1.Ветроэнергетика

1. .Характеристики ветра, ветроэнергетические установки Состояние ветроэнергетики.

В 2000г. установленная мощность ветроэлектростанций в мире составила 24тыс. МВт, в том числе 70% - в Европе: в Германии 4,44тыс. МВт, в Дании 1,76тыс. МВт, в Испании 1,23 МВт, в Великобритании 0,35 МВт. Лидером в развитии ветроэнергетики и в производстве оборудования для ветроэнергетики является Германия. Предполагается, что мощность ветроэлектростанций Европы к 2010году составит около 40…60тыс. МВт.

Ветроэнергетика является сложившимся направлением энергетики. Производятся и работают ветроэнергетические установки от нескольких сотен ватт до тысяч киловатт. Большая часть установок используется для производства электроэнергии – в энергосистеме или автономно.

Максимальная проектная мощность ветроэнергетических установок определяется для некоторой стандартной расчетной скорости ветра в пределах от 7 до 15 м/с. Мощность, снимаемая с 1 м² ометаемой площади ветроколеса равна 0,3…0,4 кВт. В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 25-35 процентов его максимального проектного значение. Срок службы ветрогенераторов 15-20 лет, а их стоимость 1000…1500 долларов США за 1 кВт проектной мощности. В ветроэнергетике районы со среднегодовой скоростью ветра менее 5 мс - считаются малопригодными для размещения ВЭУ, а со скоростью более 8 мс – очень хорошими.

Скорость ветра оценивают по 12-бальной шкале Бофорта:

0 баллов – 0...0,4 мс – штиль - условия для работы ветроэнергетических установок отсутствуют,

1 балл - 0,4...1,8 мс – тихий ветер,

2 балла - 1,8...3,6 мс – легкий ветер ,

3 балла - 3,6...5,8 мс – слабый ветер – начинают вращаться тихоходные ветроколёса и колёса ветроэлектростанций,

4 балла - 5,8...8,5 мс – умеренный ветер,

5 баллов - 8,5...11 мс – свежий ветер – мощность ветроэнергетических установок достигает 30% проектной,

6 баллов - 11...14 мс – сильный ветер - мощность ветроэнергетических установок равна номинальной ,

7 баллов - 14...17 мс– крепкий ветер – ветроэнергетические установки развивают номинальную мощность ,

8 баллов - 17...21 мс – очень крепкий ветер – ветроэнергетические установки начинают отключаются, условия работы для них – предельно допустимые,

9 баллов - 21...25 мс– шторм – все ветроэнергетические установки отключаются, устанавливаются в нерабочее положение, возникают небольшие разрушения,

10 баллов - 25...29 мс– сильный шторм– возникают значительные разрушения, деревья вырываются с корнем ,

11 баллов - 29...34 мс– жестокий шторм- возникают широкомасштабные разрушения, возможно повреждение некоторых ветроэнергетических установок,

12 баллов - более 34 мс – ураган - происходят опустошительные разрушения, серьезные повреждения ветроэнергетических установок вплоть до разрушения.

Классификация ветроэнергетических установок (ВЭУ).

• По мощности: малые мощностью до 25 кВт, диаметром ветроколеса до 10 м, средние - до 150 кВт и до 25 м, большие - до 1000 кВт, и до 64 м, очень большие мощностью до 4000 кВт и диаметром до130 м.

• По взаимному положению оси ветроколеса и направлению воздушного потока: горизонтально – осевые и вертикально – осевые.

• По вращающей силе: установки, использующие силу сопротивления, и установки, использующие подъёмную силу. Линейная скорость первых ниже скорости ветра, линейная скорость вторых – может быть выше скорости ветра.

• По геометрическому заполнению ветроколеса: одно-, двух-, трёх-, многолопастные. Установки с большим геометрическим заполнением – многолопастные развивают значительную мощность при слабом ветре. Установки с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на режим. Поэтому первые используют в качестве насосов. Они работоспособны даже при слабом ветре. Вторые – в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения.

• По назначению: ветряные мельницы - для непосредственного выполнения механической работы и ветроэлектрогенераторы – для производства электроэнергии.

• По стабильности частоты вращения: установки с постоянной частотой вращения – ветроэлектрогенераторы, синхронизированные с мощной энергосистемой, и установки с переменной частотой вращения.

• По способу соединения ветроколеса с генератором – жесткие или через промежуточный преобразователь энергии, буфер.

