сільських та приміських районах). Що робити? Другий варіант. Ви бажаєте спокою та тиші, і тому збудували чи придбали своє житло вдалині від інших будівель. "Тягнути" до свого помешкання лінію електропередач з усіма атрибутами, як то стовпи, дроти, трансформатори - це не кожному по кишені. Знову постає питання - що робити?. Третій варіант. Сучасна технологія виробництва тваринної продукції передбачає організацію відгінно-пасовищного утримання тварин в літній період. Випас тварин проводиться на культурних пасовищах, які обладнані електроогорожею. Де взяти енергію для живлення цієї огорожі та створення належних побутових умов обслуговуючому персоналу? Приводити таких прикладів можна багато, але відповідь на них одна -обладнайте об'єкт споживання енергії автономним джерелом енергії, бажано, безперебійним. Серед існуючих автономних джерел енергії вітроенергетичні системи мають деякі незаперечні переваги по відношенню до інших: це в першу чергу екологічна чистота і низький рівень експлуатаційних витрат. Виключається необхідність у забезпеченні установок паливом, його збереженні, транспортуванні, а вітер є майже повсюди. Що ж являють собою вітроенергетичні установки (ВЕУ) малої потужності для безперебійного живлення автономних енергоспоживачів? Ця установка (ВЕУ-08) призначена для безперебійного забезпечення електроенергією автономних споживачів потужністю до 1,5 кВт. До її складу входить: - Трьохлопатевий ротор діаметром 3,1 м з системою регулювання обертів, в залежності від швидкості вітру; - Електрогенератор на постійних магнітах потужністю 800 Вт з вихідною напругою 28 В; - Блок управління і перетворення номінальною потужністю 1,5 кВт (максимальна при перевантаженні до 3 сек. - 3,0 кВт) який виконує наступні функції: • накопичення енергії, що виробила ВЕУ, у акумуляторній батареї (АБ); • контроль за станом АБ і дотримання режимів роботи, що забезпечують продовження термінів експлуатації АБ при зберіганні їх споживчих властивостей; • перетворення накопиченої в АБ енергії з 24 В постійного струму в 220 В 50 Гц змінного струму; • цифрова індикація поточних параметрів; • автоматична комутація навантажень на мережу або на ВЕУ в залежності від режимів роботи, наявності вітру і наявності електроенергії в мережі; • підзарядка АБ від мережі при відсутності вітру.
Водночас система вітроенергетичних установок має і недоліки, оскільки вітрогенератори:
- створюють високий рівень шуму;
- потребують відведення значних земельних площ: вітроагрегати близько один до одного розміщувати не можна, тому що вони перешкоджатимуть один одному в роботі - мінімальний проміжок між вітряками повинен бути не менше за їх потрійну висоту;
- потребують значних затрат матеріалів;
- можуть заважати прийому сигналів телепередач на відстані до 1,6 км, оскільки частота обертання лопатей синхронна з частотою передавання телесигналів (використання лопатей зі скловолокна дасть змогу зменшити цю відстань приблизно вдвічі);
- розполохують птахів і звірів порушуючи їх природний спосіб життя;
- можуть бути причиною смерті птахів, які часто потрапляють у лопоті вітрогенератора;
- побутує думка, що вітроустановки є джерелами досить інтенсивного інфразвукового шуму: вітродвигуни генерують нечутні для вуха коливання з частотами нижче за 16 Гц; не дивно, що у багатьох країнах, у тому числі в Ірландії, Великій Британії, місцеві жителі виступають проти розміщення ВЕС поблизу населених пунктів і сільськогосподарських угідь;
- завдає збитків довкіллю виготовлення акумуляторних батарей вітрогенератора;
- встановлення більшої кількості ліній передач електроенергії від численних вітрогенераторів теж шкодить навколишньому середовищу;
>Ветроустановки з конструктивних особливостей в повному обсязі використовують потенційну енергію вітру. Частина енергії втрачається з допомогою інерції спокою вітроколеса, частина – з допомогою режиму регулювання і частина – з допомогою виведення вітроколеса з-під вітру.
>Утилизируемая енергія вітру залежить від з трьох основних параметрів, званих базовими швидкостями вітру. Перший параметр – мінімальна швидкість вітру (v>min), коли він вітроколесо починає обертатися. Другий – розрахункова швидкість (v>p), коли вінветроустановка входить у розрахунковий режим і розвиває номінальну потужність. Третій – максимальна швидкість вітру (v>max), швидкість вище максимальної стає критичної для вітроустановки.
У діапазоні швидкостей мінімальної до робочоїветроустановка розвиває тим більший потужність, що більше швидкість вітру. При швидкості вітруvvр з допомогою спеціальногорегулировочного устрою автоматично встановлюється постійний режим обертання вітроколеса і вироблюваної потужності. Якщоvv>max, вітрової натиск наветроустановку стає критичним і з умові механічної міцності відбувається її відключення.
Потужність, вироблюванаветроустановкой, відрізняється від потужності,развиваемойветроколесом, на величину втрат при перетворенняутилизируемой енергії вітру у корисну:
, кВт (10.11)
чи з одиниціометаемой площі вітроустановки:
,кВт/м2 , (10.12)
де п – коефіцієнт корисної дії ВЕУ, враховує втрати під час передачі потужності від валу вітроколеса до робочої машини.
Дляветроелектрической установки
п = р· р,
де р, р – ККД редуктора і генератора відповідно.
Для найдосконаліших конструкцій двох- ітрехлопастних ВЕУ можна взяти = 0,4, сумарний ККД п = 0,8 означити все постійні складові коефіцієнтом = 2·10-4.