Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Нетрадиционные источники энергии. Учебное пособие для СПО
.pdf
ре 2009 г. Турбина под названием Hywind весит 5 300 т при высоте
65 м. Располагается она в 10 км от острова Кармой, неподалёку от
юго-западного берега Норвегии.
Стальная башня этого ветрогенератора уходит под воду на глубину 100 м. Над водой башня возвышается на 65 м. Диаметр ротора
составляет 82,4 м. Для стабилизации башни ветрогенератора и погружения его на заданную глубину в нижней его части размещён балласт (гравий и камни). При этом от дрейфа башню удерживают
три троса с якорями, закреплёнными на дне. Электроэнергия передаётся на берег по подводному кабелю.
Компания планирует в будущем довести мощность турбины
до 5 МВт, а диаметр ротора – до 120 м.
Парящая
Парящей называют ветряные турбины, размещенные высоко
над землей для использования более сильного и стойкого ветра. Концепция разработана в 1930-е г.г. в СССР инженером Егоровым.
Текущим рекордсменом считается «Парящая ветряная турбина
Altaeros» (Altaeros Buoyant Airborne Turbine (BAT)), которая будет
установлена на высоте 1000 футов (304,8 м) над землей.
Этот пилотный проект промышленного масштаба будет находиться на высоте 275 футов выше, чем текущий рекордсмен – Vestas
VI64-8.0-MW. Производитель Vestas совсем недавно установил свой
прототип в Датском национальном центре тестирования больших
турбин (Danish National Test Center for Large Wind Turbines) в Остерильде (Osterild). Высота расположения оси Vestas 460 футов (140 м),
лопасти турбин в высоту более 720 футов (220 м).
У Altaeros мощность турбины 30 кВт. Этого достаточно
для обеспечения энергией 12 домов. Для поднятия на такую высоту
Altaeros использует невоспламеняемую надувную оболочку, наполненную гелием. Проводником для произведенной энергии служат высокопрочные канаты.
Мировые лидеры по производству ветряных электростанций:
VESTAS, NORDEX, PANASONIC, VERGNET, ECOTECNIA,
SUPERWIND и др.
11
1.3. ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕТРЯНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Основную проблему ветряных электростанций вызывает непостоянная сила ветра. При этом мощность ветряных электростанций
в каждый момент времени переменна. Невозможно иметь от одной
ветроэлектростанции стабильное поступление определенных объемов
электроэнергии [2].
Ветряные электростанции имеют аккумуляторы для накопления
электроэнергии для более равномерной и стабильной работы системы.
По этой же причине возникает необходимость объединения ветряных
электростанций в энергосистемы и комплексы с иными способами получения электроэнергии. Это, прежде всего, газовые генераторы, микротурбины, солнечные электростанции – батареи на фотоэлементах.
Недостатки
1. Ветер от природы нестабилен, с усилениями и ослаблениями.
Это затрудняет использование ветровой энергии. Поиск технических
решений, которые позволили бы компенсировать этот недостаток, –
главная задача при создании ветряных электростанций.
2. Ветрогенераторы имеют высокую стоимость, что ведет
к большому сроку окупаемости.
3. Ветряные электростанции создают вредные для человека шу-
мы в различных звуковых спектрах. Обычно ветряные установки
строятся на таком расстоянии от жилых зданий, чтобы шум не превышал 35-45 дБ.
4. Ветряные электростанции создают помехи телевидению и раз-
личным системам связи. Применение ветряных установок – в Европе
их более 26 000 – позволяет считать, что это явление не имеет определяющего значения в развитии альтернативной электроэнергетики.
5. Ветряные электростанции причиняют вред птицам, если раз-
мещаются на путях миграции и гнездования.
Преимущества
1. Ветряные электростанции не загрязняют окружающую среду
вредными выбросами.
12
2. Ветровая энергия при определенных условиях может конку-
рировать с невозобновляемыми энергоисточниками.
3. Источник энергии ветра – природа – неисчерпаема.
1.4. ВЕТРЯНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В РОССИИ
Российская Федерация – это страна с большой территорией, расположенной в разных климатических зонах, что определяет высокий
потенциал использования ветряных электростанций. Технический потенциал составляет более 6200 млрд кВт·ч или в 6 раз превышает всё
современное производство электроэнергии в нашей стране. В России
за последнее десятилетие построен и пущен в эксплуатацию ряд ветряных электростанций. В Башкортостане установлены четыре ветряных электростанции мощностью по 550 кВт. В Калининградской области смонтировано 19 установок. Мощность парка ветряных электростанций составляет ~5 МВт. На Командорских островах возведены две ветротурбины по 250 кВт. В Мурманске вошла в строй ветроустановка мощностью 200 кВт. Мощность Сакской ВЭС – 20,83 МВт,
Тарханкутской ВЭС (республика Крым) – 17,25 МВт.
