Ветрогенераторные электростанции (ВЭС)

Ветроэнергетика - отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2010 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 196,6 гигаватт. В 2014 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 706 тераватт-часов (3% всей произведённой человечеством электрической энергии).

Основные классифицирующие признаки ветроэнергетических установок.

По положению оси вращения ветроколеса.

Ось вращения может быть параллельна или перпендикулярна воздушному потоку. В первом случае установка будет горизонтально-осевой, во втором - обычно вертикально-осевой.

По типу силы, приводящей установку в движение.

Вращающей силой может быть сила сопротивления или подъемная сила. Установки, использующие силу сопротивления (драг-машины), как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъемную силу (лифт-машины), имеют линейную скорость концов лопастей, существенно большую скорости ветра.

По геометрическому заполнению ветроколеса.

Для большинства установок оно определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые установки используются, например, в качестве водяных насосов и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, вторые - в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения.

На основе обращений клиентов мы можем рассмотреть следующие наиболее часто упоминаемые группы: по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта.

    По количеству лопастей

  • Однолопастные
  • Двухлопастные и трёхлопастные ветрогенераторы
  • Многолопастные ветрогенераторы

Многолопастные ветряки действительно начинают вращаться на меньших скоростях, чем одно-, двух- и трёхлопастные, но для выработки электроэнергии важен не сам факт вращения, а выход на нужные обороты. Для сравнения малооборотные генераторы на постоянных магнитах выдают номинал при 400 оборотах в минуту и выше.

Каждая дополнительная лопасть увеличивает общее сопротивление ветроколеса, а это усложняет выход на рабочие обороты генератора, увеличивая необходимую рабочую скорость ветра. Таким образом, многолопастные действительно будут начинать вращаться при меньших скоростях, для выработки же электроэнергии, многолопастные ветряки создают лишь видимость работы. Своё применение многолопастные ветряки находят там, где требуется поддержание низких оборотов: перекачка воды, работа простейшей механики. Возможна установка повышающих редукторов, однако стоит отметить, что это в целом снижает надёжность системы, а также будет требовать регулярного обслуживания.

    По материалам лопастей

  • Жёсткие лопасти ветрогенератора
  • Парусные ветрогенераторы

К нам часто обращаются с вопросами по поводу установки парусных лопастей на наши ветрогенераторы, указывая в качестве причин их низкую стоимость, а также простоту изготовления. Парусные лопасти действительно стоят значительно меньше жёстких стеклопластиковых и металлических, проще в изготовлении. Но это дешевизна может обернуться большими расходами.

При диаметре ветроколеса в 3 метра на рабочих оборотах генератора (400-600 оборотов в минуту) конец лопасти движется со скоростями в 500 км/ч. Даже в идеальных условиях это серьёзное испытание, а если учесть, что в воздухе постоянно есть взвесь из пыли и песка, то даже для жёстких лопастей требуются ежегодное обслуживание (замена антикоррозийной плёнки на концах лопастей). Однако без обслуживания жёсткая лопасть продолжит работать, чуть потеряв в своих характеристиках и добавив неприятного гудения.

Для парусной же лопасти может потребоваться полная замена не через год, а уже после первых сильных ветров. Поэтому для автономного электроснабжения, где требуется значительная надёжность компонентов системы, применение парусных лопастей не рекомендуется.

    По шагу винта

  • Фиксированный шаг винта
  • Изменяемый шаг винта

Ветрогенераторы с фиксированным шагом винта, к сожалению, обладают большой эффективностью лишь на определённом диапазоне скоростей. Изменяемый шаг винта безусловно позволяет увеличить этот диапазон. Но внедрение этого механизма неизбежно ведёт к усложнению конструкции лопасти, уменьшению общей надёжности ветрогенератора, утяжелению ветроколеса, а значит будут требоваться дополнительные усиления конструкции и дополнительное обслуживание. Всё это приводит к удорожанию всей системы, как при покупке, так и при эксплуатации. Лучшим вариантом, мы думаем, будет фиксированный шаг лопастей, но с изменяемым углом закрутки. Данный шаг позволяет несколько раздвинуть диапазон скоростей, а также не приводит к общему значительному удорожанию ветроколеса или уменьшению надёжности.

