5.2. Ветроустановки.

К главным факторам, определяющим возможность и экономическую эффективность использования ветра, относятся: метеорологические условия, расположение ВЭУ и ее конструкция, использование ВЭУ в автономной системе или же в системе централизованного электроснабжения. Необходимо учитывать, что ВЭУ работает по неуправляемому графику, зависящему от метеорологических условий.

Возможности ветроэнергетики человечеству известны давно. Это, в первую очередь, машины прямого преобразования энергии ветра в механическую энергию (ветряные мельницы и водяные насосы). С повышением стоимости ископаемых энергоносителей (нефть, газ, уголь) ветроэнергетика постоянно расширяет область своего применения, чему способствует также экологическая чистота ветроэнергетики.

Электрически ветрогенераторы имеют следующие преимущества:

• удобство эксплуатации;

• гибкость конструкции (допускает самые разнообразные виды компоновок);

• возможность аккумуляции энергии;

• возможность работы параллельно с электрической сетью;

К недостаткам можно отнести:

• относительно высокая стоимость;

• наличие порога по скорости ветра, начала выработки электроэнергии;

• необходимость в большинстве случаев использования мультипликаторов для согласования рабочих скоростей электрических машин отбора мощности и скоростей вращения ветровой турбины;

• относительно низкий КПД использования энергии ветра вследствие наличия дополнительных электрических преобразователей;

В развитых странах выпускается широкий спектр электрических ветроустановок мощностью от нескольких ватт до сотен киловатт. В комплекс ветроустановок могут включаться преобразователи типа DC-AC, устройства сброса ветровой нагрузки на сильных ветрах, устройства автоматики, в том числе для работы в составе промышленных электросистем. Стоимость подобных установок колеблется от 2 до 5 долларов США за 1 Вт мощности и снижается с повышением мощности ветроустановок. В качестве примера на рис.2.3 приведен ветроагрегат АВЭУ6-4М.

Россия обладает достаточным ветроэнергетическим потенциалом, который позволяет при среднегодовых величин скорости ветра более 5 м в сек. использовать его для производства товарных количеств электрической энергии. Установки небольшой мощности для обеспечения отдельных потребителей могут применяться повсеместно.

Рис. 2.3. Габаритные и установочные размеры ветроагрегата АВЭУ6-4М.

Условные обозначения:

1 – ветроколесо; 2 – редуктор цилиндрический; 3 – генератор;

4 – червячный редуктор; 5 – башня; 6 – фундамент; 7 – кабель;

8 – блок автоматики; 9 – блок управления.

Таблица 2.3.2.

Среднемесячные и среднегодовые скорости ветра для некоторых пунктов юга России

Месторас- положение станции	Высота флюгера	Среднемесячные скорости на высоте флюгера				Среднегодовые скорости на высоте флюгера
		I-III	III-IV	V-VIII	IX-XII	Флюгер	5м	10м
Краснодар	10	3,1	3,6	2,5	2,3	2,8	2,5	2,8
Махачкала	12	5,4	5,6	4,0	5,2	5,1	4,5	5,0
Мин. Воды	14	3,7	4,2	3,1	5,7	3,6	3,0	3,4
Ростов-на- Дону	13	3,5	3,4	3,0	3,3	3,4	2,9	3,2
Ставрополь	12	4,9	3,5	2,8	4,0	3,4	3,0	3,4
Элиста	8	6,6	6,4	4,6	5,4	5,7	5,0	5,9
Анапа	13	7,7	4,3	5,8	8,0	7,7	6,8	7,6
Волгоград	10	7,0	6,5	5,9	6,6	6,5	6,0	6,5

Несмотря на широкое распространение электрических ветроустановок в мире, для северных стран, в том числе и для России, интересными являются тепловые ветроустановки с прямым преобразованием энергии ветра в тепловую энергию, используемую для обогрева помещений, а также в виде тепловых насосов, которые могут использоваться для получения холода в летнее время. В качестве рабочего тела в этих установках используются жидкости (вода, масло и другие), устройствами отбора мощности от турбин являются гидравлические машины.

Достоинства тепловых ветроустановок:

• почти 100% КПД преобразования энергии ветра, снятой с турбины, в тепловую энергию;

• возможность переноса энергии в виде теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения (тепловые насосы);

• высокая надежность и низкая стоимость по сравнению с электрическими ветроустановками;

• хорошее согласование скоростных характеристик (числа оборотов ветровой турбины со скоростными характеристиками устройства отбора мощности гидравлическими машинами и т.п.) во всем диапазоне скоростей ветра без использования мультипликаторов;

• возможность включения гидравлических ветроустановок в существующие системы теплоснабжения;

• возможность комбинированного использования тепловых сетей в сочетании с электрическими нагревателями;

• долговечность ветроустановок, тепловой системы и теплоносителя, в качестве которого можно использовать автомобильные масла.

При проектировании ВЭУ необходимо учитывать:

1. Для обеспечения максимальной эффективности ветроколесо должно изменять частоту вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности и в то же время приводимый электрогенератор с максимальной эффективностью работает при постоянных оборотах.

