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

Эти данные являются ориентиром для выбора площадки сооружения ВЭС большой мощности. Для ВЭУ малых мощностей это не является решающим фактором. Срок энергетической окупаемости ветроустановки (или любой другой электростанции) —это термин, обозначающий за какое время ветроустановка (или электростанция другого типа) выработает количество энергии, равное количеству, затраченному на её производство, монтаж (строительство), обслуживание и утилизацию. По оценкам Британской и Американской ветроэнергетических ассоциаций этот срок для ВЭУ составляет от трёх до восьми месяцев (в зависимости от среднегодовой скорости ветра) – это один из самых коротких сроков всех видов электроустановок, тогда как для угольных и атомных электростанций он составляет шесть и более месяцев.

Другая оценка этого явления – «коэффициент энергетической эффективности» – это отношение энергии, выработанной ветроустановкой (или любой электростанцией) за срок службы к энергии, затраченной на производство установки, строительство, обслуживание и утилизацию ветроустановки (или любой другой электростанции). По исследованиям университетов США, коэффициент энергетической эффективности ветростанций Среднего Запада Америки составил от 17 до 39 (в зависимости от среднегодовой скорости ветра. В то время как для атомных электростанций он оказался равным – 16, а для угольных – 11.

Таблица 1. Классификация ветроэнергетических ресурсов на высотах 10 и 50 м от поверхности земли

Класс

Высота 10 м

Высота 50 м

Скорость ветра, м/с

Удельная мощность, Вт/

Скорость ветра, м/с

Удельная мощность, Вт/

1

0–4,4

0–100

0–5,6

0–200

2

4,4–5,1

100–150

5,6–6,4

200–300

3

5,1–5,6

150–200

6,4–7,0

300–400

4

5,6–6,0

200–250

7,0–7,5

400–500

5

6,0–6,4

250–300

7,5–8,0

500–600

6

6,4–7,0

300–400

8,0–8,8

600–800

7

7,0–9,0

400–1000

8,8–11,9

800–1200

Ветроустановки рассчитываются на срок службы 20-25 лет. В течение этого срока из основных механизмов возможна замена лопастей

Трудно найти другую область науки и техники, где было бы зарегистрировано столько же патентов на конструкции ветроэнергетических установок, а в особенности конструкций ветроколёс (ВК). Дадим такую укрупнённую классификацию конструкций ВК:

–использующие подъёмную силу – Y;

–использующие силу сопротивления X.

1. Использующие подъемную силу . Данные ВЭУ преобладают в мировой ветроэнергетике, т.к. могут развивать линейную скорость конца лопасти (совпадает с направлением действия подъёмной силы Y), значительно больше скорость ветрового потока V. Прямоугольник аэродинамических сил, действующих на крыло представлен на рис.3. В аэродинамический каплевидный профиль сечения лопастей ветроколеса и ветроротора под воздействием ветрового потока обеспечивает подъемную силу на лопастях за счет возникновения разности скоростного течения ветровых струй вдоль их плоскостей. Преобразование подъемной силы лопастей и, соответственно, крутящего момента на приводном валу ветроколеса или ветроротора в механическую энергию обеспечивается редуктором-мультипликатором, а затем, при необходимости, электрогенератором в электроэнергию

Ветроколеса современных ветроагрегатов собираются из нескольких лопастей, закрепленных на втулке. Лопасти имеют аэродинамический профиль, при обтекании которого возникает подъемная сила, вращающая ветроколесо. Расчет и проектирование ветроколеса базируется на законах аэродинамики, изучающей движение воздуха и его взаимодействие с поверхностью крыла при его обтекании.

Рис. 3 Прямоугольник аэродинамических сил , действующих на крыло

Верхний и нижний контуры сечения крыла имеют различную конфигурацию. Проходя у нижнего контура крыла, поток воздуха замедляется из-за трения. В этой части создается зона повышенного давления. Огибая более протяженный верхний контур, поток ускоряется и над крылом создается зона пониженного давления. Разность давлений под крылом и над ним обуславливает возникновение подъемной силы R и вращающего момента на ветроколесе.

В свою очередь ВЭУ, использующие подъёмную силу, могут быть классифицированы по:

1.ориентации оси вращения ВК;

2.положению ВК относительно всей конструкции.

Большинство типов ветродвигателей делятся на две группы:

– ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5),

– ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)), рис.4.

.

Рис.4 Типы ветродвигателей

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей. Основные компоненты ВЭУ с горизональными и вертикальными осями представлены на рис. 5.

Ветроколесо в установках с вертикальной осью вращается вокруг оси, перпендикулярной направлению потока. Данные механизмы наделены рядом существенных особенностей перед ветряками с горизонтальной осью. У них нет как таковых узлов под ориентирование на ветровой поток. Из-за своего строения, при абсолютно любом направлении ветра, конструкция располагается в абсолютно произвольном положении, ввиду чего, она более проста в своём исполнении. В подобных механизмах возникновение вращения создаёт подъемная сила лопастей, а также силы сопротивления.

Рис .5 Основные компоненты ВЭУ с горизональными и вертикальными осями

Такие установки появились в 30-х годах прошлого столетия. Наиболее известными из них являются ротор Дарье с изогнутыми лопастями, рис. 6 а, ротор Савониуса, рис.6 б, ортогональные ветроустановки с прямыми вертикальными лопастями (ротор Масгрува), рис.6 в.

Р ис.6 Ветроустановки с вертикальной осью вращения

лопастей вокруг оси. Кинетическая или внутренняя энергия рабочего тела (газа или жидкости) преобразуется в механическую работу. У ротора Дарье ось вращения расположена перпендикулярно потоку источника энергии. Многочисленные конструкции с вертикальной осью вращения объединяются в основные группы:

– ветрогенератор с ротором Дарье,