Основы энергосбережения и нетрадиционные источники энергии

Рис. 2.65. Конструкция безредукторного генератора и общий вид ВЭУ фирмы Enercon:

hub – ступица; yaw system – отклоняющая система; canopy – крышка; bed plate – опорная плита; tower – башня; pitch controller – контроллер шага лопастей; yaw drive – привод отклонения; nacelle – гандола

Рис. 2.66. Общий вид маломощных ВЭУ

111

Рис. 2.67. Применение ВЭУ малой мощности

Широкое распространение получило направление строительства оффшорных ветропарков и, как следствие, появились ВЭУ, предназначенные для использования в шельфовых зонах водных бассейнов

(рис. 2.68).

Рис. 2.68. Общий вид офшорных ветропарков

112

Достоинством офшорных ветропарков является возможность размещения большого количества ВЭУ высокой мощности, меньшее влияние на здоровье населения (шум, оптические эффекты и др.). Однако стоимость их строительства и обслуживание несколько выше, чем для ВЭУ наземного базирования.

В качестве преимуществ ВЭУ с горизонтальной осью вращения можно отметить:

–изменяющийся угол атаки лопастей ветротурбины позволяет использовать энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона;

–высокая мачта способствует использованию энергии ветра на большем расстоянии от земли, что повышает эффективность установки (с увеличением высоты на каждые 10 м скорость ветра увеличивается на 20 %).

Недостатки ВЭУ с горизонтальной осью вращения:

–необходимость применения высоких мачт (башен) с высотой более 100 м и длинных лопастей затрудняет их транспортировку

имонтаж (стоимость транспортировки и монтажа составляет до 20 % от общей стоимости проекта);

–для монтажа ветроустановок большой мощности требуется специальное оборудование (подъемное) и высококвалифицированные кадры, поэтому производство таких ВЭУ осуществляется только небольшим количеством стран;

–из-за больших размеров ВЭУ они оказывают помехи на радиосвязь и работу радиолокационных установок;

–необходимость в специальных системах ориентации ветротурбины на ветер.

2.3.3.Конструктивные особенности и характеристики ВЭУ

свертикальной осью вращения

В настоящее время используются разновидности конструкций роторов ВЭУ с вертикальной осью вращения: Савониуса; Савониуса спиральной конструкции; Дарье; Гиромила; Геликоидый и др.

Ротор Савониуса создан одноименным финским инженером в 1922 г. (рис. 2.69, 2.70). Принцип его работы заключается в следующем. При воздействии воздушных масс на разомкнутые диафрагмы полукруглого или логарифмического профиля ветроротора

113

Савониуса, возникает разница сил сопротивления диафрагм ветровому потоку. При обтекании вогнутой диафрагмы коэффициент сопротивления ветровому потоку равен примерно 1,3. При обтекании этой же диафрагмы в противоположном направлении коэффициент сопротивления 0,35. Разница сил сопротивления приводит к созданию на приводном валу крутящего момента.

Рис. 2.69. Принцип работы и общий вид ротора Савониуса

В настоящее время выпускается несколько конструктивных вариантов ВЭУ на основе ротора Савониуса, которые отличаются компоновкой роторов, их количеством в установке, применяемыми материалами.

Рис. 2.70. Конструктивные варианты ВЭУ на основе ротора Савониуса

114

Высокая материалоемкость и трудности с балансировкой препятствуют промышленному изготовлению мощных ветророторов Савониуса. ВЭУ с такими ветродвигателями предназначены для автономных технологических объектов с невысокими потребляемой мощностью и качеством энергии.

В настоящее время диафрагмы роторов изготавливаются из пластика, что снижает их стоимость, упрощает балансировку.

Преимуществами ветроэнергетических установок этого типа являются низкий уровень шума, небольшая занимаемая площадь, отличная работа на малых ветрах (3–5 м/с). Поскольку это ротор с вертикальной осью вращения, то он не нуждается в устройствах ориентировании на ветер, что значительно упрощает конструкцию – ветроколесо отличается исключительной простотой. Однако эта турбина являются самой тихоходной, и, как следствие, имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра, всего 0,18–0,24 и коэффициент использования мощности – 17–18 %.

Ротор Дарье (французский авиаинженер, изобретение 1931 г.) представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух и более аэродинамических крыльев, закрепленных на радиальных балках (рис. 2.71).