Наиболее распространены в мире ветроэлектрические установки с горизонтальной осью вращения. Как правило, они имеют три лопасти. Это оптимальное число лопастей, согласно теории "идеального ветроколеса". Вертикально-осевые установки получили меньшее распространение, в основном из-за более массивной конструкции и низкого коэффициента использования ветра. Основные типы вертикально-осевых установок - чашечный ротор, ротор Дарье (с подтипами - H-ротор Дарье, ротор Эванса, Масгроува, геликоидный ротор Горлова), ротор Савониуса.

Мгновенная мощность ветрогенератора с горизонтальной осью вращения (на примере идеального ветроколеса) может быть определена по формуле:

P=( η*КИЭВ* ρ*V3*π*D2 )/8, где
η - КПД генератора
КИЭВ - Коэффициент использования энергии ветра (КПД)
ρ - плотность воздуха, кг/м3
V - текущая скорость ветра, м/c
D - диаметр, ометаемый концами лопастей (диаметр ветроколеса), м.

Часовая, суточная и годовая генерация может быть посчитана на основе данных метеонаблюдений в текущем месторасположении установки или с помощью распределения вероятностей (гистограмм Вейбулла).

Мгновенная мощность ветрогенератора с вертикальной осью вращения (на примере идеального ротора Дарье) может быть определена по формуле:

P=(η*КИЭВ*ρ*V3*D*H)/2, где
η - КПД генератора
КИЭВ - Коэффициент использования энергии ветра (КПД)
ρ - плотность воздуха, кг/м3
V - текущая скорость ветра, м/c
H - высота ротора, м
D - диаметр ротора, м

Эффективность ветрогенераторов с различными осями вращения

Все крупные ветрогенераторы (от 100 кВт до нескольких мегаватт) могут работать только с ветродвигателем с 3-мя лопастями, т.к. только такая схема динамически сбалансирована и устойчива при больших размерах, а как следствие, и больших нагрузках на конструкцию.

    Преимущества:
  • Уровень шума на 10 дБ ниже
    Недостатки:
  • Низкий КПД
  • Низкая скорость вращения - от 5 до 7 единиц
  • Динамическая балансировка (и в результате лопасть испытывает изгибающий момент от давления ветра)
  • Необходимо синхронизировать поворот лопастей

Почему выгодно использовать одну лопасть в малых ВЭУ?

Ниже мы привели ряд преимуществ и недостатков, которые позволят Вам самостоятельно дать ответ на вопрос "Почему стоит использовать одну лопасть в ветрогенераторах малой мощности?"

    Преимущества:
  • Скорость вращения в 3 раза выше, чем у 3-х лопастной установки - от 10 до 20 единиц
  • Генератор для ветровых установок с высокой скоростью вращения нужно брать менее тихоходный, а соответственно в 1,5-2 раза более дешёвый и более легкий.
  • Высокий КПД
  • Цена в 1.5 - 2 раза ниже, чем у 3-х лопастных ВЭУ
  • Статическая балансировка (лопасть всегда находится в равновесном положении между давлением ветра и центробежной силой от вращения ветродвигателя, поэтому она не испытывает изгибающего момента от давления ветра, как это происходит у жёстко закреплённых на валу генератора 2-х или 3-х лопастей.)
  • Небольшой вес
    Недостатки:
  • Малая площадь всего одной лопасти, что увеличивает стартовую скорость ветра. Решение: увеличение угла установки лопасти при запуске.
  • Лопасть близко подходит к мачте, что увеличивает вероятность поломки, особенно при диаметрах ветродвигателя больше 5м. Решение: генератор и ветродвигатель выносить дальше от мачты.
    Основные недостатки вертикальноосевых ветрогенераторов:
  • Низкий КПД - 15-25% по сравнению с 35-45% у горизонтальноосевых.
  • Низкая скорость вращения при одинаковой скорости ветра (в 5-10 раз ниже!) - а это значит что генератор должен быть в 5-10 раз более мощный и соответственно его цена будет настолько же больше, а генератор в ветряке - это 70-80% стоимости.
  • Высокая материалоёмкость - большая и тяжёлая конструкция, что делает его дороже в изготовлении, а большой вес и динамические нагрузки требуют более мощной и дорогой мачты.
  • А приписываемые им преимущества - бесшумность и отсутствие необходимости направлять на ветер "притянуты за уши" - первое при сравнении не существенно, а второе вообще ничего не решает, цена вопроса - менее 1% стоимости.

