Ветроэнергетика — общая информация

   Ветрогенераторы

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) преобразует кинетическую энергию ветра в механическую или электрическую энергию, удобную для практического использования. ВЭУ производят электрическую энергию для бытовых или промышленных нужд. Существуют два основных вида установок: ветроустановки с вертикальной осью вращения и ветроустановки с горизонтальной осью вращения. Ветроустановки с горизонтальной осью составляют около 95% всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем. Ветроустановка включает следующие основные подсистемы и узлы: ротор или лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала, кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор ( некоторые турбины работают без редуктора), генератор и другие системы, башню, которая поддерживает ротор и кабину, электрическое и электронное оборудование, также как и панели управления, электрические кабели, оборудование заземления, оборудование для подключения к сети, система молниезащиты, система накопления электроэнергии и ее стабилизации, и др. Диаметр ротора ВЭУ по мере возрастания мощности ветроустановки от 1 до 3000 кВт увеличивается от 2 до 100 м, а высота башни от 8 до 100 м. Для ВЭУ выше 150 кВт диаметр ротора и высота башни примерно равны.

В каких случаях выгодно использовать ветрогенератор?

Ветровые электростанции установки наиболее выгодно использовать в местах, где невозможно провести общую электросеть, или соединение является очень затратным, а также — в местах с частыми отключениями электричества. Ветровые электростанции смысл устанавливать, если в месте становления среднегодовая скорость ветра превышает 3 м/с.

Скорость ветра- важнейший элемент в проектировании и использования ветроустановки.В общем случае, при среднегодовой скорости ветра более 4 м/с на высоте 10 м ( на этой высоте на метеостанциях устанавливаются анемометры — приборы, измеряющие скорость ветра) возможно эффективное применение ветроустановок, а ветер с меньшей скоростью годится для водоподъемных устройств. Главное правило состоит в том, что возможная вырабатываемая мощность пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра ротора. Это означает, что при удвоении скорости ветра возможная вырабатываемая мощность увеличивается в 8 раз. Так, ветроустановка, работающая при средней скорости 6 м/с, генерирует мощность на 44% большую, чем при скорости 5 м/с. Если скорость ветра определяется местом, где сооружается ветроустановка, то диаметр ее ротора — это элемент конструкции, величина которого зависит от многих расчетных параметров. Чаще всего решается обратная задача: задается проектируемая мощность ВЭУ и далее определяется требуемый диаметр при определенной расчетной скорости.

Формула мощности ВЭУ выглядит следующим образом:

P=½·ρ·A·V³·C_p·η_г·η_м, Вт

где ρ= 1,22 — плотность воздуха (стандартная), кг/м³
V — скорость ветра,, м/с
η_г·η_м- коэффициенты полезного действия генератора и механической передачи между ветроколесом и генератором,
C_p - коэффициент использования ветра, зависящий от профиля лопастей и других режимных параметров, предельное значение которого равно 0,593, а достигнутое в эксплуатации- 0,4-0,45,
А — площадь ветротурбины, в случае пропеллерной турбины вычисляется по формуле:

А=¼π·D², м²

где D, м- диаметр ротора,π=3,14.

Наиболее экономически выгодное применение ВЭУ имеет место, если ветротурбины объединены в группы. Их называют ветроэлектрическими станциями (ВЭС), а за рубежом «ветровыми фермами» (wind farm). Их мощность колеблется от сотен киловатт до сотен мегаватт. Ветроустановки большой мощности не предназначены для автономной работы или работы параллельно друг с другом. Поэтому как только отключается ЛЭП (линия электропередачи), связывающую ВЭУ с энергосистемой, останавливаются и ВЭС. Обычно при проектировании обеспечивается связь с двумя ЛЭП с разных точек энергосистемы. Для одиночных ВЭУ и небольших ВЭС, питающих определенную нагрузку, нужно иметь резервный источник электроснабжения (дизель-генератор, газотурбинная установка, солнечные батареи).