2. Оптимальная частота вращения ветроколеса тем меньше, чем больше его радиус, поэтому только очень малые ветроколеса (г2м), как правило, соединяют с генератором напрямую. При больших размерах ветроколеса используют повышающие редукторы, которые повышают стоимость установки. Альтернативой редукторам являются многополюсные генератоы.

3. Анализ парка потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5-10% предъявляют жесткие требования к выходным параметрам (электродвигатели, высоковольтные устройства). Поэтому целесообразно строить систему электроснабжения, чтобы она могла обеспечивать потребителей как дешевой энергией с нестабилизированными параметрами, так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами.

4. Энергосистемы в отдаленных районах обычно имеют малую мощность маломощные, а передача энергии к ним связано с потерями, связанных с потерями, поэтому целесообразно в этих случаях строительство гибридных центров энергоснабжения. Так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении, там где необходимо , ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии или к ним должны быть параллельно подключены установки других типов.

Относительно небольшие потребности электроэнергии со стабилизированными параметрами 220В/50Гц можно удовлетворять специальными преобразователями, с буферной аккумуляторной батареей. В некоторых случаях необходимо стабилизировать частоту вырабатываемой электроэнергии. Для этого существует два способа:

1. Механическое управление лопастями ветроколеса с целью стабилизации его вращения. Ненадежный и достаточно дорогой способ.

2. Электрическое управление, при котором постоянство частоты вращения ветроколеса и генератора обеспечивается изменением электрической нагрузки, что более эффективно, так как лопасти колеса работают в оптимальном режиме. Использование современного электронного оборудования делает этот способ простым и достаточно дешевым. Электрогенераторы, применяемые на ВЭУ, могут быть разных типов. В небольших установках наиболее распространены многополюсные генераторы с постоянными магнитами постоянного тока, которые могут иметь устройства для сглаживания пульсаций тока, и применяться с буферной аккумуляторной батареей. Для генерации переменного тока мощностью 100 - 500 Вт применяют синхронные генераторы с нестабилизированными и стабилизированными параметрами на выходе. Асинхронные машины применяются реже.

Установки с использованием резервного источника энергии - комбинированные ветродизельные автономные агрегаты, которые характеризуются следующим:

• типом установки (двигателя, генератора, источника),ее мощностью и видом потребляемого топлива;

• изменением КПД в зависимости от степени загрузки установки и, как следствие, экономически оправданными предельными значениями развиваемой мощности;

• временем, необходимым для запуска установки в работу, долговечностью, продолжительностью перерывов в работе.

Значительная часть потребителей требует бесперебойного и часто круглосуточного энергоснабжения, вне зависимости от наличия ветра и его интенсивности. Кроме того, отклонение электрических параметров допускается в ограниченных пределах. В случаях продолжительных штилей применяются комбинированные установки с аккумуляторными батареями и резервными источниками других типов, такими как фотоэлектрические батареи, генераторы с ДВС и т.д..

Комбинированная ВЭУ могут работать по следующим схемам:

1. ВЭУ работает изолировано. Резервный неветровой двигатель (установка) включается только в периоды безветрия или недостаточных скоростей ветра. В отличие от установки, дублирующей полную расчетную мощность, мощность резервного двигателя обычно меньше ветроэнергетической установки и рассчитана на питание в основном тех потребителей, которые не допускают перерывов в электроснабжении.

2. ВЭУ работает изолированно, совместно с фотоэлектрической установкой. Благодаря совместному использованию энергии ветра и солнца можно добиться значительного снижения общей стоимости выработанной энергии в сравнении ФЭУ и повышения надежности электроснабжения.

3. Гибридные системы ВЭУ и ФЭУ применяются для питания автономных сетей при наличии дизельного или бензинового генератора меньшей мощности для обеспечения потребителей, которые нуждаются в бесперебойном питании. Такая система обеспечивает высокую надежность энергоснабжения.

4. Ветроэлектрическая станция и топливная энергетическая установка работают практически независимо, а потребители автоматически подключаются в зависимости от скорости ветра, мощности нагрузки, или к ВЭУ, или к резервной установке. При устойчивых скоростях ветра резервная установка отключается.

5. Ветродвигатель и тепловой двигатель работают на вал одного генератора, питающего электроэнергией общих потребителей. Перераспределение момента на валу генератора происходит автоматически, благодаря соответствующей настройке ВЭУ и теплового двигателя, при этом используется максимальный момент, развиваемый ВЭУ.

6. ВЭУ используются в энергосистемах большой мощности. При такой системе включения, сеть может воспринять практически любую мощность, поэтому для исключения статической перегрузки ветродвигателя по мощности сети двигатель снабжают центробежным регулятором. Используя многоагрегатные станции, образованные из отдельных ветроустановок можно добиться доли ВЭС порядка 15-30% в общем балансе энергопотребления удаленных потребителей в зонах со среднегодовой скоростью ветра более 3 м в сек..