Ещё в тридцатых годах прошлого века было доказано, что вертикальноосевые ветрогенераторы (Савониуса, карусельные, роторные, прочие) гораздо менее эффективны и по КПД и по стоимости, чем горизонтальноосевые ветрогенераторы. В современности придуманы еще различные варианты вертикальных ветрогенераторов, но принципиально ситуацию с КПД ветрогенераторов этого типа не улучшило.

Основные критерии, влияющие на выбор места установки, надежность и производительность ветрогенераторной установки (ВЭУ).

    При выборе площадки для ВЭУ обычно руководствуются целым рядом критериев, главными из которых являются:
  • ветровой потенциал местности;
  • рельеф местности и отсутствие препятствий для ветрового потока;
  • подъездные пути для транспортировки оснащения;
  • геологические условия на площадке для строительства фундамента;
  • разработка монтажа и подъема ветрогенераторной установки;
  • расстояние до объекта электроснабжения.
    Выработка электроэнергии ВЭУ зависит от следующих параметров ветрогенераторной установки:
  • 1. малой рабочей скорости ветра;
  • 2. наибольшей рабочей скорости ветра;
  • 3. номинальной скорости ветра;
  • 4. мощности ротора в зависимости от скорости ветра;
  • 5. метода управления;
  • 6. метода регулирования мощности;
  • 7. вышины расположения ротора и др.
    Надежность ВЭУ определяется:
  • 1. предельной скоростью ветра по аспекту прочности конструкции;
  • 2. системой ограничения мощности;
  • 3. качеством применяемых конструкционных материалов;
  • 4. охраной по току цепей ветрогенераторной установки;
  • 5. технологией производства;
  • 6. простотой конструкции;
  • 7. техническим сервисом при эксплуатации и др.
  • 8. стоимость ветрогенераторной установки зависит от простоты конструкции и технологии производства.

В технических данных ветровых генераторов всегда предоставляется номинальная мощность и скорость ветра, при которой она достигается. Как правило, номинальная мощность ветровых генераторов достигается при скоростях ветра 7-11 м/с. При покупке ВЭУ, обязательно следует обратить внимание и на коэффициент эффективности генератора k. Надо при этом иметь ввиду, что все данные по скорости ветра/срабатывания генератора получены при обычном атмосферном давлении и при температуре 15ºС, когда плотность воздуха составляет 1, 225 кг/м3.

Для повышения эффективности работы ветровых электростанций применяют различные технические решения:

  • лучшее место установки ВЭУ - вершина холма или посреди поля. Но в реальной жизни все гораздо сложнее. Если Вы хотите установить ВЭУ рядом с домом, то высота мачты должна быть на 3-5 м выше дома, либо при более низкой мачте ее надо устанавливать от дома на расстоянии не менее 3-х кратной высоты дома, то есть если высота дома 10 м, то мачту надо ставить не ближе 30 м от дома. При наличии высоких деревьев расстояние до них должно быть не менее двукратной высоты дерева.
  • ветрогенератор размещают на высокой мачте. Ветер на высоте 15·20 м даст прирост по выработке электроэнергии более, чем на 20% по сравнению с мачтой вдвое ниже, особенно в застроенной местности. Приведем пример: если увеличить высоту мачты с 5 до 20 метров, выработка увеличится в 2 раза;
  • применяют специальные контроллеры заряда, которые, при низкой скорости, ветра сначала дают лопастям раскрутиться, и только потом подключают нагрузку. В таком режиме ветрогенератор вырабатывает некоторое количество энергии, хоть и небольшое, при слабом ветре.
  • не рекомендуется устанавливать на крыше дома ВЭУ мощностью более 1 кВт, а также крепить мачту к стене дома, так как шум и вибрации будут достаточно ощутимыми по ночам при сильных ветрах.

Достоверные данные о ветре, его энергетические свойства: среднегодовая скорость ветра, годичный ход ветра, т. е. средняя скорость ветра по месяцам года, расположение скорости ветра по фронтам и по градациям скорости, т. е. возможность такого, что средняя скорость ветра станет находиться в определенных спектрах и еще многое иное. Эти данные берутся от наиближайшей метеостанции. Если между ней и будущей площадкой ВЭС расстояние не более 10 - 20 км и нет препятствий (бугры, строения, лес), то на эти данные можно смело положиться.

Некоторые тонкости при расчете вырабатываемой энергии ветрогенератором.

