Юрий Почанин - Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 3. Монтаж и сервис ветроустановок

Мировая ветроэнергетика за 10 последних лет в разы увеличила свои мощности. Это можно объяснить несколькими факторами.

С появлением персональных компьютеров появились и соответствующие программы, стандартизирующие и упрощающие учёт многих факторов, влияющих на скорость ветрового потока на месте. Обладая данными программами, навыками работы с ними, а также достоверной исходной информацией можно, посчитать прогнозируемую выработку ветроэлектрической станции (ВЭС) любой мощности, сложности и конфигурации. Законодателями в этой области компьютерного моделирования стали программы WAsP и WindPro. Для всех крупных регионов уже давно построены вероятностные характеристики, с большой степенью точности, показывающие вероятность присутствия того или иного значения скорости ветрового потока. В качестве исходной информации по значениям скорости ветрового потока уже давно нет необходимости иметь многолетние наблюдения за скоростью ветра.

Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании кинетической энергии ветрового потока. Ветер представляет собой движение воздуха в атмосфере, возникающее под действием различных факторов. Прежде всего он возникает от разности давлений у поверхности Земли и границы атмосферы. Возникает также разность давлений в горизонтальной плоскости – барический градиент, который вынуждает воздух перемещаться в горизонтальном направлении. Неравномерный нагрев атмосферы, земной поверхности и мирового океана из-за солнечной радиации, вращение Земли и связанное с ним действие сил Кориолиса также оказывают воздействие на поток воздуха. В области экватора воздух нагревается и поднимается вверх. Верхние слои движутся в направлении полюсов, там охлаждаются и опускаются к Земле. Вместе с тем, существуют зоны стабильных ветров – пассатов, которые находятся в области, лежащей между 25 и 30 северной и южной широтами соответственно. Постоянный западный ветер дует с запада на восток в полосе от 40 до 60 южной широты. Постоянно дующими ветрами являются муссоны в Индийском океане.

Основные характеристики ветра – скорость и его направление крайне изменчивы и зависят от многих факторов, а именно: рельеф местности, удаленность от берегов и океанов, климатические зоны и т.д. Скорость ветра может меняться в широких пределах: от легкого дуновения до урагана (около 100 м/с). Колоссальная энергия ветра может нанести громадный ущерб в виде разрушенных при ураганах зданий, линий передач и т.д. или может быть использована в народнохозяйственных целях. Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например – городами), без ущерба для хозяйственной деятельности. Природно-техническая система с ВЭУ представлена на рис.1.Таким образом, можно сделать обобщающий вывод о том, что ресурс ветроэнергетике достался не постоянный и существенно подверженный влиянию местных условий.

Рис. 1 Природно-техническая система с ВЭУ

Ветер как источник энергии характеризуется, прежде всего, скоростью. Скорость ветра в данном месте очень непостоянная величина. Для нее характерны быстрые изменения (порывы) и медленные (погодные, суточные, сезонные). Поэтому данное место характеризуют среднегодовой скоростью ветра. Обычно в справочниках на основании данных метеостанций приводятся скорости ветра на высоте 10 м. Для сооружения крупной (ВЭУ) предпочтительно знать скорость ветра на высоте 80 – 100 м. Кинетическая энергия потока воздуха E (Дж), занимающего объем V(м 3 ), имеющего плотность ρ (кг/м 3 ) и движущегося со скоростью w (м/с), определяется по формуле:

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже для указанного рабочего диапазона скоростей ветра приведены значения удельной мощности Nуд:

С помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ) в механическую энергию может быть преобразована только часть энергии ветрового потока. Отношение кинетической энергии ветрового потока Eв, преобразованной с помощью ветровой турбины в механическую энергию, к кинетической энергии невозмущенного ветрового потока E называется коэффициентом мощности или коэффициентом использования энергии ветра – Ср. Коэффициент использования мощности иногда называют критерием Жуковского-Бетца по имени двух учёных, которые теоретически обосновали его предельное (идеальное) значение 0,593.

Для каждой ВЭУ можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра:

Wminр, при которой 0≤w≤wminр и мощность ВЭУ равна нулю;

wNр, при которой wminр≤w≤wNр и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

wmaxр, при которой w>wmaxр и мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от wminр до wNр полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра w на высоте башни Hб(м) и диаметре ротора ВЭУ w (м) рассчитывается по формуле:

где S = πD2/4; ηр— КПД ротора (около 0,9); ηг— КПД электрогенератора (около 0,95); Ср – коэффициент мощности, обычно принимаемый равным 0,45 в практических расчетах; ρ = 1,226 кг/м 3

После подстановки всех указанных значений в формуле получаем для ориентировочных расчетов:

Для малых ВЭУ wminр находится обычно в пределах 2,5–4 м/с, а wNр – от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4–5 и 12–15 м/с.

Для реальных современных ВЭУ Ср лежит в диапазоне 0,38…0,48. Для получения электрической мощности ВЭУ вышеприведённое выражение необходимо ещё умножить на произведение механических (редуктор, подшипники и т п.) и электрических (генератор, трансформатор и т. п.) КПД элементов силового тракта ВЭУ. Обычно для современных ВЭУ суммарный КПД элементов можно принимать в диапазоне 0,90…0,93.