Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенный для преобразования энергии ветра в другие виды энергии (электрическую, механическую, тепловую и т. п.).
Ветроагрегат являясь основной частью ВЭУ, состоит из ветродвигателя, системы передачи ветровой мощности на нагрузку (потребителю) и самого потребителя ветровой энергии (какого-либо устройства: электромашинного генератора, водяного насоса, нагревателя и т. п.).
Ветродвигатель является устройством для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию рабочего движения ветродвигателя.
Рабочие движения, которые совершает ветродвигатель, могут быть разными. На существующих сегодня ветродвигателях в качестве рабочего движения используется круговое вращательное движение. Вместе с тем известны многочисленные предложения (иногда даже реализованные) по использованию других видов рабочего движения, например колебательного.
Лопастная система ветродвигателя (ветроколесо) может иметь различное конструктивное исполнение. У современных ветродвигателей лопастная система выполнена в виде жестких лопастей с крыловым профилем в поперечном сечении (иногда в этом случае используют термины "крыльчатые", или пропеллерные, ветродвигатели).
Таким образом, лопасть - это составная часть ветроколеса, создающая крутящий момент. Лопастная система ветродвигателя с рабочим круговым вращательным движением может иметь горизонтальную или вертикальную оси вращения.
История ветроэнергетики
Использование энергии ветра сыграло давнюю и важную роль в истории человеческой цивилизации. Первое известное применение энергии ветра зафиксировано 5000 лет назад в Египте, где паруса использовались в качестве вспомогательного средства для движения лодки.
Первую настоящую ветряную мельницу, работающую от ветра машину с лопастями, прикрепленными к оси для кругового движения, можно проследить у персов.
Трудно определить точную историческую дату самое раннее использование энергии ветра. Однако есть свидетельства того, что персы использовали ветряные машины с вертикальной осью для измельчения зерна уже в 1700 г. до н.э. в районе современного Ирака, Ирана и Афганистана.
В Европе начали использовать ветряную мельницу намного позже, с самыми ранними письменными упоминаниями датируется 12 веком. По-видимому, это произошло в Йоркшире в Англии. Они также использовались для помола зерна.
Ветряная мельница с горизонтальной осью впервые появилась в конец 13 века в Кентербери в Англия. А несколько сотен лет спустя ветряные мельницы использовались для перекачки воды в Голландии.
Первые «современные» ветряки появились в середина 20 века. Их внимание было сосредоточено на производстве электроэнергии и для этого начали использовать большие промышленные ветрогенераторы.
Одним из пионеров ветроэнергетики был Джон Смитон - один из первых ученых, разработавших математические модели для предсказания эффективности работы ветрогенератора.
Первый ветряк с вертикальной осью для выработки электроэнерги был создан шотландским профессором Джеймсом Блитом. Ротор ветряка имел длину 17 метров и диаметр 18 метров. Он вырабатывал 12 кВт электроэнергии.
Чарльз Браш был еще одним пионером в использовании ветряных турбин для производства электрической энергии. Он был одним из основателей американской электротехнической промышленности. Браш изобрел эффективную динамо-машину постоянного тока, которая использовалась в общественной электросети, а также эффективный метод производства свинцово-кислотных аккумуляторов.
В 1887 г. Чарльз Браш построил первую автоматизированную ветряную турбину. Ротор ветряка был 15,2 метров в диаметре и имел 144 лопасти из кедра. Он имел номинальную мощность 12 кВт и проработал 20 лет.
В дальнейшем компнаия Brush Electric объединилась с Edison Electric и образовала General Electric Corporation (GE).
В 1931 году французский инженер Жорж Дарье запатентовал ветряную турбину Дарье. Она состоит из двух изогнутых роторов, имеющих форму аэродинамического сечения. Движущая сила, которая движет роторы - аэродинамическая подъемная сила.
Вертикальная ось имеет преимущество в расположении электрогенератора на земле. Однако большие нагрузки на основание ветряной турбины Дарье часто требуется использование растяжек для поддержки.
Самая большая построенная ветряная турбина Дарье - это турбина Эоле, расположенная в Кап-Чате, Квебек, Канада, которая показана на фотографии ниже. Турбина имеет высоту 100 метров и ширину 60 метров.
Самый высокий в мире ветрогенератор Дарье Эоле, полуостров Гаспе, Квебек, Канада
Расчет и проектирование ветродвигателей
При расчете и проектировании конкретного ветродвигателя помимо ветровых условий его работы необходим учет как особенностей ветроагрегата, тик и всей ВЭУ. В связи с этим ВЭУ классифицируют по следующим признакам:
-
виду вырабатываемой энергии,
-
уровню мощности,
-
назначению,
-
областям применения,
-
признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса,
-
способам управления,
-
типу системы передачи.
Классификация ветроэнергетических установок
В зависимости от вида вырабатываемой энергии все ветроэнергетические установки подразделяют на ветроэлектрические и ветромеханические. Электрические ВЭУ, в свою очередь, подразделяются на встроустановки, вырабатывающие электроэнергию постоянного либо переменного тока. Механические ВЭУ служат для привода рабочих машин.
В зависимости от назначения электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на ветрозарадные, гарантированного электроснабжения потребителя, негарантированного электроснабжения. Электрические ВЭУ переменною тока подразделяют на автономные, гибридные, работающие параллельно с энергостистемой соизмеримой мощности (например, с дизельной установкой), сетевые, работающие параллельно с мощной энергостистемой.