Очень важным параметром в проектировании ВЭУ является коэффициент использования установленной мощности, дающий представление об эффективности работы ВЭУ. Это отношение средней выработки генерирующего устройства к максимально возможной. Большинство современных ВЭУ работают с коэффициентом использования установленной мощности от 25 до 35%. Электростанции, работающие на невозобновляемых источниках энергии, имеют коэффициент использования установленной мощности от 40 до 80%. Лучшие ветроустановки в хороших ветровых условиях работают с коэффициентом 0,5. Хорошими ветровыми условиями в России обладают следующие субъекты РФ: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская области, Краснодарский, Приморский, Хабаровский края, Дагестан, Калмыкия. Карелия, Коми. Ненецкий автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.

Как выбрать ветрогенератор?

Распространенная ошибка — выбирать мощность ветроустановки по пиковой мощности нагрузки. Ветрогенератор, также как и солнечные батареи, является источником энергии, а не мощности. Поэтому расчет ветроэнергетической системы ведется в несколько шагов, и желательно, если это сделает специалист.

Для выбора ветрогенератора сначала Вам необходимо определить своё потребление в кВт*часах в месяц, пиковую (суммарную) мощность всех приборов и постараться узнать среднегодовую и среднемесячные скорости ветра в Вашей местности. Последний параметр не всегда возможно определить с достаточной точностью. Даже если вы получите данные по многолетним скоростям ветра от ближайшей метеостанции, не факт, что в месте установки вашей ветротурбины будет именно такая скорость ветра. Поэтому для больших ветростанций необходимо обязательно проводить мониторинг скорости ветра хотя бы в течение одного года, а затем сделать корреляцию полученных данных с данными от ближайшей метеостанции. Для малых ветроустановок такой путь слишком дорог, и очень часто малые ВЭУ устанавливаются на страх и риск хозяина. В таких случаях обычно, если ветра недостаточно, признается, что решение об установке ветротурбины было ошибочным. Если же ветер хороший, то следующим шагом обычно является увеличение мощности малой ветростанции.

Для получения электричества в необходимом объёме нужно понимать, что количество вырабатываемой ветряком энергии напрямую зависит от ометаемой ветротурбиной площади или максимального сечения ветротурбины. Для минимального обеспечения пары лампочек, ТВ, холодильника, электрочайника — диаметр ветряка должен быть не менее 2,5 метров при средних по силе ветрах.

Особое внимание стоит уделять не только мощности ВЭУ (именно ВЭУ, а не инвертора, входящего в комплект), но и при какой скорости ветра эта мощность может быть получена. Некоторые продавцы представляют завышенные показатели. Для этого не поленитесь подсчитать по несложной формуле мощность, которую способен отдать ветряк с винтом конкретного диаметра. Эта мощность практически зависит только от скорости ветра V и диаметра ветротурбины D, а все остальные факторы — количество лопастей, их вес, площадь, профиль, крутка, генератор, подшипники и т. д. — второстепенные и большой погрешности не дают.

Упрощенная формула расчета реально отдаваемой ветром мощности в зависимости от скорости ветра и диаметра винта: 
Р = D²V³/7000, кВт, 
с точностью ±20% (зависит от КПД турбины и генератора). +20% — идеальная ВЭУ, ее цена увеличится в 2-3 раза. -20% — первый ветрякэнтузиаста-любителя. При равной мощности ВЭУ выбирайте ту, у которой диаметр ветроколеса больше.

Как это не парадоксально, но чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями незначительна. Однако, с уменьшением количества лопастей также уменьшается момент страгивания и ухудшается работа при низких скоростях ветра. У однолопастных ветротурбин также есть серьезная проблема с балансировкой и надежностью ветроколеса.

Ветрогенераторы с 2-3 лопастями относятся к быстроходных с более высоким КПД и частотой вращения, но при этом низкий стартовый момент ротора. Поэтому быстроходные ветрогенераторы выгодно объединять с электрическим генератором, так как электрический генератор имеет высокую частоту вращения (для улучшения массогабаритных характеристик) и низкий пусковой момент. Тихоходные многолопастные ветротурбины обычно работают в связке с водяными насосами, у которых большой момент запуска и меньшая частота вращения. Быстроходные 3-х лопастные ветрогенераторы получили большее распространение, чем 2-х лопастные, несмотря на их высокую стоимость. 3-х лопастным ротором генерируется меньше вибрация и выглядит он более эстетично. Поэтому во всем мире оптимальным количеством лопастей горизонтально-осевой ветротурбины признано 3.