1. Ветрогенератор нужно выбирать только по кВт*часам в месяц, а не по кВаттам. 1-кВтный ветряк с 6-кВтным инвертором вполне может обеспечить ваш дом. И нужно обязательно добавить 10-20% на потери энергии в аккумуляторах. Но, с другой стороны, не нужно брать с большим запасом - оборудование всё-таки достаточно дорогое. Для выбора ветрогенератора сначала Вам необходимо определить своё потребление в кВт*часах в месяц, пиковую (суммарную) мощность всех приборов и постараться узнать среднегодовую скорость ветра в Вашей местности.

2. Для получения электричества в необходимом объёме нужно понимать, что количество вырабатываемой ветряком энергии напрямую зависит от ометаемой площади или максимального сечения ветродвигателя. Для минимального обеспечения пары лампочек, ТВ, холодильника, электрочайника - диаметр ветряка должен быть не менее 2,5 метров при средних по силе ветрах.

3. Особое внимание стоит уделять не только мощности ВЭУ (именно ВЭУ, а не инвертора, входящего в комплект), но и при какой скорости ветра эта мощность может быть получена. Некоторые продавцы представляют завышенные показатели. Для этого не поленитесь подсчитать по несложной формуле мощность, которую способен отдать ветряк с винтом конкретного диаметра. Эта мощность практически зависит только от скорости ветра V и диаметра винта D, а все остальные факторы - количество лопастей, их вес, площадь, профиль, крутка, генератор, подшипники и т.д. - второстепенные и большой погрешности не дают. Упрощенная формула расчета реально отдаваемой ветром мощности в зависимости от скорости ветра и диаметра винта: Р = D2V3/7000кВт, с точностью ±20 % (зависит от КПД винта и генератора). + 20% - идеальная ВЭУ, ее цена увеличится в 2-3 раза. - 20% - первый ветряк энтузиаста-любителя. При равной мощности ВЭУ выбирайте ту, у которой диаметр ветроколеса больше.

4. Как это не парадоксально, но чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями незначительна.

5. Некоторые производители представляют результаты продувок своих ветроэлектрических установок по мощности в аэродинамической трубе. Это хорошо, и говорит о серьезном подходе к делу. Однако, необходимо учитывать, что мощность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30% в следствие ламинарности воздушного потока в трубе.

6. Вертикально-осевые ветрогенераторные установки имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с горизонтальноосевыми. Это примерно как гребные колеса у дореволюционных пароходов по сравнению с обычным винтом любого современного корабля или катера.

7. Не стоит увлекаться поиском ВЭУ, начинающих работать на малых скоростях ветра - до 3 м/с, так как на этих скоростях ветра его энергия ничтожно мала. Например, для ВЭУ с диаметром винта 5 м выдаваемая мощность при скорости ветра 2 м/с будет менее 30 Вт минус половина этой мощности уйдет на всякие потери, а оставшиеся 15 Вт - это ноль для аккумуляторов, рассчитанных на 5кВт. Так что кроме эстетического наслаждения от созерцания вращения ВЭУ вы больше ничего не получите.

Когда установка ветрогенератора имеет смысл.

1. Если у Вас есть недорогое, без перебоев, сетевое электричество, то, наверное, нет смысла его устанавливать, потому что при всей бесплатности ветра стоимость ветроэнергетического оборудования достаточна высока. Хотя, если в Вашей местности очень сильные ветра (среднегодовая скорость ветра 5-6 м/с и выше), то на длительную перспективу это будет оправданно.

2. Если у Вас есть сетевое электричество, но с постоянными перебоями - тоже не повод сразу покупать ветрогенератор - можно купить аккумуляторы и инвертор, который будет их заряжать, когда электричество есть, а при его отключении - будете пользоваться запасённым в аккумуляторах электричеством. Можно добавить еще бензо/дизель/газо/генератор для аварийного резервного снабжения.

3. Если у Вас есть сетевое электричество, но стоит оно дорого. Здесь надо считать - если ветра у Вас слабые - среднегодовые - 1-2 м/с, то нет смысла ставить, если 3 м/с и выше, то в перспективе на три года и больше ветрогенераторная установка себя оправдает.

4. Если у Вас нет сетевого электричества - в этом случае ветрогенераторная установка просто незаменима при любых ветровых условиях, так как генератор на любом виде топлива при длительном использовании обходится очень дорого и доставляет много шума и хлопот по обслуживанию, а применение только фотоэлектрических панелей полностью может покрыть, за адекватную цену, потребности в электроэнергии только в весенне-летне-осенний период.


ООО "Энерготрейд МСК" © 2017 г.