Ветроэнергоустановки с горизонтальной осью вращения– это в основном ветроколёса пропеллерного (рипеллерного) типа, приводимые во вращение подъёмной силой, действующей на лопастъ или крыло с аэродинамическим профилем, рис.1.1.1 и 1.1.2. Такая установка состоит из собственно пропеллерного ветродвигателя с ветроротором, установленного в ветроголовке в подшипниках и электрического генератора, соединенного с ветродвигателем через редуктор или непосредственно. Ветроголовка устанавливается на мачте с возможностью поворота. Лопасти ветроротора могут поворачиваться вокруг своих осей с целью управления. Более детально можно назвать следующие основные элементы:

1-ветроротор, ступица ветроротора,

2-вал ротора ветродвигателя,

3-крепление подшипника,

4-корпус ветроголовки,

5- коробка передач,

6- опора,

7- тормоз ротора,

8-вал генератора,

9-теплообменник,

10-подшипник ротора,

11-станина,

12-горизонтальный тормозной диск,

13-горизонтальный тормоз,

14-горизонтальная поворотная платформа с поворотным диском,

15-муфта сцепления,

16-электрический генератор,

17-опора генератора,

18- измерительное устройство (флюгер и анемометр),

19-опорная конструкция - мачта.

Ветроэнергетические установки с вертикальной осью находятся в рабочем положении при любом направлении ветра, рис.1.1.3, и позволяют устанавливать генератор внизу. Недостатки таких установок – большая подверженность усталостным разрушениям из-за возникающих колебательных процессов и пульсация вращающего момента, приводящая к нестабильности выходных параметров генератора, а также низкая эффективность преобразования ветрового потока в установках, использующих силу сопротивления. ВЭУ с вертикальной осью: ротор Савониуса, рис.1.1.3, ротор Дарье, рис.1.1.4, ротор Эванса, рис.1.1.5, ротор с откидными пластинами, рис.1.1.6, роторная ветроэнергетическая установка с вертикально-осевым ротором Флеттнера, рис.1.1.7.

Рис.1.1.1.Общий вид пропеллерной ветроэнергетической установки с горизонтальной осью вращения.

Рис.1.1.2.Конструкция ветроголовки пропеллерной ветроэнерге- тической установки с горизонтальной осью вращения. Действие подъемной силы

Рис.1.1.3. Ветроэнергетическая установка с вертикально-осевым ротором Савониуса (1,2-лопасти, установленные на вращающейся ветроголовке 4, 3-вертикальный вал, 5-башня, 8- электрический генератор).

а) б)

Рис 1.1.4. а)Ротор Дарье (1,2- лопас- ти, 3-вертикальный вал 4, 5- под- шипниковые узлы, 6,7-растяжки, 8- генератор).

б) Ротор Эванса (1,2-лопасти, 3-вертикальный вал, 4-ось поворота лопастей).

Рис.1.1.5. а) Ротор с откидными пластинами (1,2-откидные пластины- лопасти, 3-ветроротор, 4-пружины, 5-вертикальный вал, 6-электрический генератор) б) Роторная ВЭУ с верти-кально-осевым ротором Флеттне-ра (1- лопасти, установленные на вращающейся ветроголовке 2, 3 - вертикальный вал, 4 - башня, 5 - генератор)

Мощность горизонтально-осевого пропеллерного ветродвигателя, использующего подъемную силу.

Мощность, развиваемая ветродвигателем, зависит от скорости ветра, мощности ветрового потока, типа ветродвигателя и его аэродинамической характеристики. Наиболее полно ветровой поток используется горизонтально-осевым пропеллерным (рипеллерным) двигателем, для которого вся ометаемая ветроколесом площадь потока, является активной.

Мощность ветрового потока, проходящего через некоторое сечение S равна его кинетической энергии в единицу времени

где: S – площадь, ометаемая ветроколесом, м²,

ρ – плотность воздуха, 1,3 кг/м,

m- масса воздуха, проходящая через сечение ветроколеса в секунду.

При набегании потока на ветроколесо поток отдает колесу часть своей энергии, расширяется. Скорость потока уменьшается от величины V перед ветроколесом до величины V1 на самом колесе и до величины V2 за колесом, рис.1.1.8.

Сила, действующая на ветроколесо и приводящая его во вращение, равна изменению количества движения при прохождении ветроколеса потоком

Рис.1.1.6. К расчету мощности горизонтально-осевого пропеллерного ветродвигателя.

