Характеристики. – 2 часа

Энергия ветра очень велика. Ее запасы по оценкам Всемирной метеорологической организации составляют 170 трлн кВт·ч в год. Эту энергию можно получать, не загрязняя окружающую среду. Но у ветра есть два существенных недостатка: его энергия сильно рассеяна в пространстве и он непредсказуем – часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки.

При использовании энергии ветра в современных условиях стремятся учесть опыт тех стран, в которых ветряные двигатели издавна широко применялись, особенно в Дании и Голландии – классических странах ветряных мельниц. Многие видные русские исследователи, такие, как проф. Н.Е. Жуковский и акад. С.А. Чаплыгин, внесли большой вклад в развитие ветряных двигателей.

Строительство, содержание, ремонт ветроустановок, круглосуточно работающих в любую погоду под открытым небом, стоит недешево. Ветроэлектростанции такой же мощности, как ГЭС, ТЭЦ или АЭС, по сравнению с ними должна занимать большую площадь. К тому же ветроэлектростанции небезвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.

Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую.

ВЭУ можно классифицировать:

– по мощности: малые (до 10 кВт); средние (от 10 до 100 кВт); крупные (от 100 до 1000 кВт); сверх крупные (более 1000 кВт);

– по числу лопастей рабочего колеса: одно-, двух-, трех- и многолопастные;

– по отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока: с горизонтальной осью вращения, параллельной (рисунок 10.1.,а) или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье) (рисунок 10.2.,б).

В настоящее время в мире и России наибольшее распространение получили трехлопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения, в состав которых входят следующие основные компоненты: рабочее колесо 1, гондола с редуктором 2 и генератором, башня 3 и фундамент 4.

Башня – чаще трубообразная, реже – решетчатая, на ней в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующий энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В качестве генератора могут использоваться: синхронные и асинхронные (чаще всего), а также (реже) асинхронизируемые синхронные генераторы.

Рисунок 12.1. – Виды ветроэнергетических установок

а – ВЭУ с горизонтальной осью вращения; б – ВЭУ с вертикальной осью вращения;

1 – рабочее колесо; 2 – гондола с двигателем и редуктором; 3 – башня; 4 – фундамент

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) используются для производства механической (электрической) энергии. В наиболее распространенных ВЭУ применяется ветровая турбина с горизонтальным валом, на котором установлено рабочее колесо с различным числом лопастей - чаще всего 2 – 3. Многолопастные колеса применяются в малых установках, предназначенных для работы при невысоких скоростях ветра. Турбина, мультипликатор, повышающий число оборотов, и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху достаточно высокой мачты.

Спектр единичных мощностей ВЭУ применяемых в мире весьма широк: от нескольких сот Ватт до 2 ÷ 4 МВт. Номинальную мощность ВЭУ разные производители относят к разным скоростям ветра. Обычно это – мощность при скорости ветра 10 м/с. Расчетная скорость является очень важной характеристикой ВЭУ, поскольку генерируемая мощность данного ветроколеса пропорциональна скорости ветра в третьей степени.

Для ВЭУ важной характеристикой является также стартовая скорость ветра, т. е. скорость при которой ветроколесо начинает вращаться. Для быстроходных ВЭУ большой мощности эта скорость составляет около 4 м/с. Для многолопастных тихоходных ВЭУ малой мощности эта скорость существенно ниже (1,5 ÷ 2 м/с).

Скорость ветра в данном конкретном месте изменяется во времени. Принято считать, что крупные ВЭУ целесообразно устанавливать в месте, где среднегодовая скорость ветра не ниже 5 м/с. Зная усредненную по многолетним наблюдениям вероятность наличия ветра с той или иной скоростью, можно оценить количество электроэнергии, которое будет произведено данной ВЭУ за год. Определяется также коэффициент использования установленной мощности, т. е. число часов в году, в течение которых ВЭУ работает, как бы с номинальной мощностью. Эта величина определяется как частное от деления выработанной за год электроэнергии на номинальную мощность ВЭУ.

Малые ВЭУ (мощностью до 100 кВт) находят широкое применение для автономного питания потребителей и сферы их использования во многом совпадают с перечисленными ранее для ФЭП. В ряде случаев можно использовать комбинированные ветро-солнечные установки, позволяющие обеспечивать более равномерную выработку электроэнергии, учитывая то обстоятельство, что при солнечной погоде ветер слабеет, а при пасмурной – наоборот, усиливается.

Крупные ВЭУ (мощностью более 100 кВт), как правило, сетевые, т. е. предназначены для работы на электрическую сеть. Зачастую, на одной территории с благоприятным ветром размещается множество ВЭУ, объединенных электрически и системами управления, которые образуют так называемые «ветровые фермы». Если суммарная мощность присоединенных к сети ВЭУ не превышает 15 ÷ 20 % мощности энергосистемы, то нет необходимости использовать какие-либо дублирующие мощности: сеть демпфирует изменения мощности, выдаваемой ВЭУ.

Суммарная мощность ВЭУ, действующих в мире в 2002 г., достигла 31,1 ГВт.

Важно отметить, что в последние десятилетия произошло существенное уменьшение стоимости ВЭУ и производимой ими электроэнергии. Прогресс достигался как за счет усовершенствования конструкции, так и за счет увеличения единичной мощности. Если в 80-х годах наиболее распространенными были ВЭУ единичной мощностью около 300 кВт, то сегодня средняя мощность действующих в мире ВЭУ составляет около 700 кВт, а новые разработки направлены на создание ВЭУ мощностью в несколько МегаВатт.

Несколько зарубежных фирм (VESTAS, ENERCON, BONUS, NEG Micon, NORDEX и др.) успешно работают над проектами создания так называемых офшорных ветровых ферм на базе ветроустановок единичной мощностью до 5 МВт. Диаметр ротора таких установок достигает 100 ÷ 120 м.