В 2018 г. суммарная мощность ветроэнергетических установок
в мире достигла отметки 539 ГВт, из них на долю оффшорной ветроэнергетики приходится 22 ГВт. При этом 84 % оффшорных станций
располагается в Европе – 18,4 ГВт, а суммарная мощность установок в
Европе в 2018 г. составила 189 ГВт. В России до пуска ВЭС в Ульяновске в 2018 г. общая установленная мощность ветроэнергетических установок составляла всего 105 МВт на оптовом и розничном рынках.
В 2018 г. добавились ВЭС 35 МВт, в 2019 – 50 МВт, оба в Ульяновске.
На 2019 г. суммарная мощность ВЭУ в России составила 198 МВт.
1.5. ВЕТРЯНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Современные ветряные электростанции для дома представлены
в широком ассортименте. Они отличаются производительностью и
рассчитаны на разную силу и скорость ветра. Например, установки
13
мощностью в 400–6400 Вт вполне достаточно для обеспечения энергией небольших хозяйств, магазинов, ресторанов, которые находятся
в удалении от основных источников энергии. Если нужно обеспечить
электричеством несколько домов или небольшой поселок, то нужны
станции большей мощности, в среднем 18000–26500 Вт. Такие же установки целесообразно монтировать рядом с большими производствами и коммерческими объектами. Самые простые ветряные электростанции для дома имеют стоимость от 700 000 руб., более дорогие установки стоят около трех миллионов рублей.
Как было указано ранее, ветряная мельница – достаточно шумная
установка, однако сейчас предлагаются генераторы, которые работают не так мощно. Например, бесшумный ветрогенератор – это идеальное решение для небольших и средних по размерам объектов,
ферм, магазинов, если они располагаются в удаленных районах. Сегодня большой популярностью пользуются вертикальные установки
ввиду своей эффективности и простоты монтажа. Преимущества такой системы следующие:
– работа без вибраций;
– устойчивость к сильному ветру;
– защита корпуса алюминиевым покрытием от молнии;
– не имеет значение направление ветра.
Бесшумные домашние ветряные электростанции просты в уходе,
монтаже, поскольку здесь нет мелких деталей. Еще один интересный
вариант – парусный генератор. Он не отличается привлекательным
дизайном, однако может выработать энергию даже при слабом ветре.
Подобные ветряные электростанции хороши тем, что благодаря парусу они быстро подстраиваются под движение сил природы, значит, и
выработка энергии происходит стабильно. Конструкции абсолютно
экологичны, имеют низкую стоимость, работают без шума и вибраций, а это говорит о том, что у них есть будущее.
14
1.6. ВИДЫ ВЕТРОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра.
Классификация ветроэлектрогенераторов на основе перечисленных выше признаков, конечно, не исчерпывает всего многообразия
возможных конструкций ветроустановок. Особенно это касается наиболее перспективных установок, использующих специальные устройства для увеличения скорости набегающего ветрового потока.
Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения
могут использовать для преобразования энергии ветроподъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную
силу, предпочтительнее, так как они могут развить в несколько раз
большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы
сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться
со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого поверхности, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными (быстроходность – отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь
лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости
единицы установленной мощности.
Ветроколесо может быть выполнено с различным числом лопастей:
от одномастных устройств с контргрузами до многопластных (с числом
лопастей до 50 и более). Для снижения изгибающих нагрузок у корня
лопастям часто придают сужающуюся к периферии форму. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств применяется только при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной,
ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветродвигателей
15
обычно используются для этой цели хвостовые оперения, у больших –
сервосистемы.
Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой
скорости ветра применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, применение клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана,
расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти
могут быть непосредственно закреплены на валу ветроколеса или же
вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.
Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может
располагаться в рабочем положении перед башней или за ней.
Конструкция ветрогенератора представлена на рис. 1.