Мощность, развиваемая ветроколесом:

Полагая скорость ветра на ветроколесе равной среднеарифметическому значению скоростей ветра в сечениях, расположенных перед ветроколесом и за ним

,

а коэффициент торможения потока при прохождении им ветроколеса

,

соотношение скоростей ветра в сечениях составит

Искомое выражение мощности, развиваемой ветроколесом

где - коэффициент использования ветродвигателем мощности потока, или просто коэффициент мощности ветродвигателя.

Для горизонтально-осевых ветродвигателей, использующих подъемную силу, коэффициент мощности имеет наибольшее значение =0,59 при =1/3 . Практически достижимые значения коэффициента ≈0,3÷0,4.

Вращающий момент, развиваемый ветроколесом, пропорционален его мощности и обратно пропорционален частоте вращения

,

где: - быстроходность ветроколеса – отношение окружной скорости на конце лопасти ветроколеса к скорости ветра V;

R – радиус ветроколеса;

- угловая частота вращения ветроколеса;

– коэффициент вращающего момента.

Оптимальная быстроходность ветроколеса– это такая быстроходность, при которой оно вращается не слишком быстро, чтобы лопасти не двигались в турбулизированном предыдущей лопастью потоке и не слишком медленно, чтобы часть потока не проходила через сечение ветроколеса без взаимодействия с его лопастями:

,

где: N – число лопастей ветроколеса.

Сила лобового давления на ветроколесо:

,

где: - коэффициент лобового давления

Мощность ветродвигателя, использующего силу сопротивления. Ветровой поток воздействует одновременно на две лопасти. Одна из них оказывает большое сопротивление потоку и является рабочей и вращает ветроколесо, другая обтекаемая тоже оказывает сопротивление потоку, но действует навстречу направлению вращения, рис.1.1.9.

Рис.1.1.7. К расчету коэффициента мощности вертикально – осевого ветродвигателя

Развиваемая ветроколесом мощность с учетом того, что рабочая поверхность ветроколеса равна половине ометаемой площади

где -коэффициент использования мощности потока

.

Его максимальное значение соответствует a=1/3 и . Оно равно 0,22 по сравнению с максимальным значением этого коэффициента для горизонтально-осевого пропеллерного ветродвигателя, которое составляет 0,59. Некоторое повышение возможно путем увеличения заполнения площади ветроколеса, применением направляющих аппаратов или одновременным применением силы сопротивления и подъёмной силы.

Характеристики ветроэнергетических установок.

Наиболее широкое распространение получили горизонтально - осевые ВЭУ. Они серийно производятся и внедряются многими фирмами. Производители и экспортеры ветроэнергетических установок - это в основном фирмы Германии и Дании.

Таблица 1.1.Техническая характеристика ветроэнергетических установок мощностью 1000…1500 кВт (Германия, Дания)

Тип ветроэнергетической установки. Фирма изготовитель	Nordex S77 Nordex	V82 Vestas Micon	Enercon 66 Enercon	Tw 1.5 Tacke Windtech	Lagerwey-50|750 Lagerwey
РОТОР-диаметр, м	77	82	66	65	50,5
число лопастей	3	3	3	3	3
Частота вращения, об/мин	9,9…17,3	14,4/10,8	18…38	14…20	15…20
ГЕНЕРАТОР тип	Асинхронный двойно го питания с редуктор ным приво дом и возд. охлаждении ем	Асинхронный с реду- кторным приводом двухскоро стной с водяным охлажд.	Синхрон-ный прямо-приводной с преобразова телем частоты	Асинхронный с редуктор ным приво дом и пре-образователем часто-ты	Синхронный прямо-приводной с преобра-зователем частоты
Мощность, кВт	1500	1650/900	1500	1500	750
Частота вращения, об/мин	1000..1800	1522	18…38	1080…1560	15…20
Напряжение, В	690	690	400	500	400
ВЕТЕР - рабочий диапазон, м/с	3-25	3…24	2,5…25	4…25	4…25
Расчетная скорость, м/с	11,1	11,6…13	13	13	14,5
МАЧТА - высота, м	61,5…111	59…78	70…108	67…112	65…100
УРОВЕНЬ ШУМА в непосредственной близости, дБ	72,0	75,0	62,5	104	101,6
УРОВЕНЬ ШУМА на расстоянии 500 м, дБ	35	35	37	38	38
Капитальные затраты, долл. США за 1 кВт установленной мощности	900…1300