Рис. 2.71. Общий вид и принцип работы ВЭУ на основе роторов Дарье

На каждое крыло, движущееся относительно потока, действует подъемная сила, величина которой зависит от угла между вектора-

115

ми скорости потока и мгновенной скорости крыла. Максимального значения подъемная сила достигает при ортогональности данных векторов. Ввиду того, что вектор мгновенной скорости крыла циклически изменяется в процессе вращения ротора, момент силы, развиваемый ротором, также является переменным.

Поскольку для возникновения подъемной силы необходимо движение крыльев, ротор Дарье характеризуется плохим самозапуском. Самозапуск улучшается в случае применения трех и более лопастей, но и в этом случае требуется предварительный разгон ротора.

Турбина Гиромила (разновидность турбины Дарье) (рис. 2.72).

Вотличие от турбины Дарье лопасти имеют прямую конструкцию

иследующие преимущества:

–высокий стартовый момент;

–широкая кривая вращательного момента;

–относительно низкая скорость вращения лопастей, меньшие напряжения на лопастях;

–более высокая эффективность;

–лучшая работа при ветровых турбуленциях.

Рис. 2.72. Общий вид ВЭУ на основе турбины Гиромила

116

2.3.4. Автономное и сетевое использование ВЭУ

Несмотря на достаточно развитую систему государственного электроснабжения, всегда существует потребность в автономном энергообеспечении, независимом от централизованной поставки энергии. Вызвано это тенденцией развития мелких, но весьма эффективных фермерских хозяйств усадебного типа. Не исчезли проблемы в энергоснабжении и крупных сельскохозяйственных предприятий, объединяющих в силу своей производственной специфики, обширную сеть локально расположенных производственных объектов на довольно большом расстоянии от электросетей. Эта проблема может быть решена с применением автономных ветроэнергетических установок (рис. 2.73).

Рис. 2.73. Автономное использование ВЭУ

Любая автономная система, в том числе и ветроэлектрическая, работает независимо от сети централизованного энергоснабжения. В этих условиях ВЭУ может функционировать самостоятельно, использоваться как дублер любого другого генератора или применяться в сочетании с другими энергетическими установками в качестве компонента комбинированной системы энергоснабжения. Такие системы используются также для подъема воды или для электроснабжения домов, ферм или производственных помещений малых предприятий.

117

венных нужд, а «излишки сдаются» в электросети по белее высоким («зеленым») тарифам.

Системный инвертор/ зарядное устройство

АКБ

датчик температуры АКБ

Рис. 2.75. Схема комплексного использования ВИЭ для автономного энергообеспечения потребителей

В этом случае у потребителя должен быть установлен дополнительный счетчик электроэнергии (счетчик обратной последовательности), передаваемой в общественную сеть и ВЭУ зарегистрирована в Министерстве природных ресурсов и защиты окружающей среды, как возобновляемый источник.

Мощность подключаемой ветроэнергетической установки в этой ситуации должна быть не ниже 10 кВт. Максимальная мощность подключаемых ВЭУ не должна превышать 20 % мощности энергосистемы, так как могут возникать колебания частоты и напряжения.

119

Значительные проблемы для устойчивой работы энергосети, равномерности выработки и передачи в сеть электроэнергии представляют ветропарки с мощностями более 100 МВт (погода – зависимая поставка энергии).

2.3.5. Ветроэнергетические парки

Под ветроэнергетическим парком понимается совокупность ВЭУ, размещаемых и производящих электроэнергию на одной локализованной территории, которые имеют наряду с индивидуальной, общую систему управления и контроля.

Согласно существующим международным нормам и ТКП РБ устанавливаются следующие требования к размещению ветропарков:

–необходимое удаление ветропарка от обитаемых районов (минимальное удаление от одиночных жилых домов на расстоянии не менее 300 м, селений – 800 м);

–уровень шума, распространяемого ВЭУ в ночное время должен находиться в интервале 35–40 децибел;

–расстояние между установками по фронту (по главному направлению ветра) должно быть не менее 3–5 диаметров роторов ВЭУ

(рис. 2.76);

–по глубине главного направления между ВЭУ расстояние должно составлять не менее 8–10 диаметров роторов ВЭУ, по другим направлениям– расстояниедолжно бытьнеменее5 диаметровроторовВЭУ;

–удаление ВЭУ ветропарка от близлежащего лесного массива должно составлять не менее 15 величин высот деревьев лесного массива (рис. 2.77).

Рис. 2.76. Размещение ВЭУ ветропарка по главному направлению ветра

120