Рис. 1. Конструкция ветрогенератора:
1 – фундамент; 2 – силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления;
3 – башня; 4 – лестница; 5 – поворотный механизм; 6 – гондола; 7 – электрический
генератор; 8 – система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр);
9 – тормозная система; 10 – трансмиссия; 11 – лопасти;
12 – система изменения угла атаки лопасти; 13 – колпак ротора
16
Современный вариант старинного ветроколеса с парусными лопастями, сконструированный в Принстонском университете из металлических труб и обшивки, имеет форму, близкую к форме воздушного
винта, и называется иногда парусным крылом. Оно имеет жесткую
трубчатую переднюю кромку, на которой закреплены короткие рейки
по форме концевой и корневой ход. Между их свободными концами
натянут трос, который служит задней кромкой лопасти.
В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух- и трехлопастные ветроколеса, последние отличаются плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, расположены, обычно наверху опорной башни в поворотной головке. Их
удобнее размещать внизу, но возникающие при этом сложности с передачей крутящего момента обесценивают преимущества такого размещения. Многолопастные колеса, развивающие большой крутящий
момент при слабом ветре, используются для перекачки воды и других
целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.
Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью. Ветроэлектро-
генераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении.
Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.
Принципиальными недостатками таких установок являются:
1) гораздо большая подверженность их усталостным разрушениям изза более часто возникающих в них автоколебательных процессов и
2) пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным
пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются.
Наиболее распространенные типы вертикально-осевых установок
следующие.
1. Чашечный ротор (анемометр). Ветроколесо этого типа вра-
щается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспе-
17
чивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса
от скорости ветра.
2. Ротор Дарье. Вращающий момент создается подъемной си-
лой, возникающей на двух или трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила
максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется
в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор,
как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется
генератор, работающий в режиме двигателя (рис. 2, а, б).
3. Ротор Савониуса. Это колесо также вращается силой сопро-
тивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т.е. отличаются простотой и дешевизной. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению,
оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это ветроколесо обладает большим крутящим моментом и используется для перекачки воды (рис. 2, в).
4. Ротор Масгрува. Лопасти этого ветроколеса в рабочем со-
стоянии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться
или складываться вокруг горизонтальной оси при отключении. Существуют различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при сильном ветре.
5. Ротор Эванса. Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и
при управлении поворачиваются вокруг вертикальной оси.
Рис. 2. Схемы ветрогенераторов с вертикальной осью вращения:
а – Ротор Дарье; б – Н-ротор Дарье; в – ротор Савониуса
18
Концентраторы. Мощность ветроэнергоустановки зависит от
эффективности использования энергии воздушного потока. Одним из
способов ее повышения является использование специальных концентраторов (усилителей) воздушного потока. Для горизонтальноосевых ветроэлектрогенераторов разработаны или предложены различные варианты таких концентраторов. Это могут быть диффузоры
или конфузоры (дефлекторы), направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади, большей сметаемой площади ротора, и некоторые другие устройства. Широкого распространения в промышленных установках концентраторы пока не получили [3].
1.7. СХЕМЫ РАБОТЫ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
Возможны несколько вариантов схем работы ветрогенератора.
Одна из них, схема автономного обеспечения объекта с аккумуляторами, изображена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема работы ветрогенератора
Возможный вариант работы схемы: ветер раскручивает лопасти
ветряка, тот, в свою очередь, вращает ротор ветрогенератора. На зажимах статора возникает ЭДС, которая через контроллер выпрямляется и заряжает аккумуляторы. К аккумуляторам через тот же кон-
19
троллер подключен инвертор, преобразующий электроэнергию постоянного тока в напряжение фиксированной (промышленной) частоты и амплитуды.
Также возможны схемы подключения ветрогенератора на работу
параллельно с сетью и без аккумуляторных батарей (рис. 4, 5). Такие
схемы позволяют переключаться на энергию сети в случае отсутствия
ветра. В схеме на рис. 4 ABP 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 ABP переключает потребителя на аккумуляторные батареи ветрогенератора при потере питания от электросети. В схеме на рис. 5 общественная электросеть используется вместо аккумуляторных батарей – в неё поступает вся выработанная электроэнергия и потребляется из нее. Потребитель при этом оплачивает только разницу между выработанной и
потребленной электроэнергией. Такая схема работы является перспективным вариантом с точки зрения постройки распределенных
электростанций (SmartGrid).
Рис. 4. Работа ветрогенератора с аккумулятором и коммутацией с сетью
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]