Некоторые производители представляют результаты продувок своих ветроэлектрических установок по мощности в аэродинамической трубе. Это хорошо, и говорит о серьезном подходе к делу. Однако, необходимо учитывать, что мощность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30% вследствие идеализации воздушного потока в трубе. Реальный поток ветра имеет турбулентности, которые существенно ухудшают параметры ветроколеса.

Мощность, вырабатываемая ветрогенератором, пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что мощность ветрогенератора на слабых ветрах (даже если он вращается) очень мала. Но, с усилением ветра, идет резкое нарастание мощности. А поскольку ветер на практике дует с постоянной скоростью и направлением только в аэродинамической трубе, понятно, что мощность, вырабатываемая ветрогенератором, является постоянно меняющейся по времени величиной. Поэтому любая энергетическая система с использованием ветрогенератора в качестве источника энергии должна иметь стабилизирующее звено.

В малых автономных системах роль такого звена обычно играет аккумуляторная батарея. Если мощность ветрогенератора больше мощности нагрузки, батарея заряжается. Если мощность нагрузки больше – батарея разряжается. Из этого следует следующая важная особенность ветрогенератора, как источника мощности: если большинство других источников выбираются по мощности пиковой нагрузки, ветрогенераторы следует выбирать, исходя из величины потребления электроэнергии в месяц (или в год, как кому нравится).

Проиллюстрируем это на примере. На берегу моря, где средняя скорость ветра приближается к 6 м/с, стоит домик, куда приезжает семья из трех человек на выходные. Электрооборудование включается тоже только на выходные. В день потребление достигает 15 кВт*ч, при этом пиковая нагрузка – до 3 кВт. Следовательно, в месяц потребление энергии равно 120 кВт*ч. При среднегодовой скорости ветра 6 м/с выработку 120 кВт*ч в месяц может обеспечить небольшой 700-ваттный ветрогенератор. Кроме того, для аккумулирования энергии в течение 5 дней потребуется батарея большой емкости, и инвертор (который преобразовывает постоянное напряжение батареи в стандартное переменное) мощностью 3 кВт, чтобы обеспечить пиковые нагрузки.

Как можно видеть, в каждом из вышеописанных случаев мощность ветрогенератора отличается в разы от пиковой мощности нагрузки. Мощность пиковой нагрузки определяет мощность преобразователя. Сам ветрогенератор определяет только величину выработки в определенный временной промежуток при определенной среднемесячной скорости ветра. Кроме средней скорости ветра, существуют более подробные вводные данные для оценки ветровых ресурсов, называемые параметрами распределения Вейбулла, которые отражают распределение длительности ветра определенной силы для данного места, они используются при проектировании ветропарков мощностью в десятки МВт.

Вертикально-осевые ветроустановки, использующие силу давления ветра, имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с горизонтально-осевыми. Это примерно как гребные колеса у дореволюционных пароходов по сравнению с обычным винтом любого современного корабля или катера. Такие ветротурбины имеют большую материалоемкость и, соответственно, высокую удельную стоимость.

Ортогональные ветроустановки с вертикальной осью вращения, которые используют подъемную силу крыла, имеют КПД немногим менее пропеллерных, поэтому их эффективность также высока. Но у таких вертикально-осевых турбин есть другой недостаток — они не могут самостоятельно начать вращение, и для их запуска их надо раскрутить — или от сети, или с помощью другой ветротурбины, имеющей стартовый момент вращения (часто используется турбина Савониуса для этих целей).

Не стоит увлекаться поиском ВЭУ, начинающих работать на малых скоростях ветра — до 3 м/с, так как на этих скоростях ветра его энергия ничтожно мала. Например, для ВЭУ с диаметром винта 5 м вырабатываемая мощность при скорости ветра 2 м/с будет менее 30 Вт, причем половина этой мощности уйдет на всякие потери в механических элементах, генераторе и контроллере, а оставшиеся 15 Вт — это мизер для аккумуляторов, рассчитанных на номинальную мощность 5 кВт. Так что, кроме наслаждения от вида вращающегося ветроколеса, вы больше ничего не получите.

Какие нужны документы и разрешения для установки ветрогенератора?

Импортируемые ветроустановки также не подлежат сертификации. Вы можете без проблем установить на своей территории для себя ветрогенератор мощностью до 75 кВт и высотой до 30 метров для личного некоммерческого использования. Для этого не нужны никакие документы, справки или разрешения.