Классификация ветроэнергетических установок по областям применения определяется их назначением.
При расчете и проектировании ветродвигателя и выборе его номинальных параметров необходим учет типа нагрузки (электрогенератор, водяной насос и т. п.), типа системы передачи ветровой мощности к потребителю, типа системы генерирования и аккумулирования электроэнергии.
Система передачи ветровой мощности представляет собой определенный комплекс различных устройств для передачи мощности от вала ветроколеса к валу соответствующей машины ветроагрегата (потребителя) с повышением или без повышения частоты вращения мня ной машины. В современной ветроэнергетике чаше всего используют механический способ передачи мощности.
Система генерирования электроэнергии представляет собой электромашинный генератор и комплекс устройств (устройства управления, силовой электроники, аккумулятор и т. д.) для подключения к потребителю со стандартными параметрами электроэнергии.
Преимущественное распространение получили горизонтально-осевые ветроэнергетические установки.
На рис. 1 показана конструкция ветроэнергетической установки и общий вид ветроэлектростанции.
Рис. 1. Конструкция ветроэлектрической установки: 1 - ветродвигатель (ветроколесо), 2 - ветроголовка, 3 - генератор, 4 - редуктор, 5 - поворотная платформа, 6 - измерительное устройство, 7 - мачта ВЭУ содержит ветротурбину и электрогенератор, связанный с валом ветротурбины непосредственно или через редуктор.
ВЭУ содержит ветротурбину и электрогенератор, связанный с валом ветротурбины непосредственно или через редуктор.
Ветряная электрическая станция (ВЭС) состоит из нескольких ветроэлектрических установок, работающих параллельно и отдающих вырабатываемую электроэнергию в электроэнергетическую систему.
Измерительное устройство дает сигнал на поворот ветроголовки при изменении направления или силы ветра, а также регулирует угол поворота лопастей в зависимости от силы ветра.
Существуют ветроагрегаты на 500, 1000, 1500, 2000, 4000 кВт. Ветроагрегат на 500 кВт имеет: мачту высотой 40-110 м, ветроголовку массой 15-30 т, частоту вращения n = 20-200 об/мин, частоту вращения ротора генератора 750-1500 об/мин (редукторный привод) или 20-200 об/мин (прямоприводной агрегат).
В качестве генераторов в ВЭУ чаще используются асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором, которые отличаются от синхронных большей надежностью, простотой конструкции и меньшей массой, что необходимо для повышения надежности ветроэнергоустановки.
Ветроэнергетические агрегаты могут работать автономно или параллельно с энергетической системой. При автономной работе частота вращения ветродвигателя ВД не регулируется или поддерживается в пределах ±50 %, поэтому частота и напряжение на зажимах генератора непостоянны, т. е. вырабатываемая электрическая энергия некачественная, а потребители таких ВЭУ часто не предъявляют высоких требований к качеству (в основном нагревательные приборы). Для получения качественной энергии применяются стабилизаторы, состоящие из выпрямителя, инвертора и аккумулятора.
Мощные ВЭУ работают параллельно с энергосистемой (рис. 2). Эта параллельная связь обеспечивает постоянство частоты, напряжения и постоянство частоты вращения ветродвигателя. Мощность, которую генератор отдает в сеть, зависит от вращающего момента двигателя и определяется силой ветра.
Возможна совместная работа ВЭУ с сетью с соединением через промежуточный преобразователь частоты при переменной частоте вращения ветродвигателя.
При использовании асинхронного генератора ветродвигатель также может работать с меняющейся частотой вращения, а генератор отдает в сеть качественную электроэнергию. Для возбуждения асинхронный генератор потребляет из сети или от специальной конденсаторной батареи реактивную мощность, а синхронный - сам ее создает.
Рис. 2. Параллельная работа ветроэнергетической установки с мощной энергосистемой: ВД - ветродвигатель, Р - редуктор, Г - генератор, В - выпрямитель, И - инвертор, У - блок управления, ЭС - энергосистема
Особенности системных ветроэнергетических станций (ВЭС):
1. Они располагаются в местах с высоким ветровым потенциалом.
2. Имеют мощность энергоблоков: 1500-2000 кВт и более при континентальном базировании и 4000-5000 кВт при морском и прибрежном базировании.
3. Используют генераторы асинхронные с короткозамкнутым ротором и синхронные (часто с возбуждением постоянными магнитами) с невысоким генераторным напряжением (0,50-0,69 кВ).
4. Низкий КПД станции - 30-40 %.
5. Отсутствие тепловой нагрузки.
6. Высокая маневренность, но полная зависимость от погодных условий.
7. Диапазон рабочих скоростей ветра от 3,0-3,5 до 20-25 м/с. При скорости ветра менее 3,0-3,5 м/с и более 20-25 м/с ВЭУ отключаются от сети и устанавливаются в нерабочее положение, а при восстановлении скорости ветра ВЭУ подключаются к сети и разгоняются с помощью генератора, работающего в двигательном режиме.
8. Отсутствие отбора электрической мощности на генераторном напряжении (кроме собственных нужд).
9. Передача электроэнергии потребителям на напряжениях 10, 35, 110, кВ.
Современная ветроэнергетика во многих странах мира является частью энергетических систем, а в ряде стран - одной из главных составляющих альтернативной энергетики на возобновляемых источниках энергии.
Смотрите также:
Достоинства и недостатки ветроэнергетики
Оценка энергоэффективности объектов на основе возобновляемых источников энергии