2.4.4.Ветроэнергетические установки
Одним из перспективных направлений развития возобновляемой энергетики является ветроэнергетика. Рост ветроэнергетики в развитых странах, особенно в Европе, длительное время был обусловлен проблемой глобального изменения климата. Использование энергии ветра не только помогает решить многие проблемы энергоснабжения удаленных объектов и загородных домов, но и получить независимость от местных энергоснабжающих организаций.
Ветровая энергетика не загрязняет окружающую среду и не зависит от топлива. Более того, ветровые ресурсы присутствуют в любой части мира и их достаточно, чтобы обеспечить растущий спрос на электроэнергию.
Ветрогенератор предназначен для работы в составе автономных систем энергоснабжения, включая ветродизельные комплексы, а также для работы параллельно с сетью.
Автономные ветрогенераторы состоят из генератора, хвостовика, мачты, контроллера, инвертора и аккумуляторной батареи. У классических ветровых установок – 3 лопасти, закреплённых на роторе. Вращаясь, ротор генератора создаёт трёхфазный переменный ток, который передаётся на контроллер, далее ток преобразуется в постоянное напряжение и подаётся на аккумуляторную батарею. Ток, проходя по аккумуляторам, одновременно и подзаряжает их и использует АКБ как проводники электричества. Далее ток подаётся на инвертор, где приводиться в наши привычные показатели: переменный однофазный ток 220В, 50 Гц. Если потребление небольшое, то сгенерированного электричества хватает для электроприборов и освещения, если тока с ветряка мало и не хватает – то недостаток покрывается за счёт аккумуляторов.
Рис. 2.14. Строение ветрогенератора.
Строение ветрогенератора:
Лопасти турбины.
Ротор.
Направление вращения лопастей.
Демпфер.
Ведущая ось.
Механизм вращения лопастей.
Электрогенератор.
Контроллер вращения.
Анемоскоп и датчик ветра.
Хвостовик анемоскопа.
Гондола.
Ось электрогенератора.
Механизм вращения турбины.
Двигатель вращения.
Мачта.
Ветрогенераторы современных конструкций позволяют использовать экономически эффективно энергию ветра. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть» но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов любой мощности.
На рис. 2.15 представлена карта распределения значений среднегодовых скоростей ветра на высоте 10 м по территории России (по данным НАСА). В перспективных для применения ВЭУ регионах среднегодовая скорость ветра должна быть 4 – 6 м/с и более.
Рис. 2.15. Распределение значений среднегодовых скоростей ветра на высоте 10 м по территории России (по данным НАСА).
Значения среднегодовых скоростей ветра будут влиять на мощность ветроэнергетической (ВЭУ) установки. На рис. 2.16 представлена карта расчетных мощностей ВЭУ, чем меньше среднегодовая скорость ветра, тем более мощную установку необходимо ставить для выработки одного и того же количества энергии.
Рис. 2.16. Карта расчетных мощностей ВЭУ.
Возможные объекты применения ветрогенератора:
труднодоступные районы, такие как острова и горы,
сельскохозяйственные объекты,
районы Крайнего Севера,
пограничные, радарные и навигационные посты,
пункты автоматического управления
вышки сотовой связи
метеорологические станции,
коттеджи и загородные дома.
Схемы работы ветрогенератора:
1. Автономное обеспечение объекта (с аккумуляторами). Объект питается только от ВЭУ.
2. Ветрогенератор (с аккумуляторами) и коммутация с сетью. АВР позволяет переключить питание объекта при отсутствии ветра и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Эта же схема может использоваться и наоборот – ветрогенератор, как резервный источник питания. В этом случае АВР переключает вас на аккумуляторные батареи ветрогенератора при потери питания от электросети.
3. Гибридная энергетическая система подразумевает использование ВЭУ совместно с другими источниками энергии (дизель-генератор, солнечные модули, микроГЭС и т.п.). Эти источники энергии дополняют ВЭУ с целью обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителя в безветренную погоду.
Ветро-дизельные системы.
