2. Примеры ветроэнергетических установок

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат. Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией. Традиционная компоновка ветряков – с горизонтальной осью вращения – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей. Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой скоростью, создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическая – мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии. По прогнозам фирмы Боинг (США) на текущее столетие – длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров, что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 МВт.

Типы ветродвигателей. Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Они делятся на две группы:

ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (рис. 29, б-д).

ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (рис. 29 а) и ортогональные (рис. 29 е).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей (рис. 30).

Крыльчатые. Для крыльчатых ветродвигателей наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных. В то же время у карусельных – намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные. Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор [лат. Multiplicator умножающий] – повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные. Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности проблема запуска. В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете. Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с а номинальная мощность достигается при скорости 14…16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20000 кВт. В реальной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья составит около 80 метров. У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми – взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем, можно просуммировать выходную мощность, вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений. Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания. Появление экспериментального ветродвигателя на Оркнейских островах (Англия) в 1986 году вызвало многочисленные жалобы от телезрителей ближайших населенных пунктов. В итоге около ветростанции был построен телевизионный ретранслятор. Лопасти крыльчатой ветряной турбины были выполнены из стеклопластика, который не отражает и не поглощает радиоволны. Помехи создавал стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски, предназначенные для отвода ударов молний. Они отражали и рассеивали ультракоротковолновый сигнал. Отраженный сигнал смешивался с прямым, идущим от передатчика, и создавал на экранах помехи. Построенная в 1980 году в городке Бун (США) ветроэлектростанция, дающая 2 тысячи киловатт, действовала безотказно, но вызывала нарекания жителей городка. Во время работы ветряка в окнах дребезжали стекла, и звенела посуда на полках. Было установлено, что шестидесятиметровый винт при определенной скорости вращения издавал инфразвук. Он не ощущается человеческим ухом, но вызывает низкочастотные колебания предметов и небезопасен для человека. После доработки лопастей от инфразвуковых колебаний удалось избавиться.

Ветродвигатели могут не только вырабатывать энергию. Способность привлекать внимание вращением без расходования энергии используется для рекламы. Наиболее простой – однолопастный карусельный ветродвигатель представляет собой прямоугольную пластинку с отогнутыми краями. Закрепленный на стене он начинает вращаться даже при незначительном ветре. На большой площади крыльев карусельный трех-четырех лопастный ветродвигатель может вращать рекламные плакаты и небольшой генератор. Запасенная в аккумуляторе электроэнергия может освещать крылья с рекламой в ночное время, а в безветренную погоду и вращать их.

Ветроэнергетические установки (рис. 31-35) достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах с благоприятными скоростями ветра могут конкурировать с традиционными источниками электроснабжения.

Из всевозможных устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в подавляющем большинстве случаев используются лопастные машины с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению ветра. Намного реже применяются устройства с вертикальным валом. Кинетическая энергия, переносимая потоком ветра в единицу времени через площадь в 1м² (удельная мощность потока), пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому установка ВЭУ оказывается целесообразной только в местах, где среднегодовые скорости ветра достаточно велики. Ветровое колесо, размещенное в свободном потоке воздуха, может в лучшем случае теоретически преобразовать в мощность на его валу 16 : 27 = 0,59 (критерий Бетца) мощности потока воздуха, проходящего через площадь сечения, ометаемого ветровым колесом. Этот коэффициент можно назвать теоретическим КПД идеального ветрового колеса. В действительности КПД ниже и достигает для лучших ветровых колес примерно 0,45. Это означает, например, что ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу в лучшем случае 85 кВт.

Наибольшее распространение из установок, подсоединяемых к сети, сегодня получили ветроэнергетические установки (ВЭУ) с единичной мощностью от 100 до 500 кВт.

Наряду с этим создаются ВЭУ и с существенно большей единичной мощностью. В 1978 г. в США была создана первая экспериментальная ВЭУ мегаваттного класса с расчетной мощностью 2 МВт. Вслед за этим в 1979-1982 гг. в США были сооружены и испытаны 5 ВЭУ с единичной мощностью 2,5 МВт. Самая большая к тому времени ВЭУ (Гровиан) мощностью 3 МВт была сооружена в Германии в 1984 г., но, к сожалению, она проработала лишь несколько сот часов. Построенные несколько позже в Швеции ВЭУ WTS-3 и WTS-4 мощностью соответственно 5 и 4 МВт были установлены в Швеции и США и проработали первая 20, а вторая 10 тыс. ч.

В Канаде ведутся работы по созданию крупных ветровых установок с вертикальным валом (ротор Дарье). Одна такая установка мощностью 4 МВт проходит испытания с 1987 г. Всего за 1987-1993 гг. в мире было сооружено около 25 ВЭУ мегаваттного класса. Расчетная скорость ветра для больших ВЭУ обычно принимается на уровне 11-15 м/с. Вообще, как правило, чем больше мощность агрегата, тем на большую скорость ветра он рассчитывается. Однако в связи с непостоянством скорости ветра большую часть времени ВЭУ вырабатывает меньшую мощность. Считается, что если среднегодовая скорость ветра в данном месте не менее 5-7 м/с, а эквивалентное число часов в году, при котором вырабатывается номинальная мощность не менее 2000, то такое место благоприятно для установки крупной ВЭУ и даже ветровой фермы.

Автономные установки киловаттного класса предназначенные для энергоснабжения сравнительно мелких потребителей могут применяться и в районах с меньшими среднегодовыми скоростями ветра.

Сегодня в некоторых промышленно развитых странах установленная мощность ВЭУ достигает заметных значения. Так, в США установлено более 1,5 млн. кВт ВЭУ, в Дании ВЭУ производят около 3% потребляемой страной энергии; велика установленная мощность ВЭУ в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии. По мере совершенствования оборудования ВЭУ и увеличения объема их выпуска стоимость ВЭУ, а значит, и стоимость производимой ими энергии снижаются.

а

б

в

г

д

е

Рис. 29. Типы ветродвигателей

Рис. 30. Традиционный крыльчатый ветродвигатель

Рис.32. Солнечная станция: 1 – параболическое зеркало; 2 –фокус; 3 – плоские зеркала с

гидравлической системой управления

а

Рис. 31. Водяной насос, приводимый в действие ветром:

1 – шатун; 2 – деревянная направляющая тяга насоса;

3 –шаровой шарнир; 4 – насос двойного действия;

5 – невозвратные клапана; 6 – подача воды; 7 – всасывание

Рис. 33.Ветроустановка в Мурманске Рис. 34. Автономная ветродизельная