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

Рис.17 Ветроустановка с горизонтальной осью вращения

Пути повышения энергетических показателей ВЭУ заключаются или в увеличении коэффициента использования энергии ветра, или в увеличении площади ометаемой ветродвигателем поверхности непропорционально большим относительно оптимальной мощности электрогенератора. Последний вариант влечёт за собой некоторое удорожание ВЭУ. Одним из направлений повышения эффективности ВЭУ является разработка роторного ветродвигателя, работа которого основана на эффекте возникновения подъемной силы во вращающемся в ветровом потоке цилиндра вокруг своей оси, нормальной к ветровому потоку (эффект Магнуса). Ветроколесо роторной установки вместо традиционных лопастей имеет в своем составе вращающиеся цилиндры или конусы, принудительно вращающиеся от вспомогательного привода, что позволяет получить получить энергию при более низких скоростях ветра, рис.18.

К преимуществам систем с горизонтальной осью вращения относятся следующие:

– изменяемый шаг лопаток турбины позволяет использовать энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона,

– высокая мачта позволяет преобразовывать энергию ветра на большем расстоянии от земли, так как с увеличением высоты на каждые 10 м скорость ветра на 20% и соответственно увеличивается энергоэффективность ветроустановки,

– высокая эффективность благодаря тому, что ветроколесо всегда направляется перпендикулярно ветру, используя весь поток воздуха.

.

Рис.18 Роторная ветроустановка

К основным недостаткам систем с горизонтальной осью вращения относятся:

– необходимость высоких массивных мачт (свыше 100 м) и длинных лопастей, которые трудно транспортировать, в результате расходы на транспортировку и монтаж могут достигать 20% стоимости всего оборудования,

– для сооружения промышленных ветрогенераторов большой мощности требуется специализированное оборудование и высоко квалифицированные сотрудники, поэтому их производство осуществляется в ограниченном количестве стран,

– из-за их размеров наблюдаются возмущения в радиосигналах и связи,

– необходимость в установках системы направления оси на ветер.

В Российской Федерации классификация ветроэнергетических установок по назначению определяется стандартом – ГОСТ Р 51990-2002 «Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Классификация». ВЭУ классифицируют: по виду вырабатываемой энергии; по мощности; по областям применения; по назначению; по признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса (ВК); по способам управления; по структуре системы генерирования энергии.

ВЭУ в зависимости от вида вырабатываемой энергии подразделяют на две группы: механические и электрические. Электрические ВЭУ, в свою очередь, подразделяют на ВЭУ постоянного и переменного тока.

ВЭУ в зависимости от мощности подразделяют на четыре группы:

а) большой мощности – свыше 1 МВт;

б) средней мощности – от 100 кВт до 1 МВт;

в) малой мощности – от 5 до 99 кВт;

г) очень малой мощности – менее 5 кВт.

В зависимости от области применения механические ВЭУ подразделяют на две подгруппы: ветронасосные и ветросиловые.

Электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на три подгруппы: ветрозарядные –зарядка аккумуляторных батарей (АК), гарантированного питания-гарантированное снабжение электроэнергией потребителей одновременно или отдельно от двух источников энергии ВК и АК и негарантированного питания – работа ВЭУ без АК, нагрузка питается через блок управления, имеющий регулятор напряжения.

Электрические ВЭУ переменного тока подразделяют по назначению, согласно таблице 2.

Таблица 2. Классификация ВЭУ по назначению

Общая схема классификации ВЭУ приведена на рис. 19.

.

Рис. 19 Общая классификация ВЭУ

Структурная схема автономных ВЭУ показана на рис. 20. Структурная схема гибридных

ВЭУ показана на рис.21, а сетевых ВЭУ – на рис.22.

Г – генератор; СГ – синхронный генератор; АГ – асинхронный генератор;

БС – балластное сопротивление; ПЧ – преобразователь частоты

Рис.20 Структурная схема автономных ВЭУ

Классификация по типу применяемой ветротурбины. В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа.

СГ – синхронный генератор; АсГ – асинхронизированный генератор; ПЧ – преобразователь частоты

Рис. 21 – Структурная схема гибридных ВЭУ

СГ – синхронный генератор; АГ – асинхронный генератор; АсГ – асинхронизированный генератор; ПЧ – преобразователь частоты

Рис.22 – Структурная схема сетевых ВЭУ

Классификация по типу применяемой электромашины представлена на рис.23.

Рис.23 Классификация ВЭУ по типу применяемой электрической машины

К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1кВт относятся к микро-ветряной энергетике. Они применяются на, с/х фермах для водоснабжения и т.д.

Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети. Обеспечение потребителей электроэнергией за счет ветроэлектрических установок (ветряков) напрямую зависит от наличия ветра в месте установки оборудования, его силы и постоянства. Разумеется, метеорологическая карта ветров очень приблизительно оценивает скорость ветра в том или ином регионе и, как правило, это среднегодовые осредненные данные. Поэтому необходимо оценивать возможность эффективной работы ветроустановки индивидуально в каждом конкретном случае. Во многом наличие и сила ветра зависят от рельефа местности, открытости пространства, присутствия вблизи водоемов, рек и т. п. Даже около высоких сооружений возможна весьма эффективная работа ветровых систем из-за возникновения эффекта «сквозняков» между зданиями. Более того, независимо от направления ветра «сквозняки» между зданиями, в лощинах, вдоль русла рек, в оврагах присутствуют практически всегда, и скорость ветра , как правило, достаточна для успешной работы ветроустановки. Поэтому, перед принятием решения о приобретении ветроэлектостанции целесообразно понаблюдать за ветром, Есть множество случаев, когда вам может понадобиться небольшое количество электроэнергии, например, освещения, механизм открывания ворот, предупредительные огни, подъем воды из скважины, показатели уровня воды и другие маломощные устройства. Для этих целей может быть применена ветроустановка с ротором Савониуса, рис.24, которая проста в изготовлении и может производить достаточно энергии для маломощных устройств.