Ветро-дизельная система состоит из ВЭУ и дизель-электрической системы (ДЭС) с оптимально подобранными мощностями. Обычно дизель-генератор используется в сочетании с ВЭУ в случае, когда целью использования последней является экономия дизельного топлива, стоимость которого с учетом расходов на доставку может быть очень высокой. Соотношение мощности компонентов системы зависит от схемы генерирования нагрузки и ресурсов ветра.
Режим одновременной параллельной работы ВЭУ и ДЭС оценивается как недостаточно эффективный способ использования ВЭУ, поскольку доля участия ветроагрегата в системе по мощности не должна превышать 15-20 % от мощности дизель-генератора. Такие режимы можно использовать для экономии топлива в гибридных установках большой мощности. Использование режима раздельной работы ВЭУ и ДЭС позволяет поднять долю участия ветроустановки до 50-60% и более. Однако, в этом случае неизбежно усложнение системы.
Гибридные ветро-дизельные системы мощностью от 2 до 500 кВт различных конструкций и назначения в настоящее время испытываются, разрабатываются или планируются к реализации в рамках Федеральной программы «Энергоснабжение удаленных территорий Крайнего Севера РФ». Как правило, эти гибридные системы предназначены для надежного электроснабжения автономных потребителей с одновременной экономией жидкого топлива.
Ветро-солнечные системы.
Электрическая энергия может быть получена за счет преобразования солнечного излучения фотоэлектрическими батареями (ФБ). Несмотря на довольно высокую, в настоящее время, стоимость ФБ, их использование совместно с ВЭУ в некоторых случаях может быть эффективным. Поскольку зимой существует большой потенциал ветра, а летом в ясные дни максимальный эффект можно получить, используя ФБ, то сочетание этих ресурсов оказывается выгодным для потребителя.
Использование ветроустановок совместно с микроГЭС.
ВЭУ могут использоваться в комбинации с микроГЭС, имеющими резервуар для воды. В таких системах при наличии ветра ветроагрегат питает нагрузку, а излишки энергии используются для закачивания воды с нижнего бьефа на верхний. В периоды ветрового затишья энергия вырабатывается микроГЭС. Подобные схемы особенно эффективны при малых ресурсах гидроэнергии.
Преимуществами ВЭУ и ВЭС над другими источниками энергии являются:
Возможность производства энергии без использования органического топлива, технического потребления воды и воздуха;
Экологичность производства электроэнергии за счет отсутствия у вэу выбросов продуктов сгорания топлива, присущих тэц, дэс и аэс;
Возможность быстрого и поэтапного ввода мощностей вэс;
Высокая степень автоматизации вэс, не требующая дежурного персонала;
Малое отчуждение земли и сельскохозяйственных угодий;
Экономическая эффективность.
К недостаткам ВЭУ следует отнести следующие:
Невозможность работы ВЭС без энергосистемы: без электросети для сетевых ВЭС и параллельно работающие ДЭС, ГЭС и пр. для автономных ВЭУ;
Непостоянная и нерегулируемая выработка энергии, требующая дополнительных технических средств регулирования частоты и мощности для уменьшения нагрузки на энергосистему;
Наличие ветроэнергетических штилей с нулевой выработкой ВЭУ, требующее для автономных ВЭУ дополнительных весьма дорогих аккумулирующих систем или резервных источников энергии;
Относительно малый коэффициент использования установленной мощности;
Потребность в дополнительных ЛЭП большой протяженностью для ВЭУ, возводимых в местах с высоким ВЭП, но удаленных от потребителя энергии;
Потребность в высотных автокранах большой грузоподъемности для монтажа современных ВЭУ большой мощности, а также транспортных средств доставки негабаритных ВЭУ в труднодоступные места;
Шумовое и электромагнитное воздействие ВЭУ на технику, человека и биоту;
Возможное отрицательное влияние ВЭУ и ВЭС на популяции птиц и животных;
Визуальное отторжение, состоящее в противоречии эстетическому восприятию или привычному ландшафту вида больших ВЭС.
Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота. По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 миллиарда тонн.