1.1 Виды конструкций
Воздушный поток обладает запасом кинетической энергии. С помощью ветроколеса или аналогичного рабочего органа кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию. В зависимости от назначения ветроустановки механическая энергия может быть преобразована в электрическую, тепловую, энергию сжатого газа и т.д. Для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую могут быть использованы ветродвигатели различных типов.
По соотношению мощности ВЭУ и мощности энергосистемы ВЭУ делятся на три класса:
Класс А, к которому относятся ВЭУ, неподключенные к единой энергосистеме. В зависимости от применения, такие ВЭУ обычно комплектуются небольшими аккумулирующими (электроаккумулирующими) устройствами. Частота выходного напряжения, как правило, не стабилизирована. Они применяются в основном для освещения, электропитания сигнальных устройств и средств связи. Мощность таких ВЭУ не более 5 – 10 кВт.
Класс В, мощность которых соизмерима с мощностью сети. Такие ВЭУ, как правило, входят в состав локальных энергосистем отдельных районов, отрезанных от основной энергосистемы естественными препятствиями. Наиболее экономично в этом случае комбинированное применение ВЭУ с дизельными электростанциями. При этом ВЭУ рассматриваются как средство экономии дизельного топлива. Параметры выходного напряжения в таких системах достаточно стабильны. В системах класса В более эффективно применение больших аккумулирующих устройств и сооружений, таких как водородные аккумуляторы и небольшие гидроаккумулирующие станции.
Класс С. Мощность сети значительно превышает установленную мощность ВЭУ. Такие ВЭУ относятся к системной ветроэнергетике. Они способны оказать влияние на состояние энергетического баланса большого региона или даже страны. В классе С целесообразно применение ВЭУ с установленной мощностью от 100 кВт до нескольких мегаватт. При этом обостряются проблемы, связанные с геометрическими размерами, возникают напряженные режимы работы механических частей.
По типу применяемого ветродвигателя генераторы разделяют на следующие категории:
К
рыльчатые
– ветродвигатели с горизонтальной
осью вращения. Крыльчатые ветродвигатели
различаются по количеству лопастей
(Рис. 2-5).Карусельные – это двигатели с вертикальной осью вращения. Они подразделяются на ортогональные (рис.6) и лопастные (рис.1) ветродвигатели.
a) Крыльчатые
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастейкрыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. 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. Скорость вращения и простота изготовления обусловили широкое применение крыльчатых ветрогенераторов.
b) 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 – 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. 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.
c) Ортогональные
Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Основной трудностью их применения является проблема запуска.. 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 20 000 кВт. В реалистичной 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.
Кроме описанных выше довольно часто используется классификация, связанная с типом применяемой электрической машины (рис.1.5).
