Ветрогенератор

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.

Промышленные ветрогенераторы в Северном море
Ветер раскручивает ротор. Выработанное электричество подаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразует напряжение на контактах аккумулятора в пригодное для использования

Ветрогенераторы можно разделить на три категории: промышленные, коммерческие и бытовые (для частного использования).

Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветровая электростанция. Раньше считалось, что они полностью экологичны, чем отличаются от традиционных. Однако лопасти ветрогенератора сделаны из полимерного композита, вторичное использование и переработка которого невыгодны с точки зрения расходов. Сейчас вопрос о переработке лопастей является открытым.

Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 8 МВт.

Мощность ветрогенератора зависит от мощности воздушного потока (), определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью ,

где:  — скорость ветра,  — плотность воздуха,  — ометаемая площадь.

Типы ветрогенераторов

Существуют классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта[1].

Существуют два основных типа ветротурбин:

  • с вертикальной осью вращения («карусельные» — роторные (в том числе «ротор Савониуса», точнее «ротор Братьев Ворониных» В начале октября 1924 года русские изобретатели братья Я. А. и А. А. Воронины получили советский патент на поперечную роторную турбину, в следующем году финский промышленник Сигурд Савониус организовал массовое производство подобных турбин. За ним и осталась "слава" изобретателя этой новинки), «лопастные» ортогональные — ротор Дарье);
  • с горизонтальной осью круглого вращения (крыльчатые). Они бывают быстроходными с малым числом лопастей и тихоходными многолопастными, с КПД до 40%[2].

Также существуют барабанные и роторные ветротурбины[2].

Ветрогенераторы, как правило, используют три лопасти для достижения компромисса между величиной крутящего момента (возрастает с ростом числа лопастей) и скоростью вращения (понижается с ростом числа лопастей)[3].

Преимущества и недостатки разных типов ВЭУ

Закон Беца предсказывает, что коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок ограничен константой 0,593. К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0,4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0,38. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0,4-0,45 - вполне реальная задача. Таким образом коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки[4].

Устройство

ВЭУ состоит из:

  1. Ветротурбины, установленной на мачте с растяжками и раскручиваемой ротором либо лопастями;
  2. Электрогенератора;

полученная электроэнергия поступает в:

Промышленная ветровая установка
Устройство ветрогенератора

Состоит из следующих деталей:

  1. Фундамент
  2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления
  3. Башня
  4. Лестница
  5. Поворотный механизм
  6. Гондола
  7. Электрический генератор
  8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
  9. Тормозная система
  10. Трансмиссия
  11. Лопасти (как правило, три, поскольку роторы с двумя лопастями подвергаются большим нагрузкам в момент, когда пара лопастей вертикальна, а больше трёх лопастей создают избыточное сопротивление воздуха)
  12. Система изменения угла атаки лопасти
  13. Обтекатель
  • Система пожаротушения
  • Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора
  • Система молниезащиты
  • Привод питча
Маломощная модель ветряного генератора[5]

Состоит из следующих деталей:

  1. Небольшой электродвигатель постоянного тока (3-12 В) (используемый как генератор)
  2. Кремниевый выпрямительный диод
  3. Электролитический конденсатор (1000 мкФ 6 В)

Эффективность

Закон сохранения массы требует, чтобы количество воздуха, входящего и выходящего из турбины, было одинаковым. Соответственно, закон Беца дает максимально достижимое извлечение энергии ветра ветряной турбиной как 16/27 (59,3%) скорости, с которой кинетическая энергия воздуха достигает турбины[6].

Таким образом, максимальная теоретическая выходная мощность ветряной машины равна 16/27 кинетической энергии воздуха, который достигает эффективной площади диска машины за единицу времени. При эффективной площади диска и скорости ветра максимальная теоретическая выходная мощность равна

,

где ρ — плотность воздуха.

Трение лопастей о воздух и лобовое сопротивление являются главными факторами, определяющими эффективность передачи энергии от ветра к ротору и, следовательно, стоимость энергии, вырабатываемой ветрогенератором[7]. Среди других факторов снижения эффективности — потери в редукторе, в генераторе и преобразователе. По данным на 2001 год турбины, подключенные к коммерческим коммунальным предприятиям, при номинальной рабочей скорости выдавали от 75% до 80% предельной мощности, определяемой по закону Беца[8][9].

Эффективность может немного снизиться со временем из-за пыли, дефектов поверхности лопастей и налипших насекомых, которые снижают подъемную силу лопасти. Анализ 3128 ветряных турбин старше 10 лет в Дании показал, что КПД половины турбин не снизился, а у другой половины снижался в среднем на 1,2% в год[10].

В целом, более стабильные и постоянные погодные условия (особенно скорость ветра) приводят к повышению эффективности в среднем на 15% по сравнению с неустойчивой погодой[11].

Было обнаружено, что различные материалы по-разному влияют на эффективность ветряных турбин. В эксперименте Университета Эге были сконструированы три трёхлопастные ветряные турбины диаметром 1 м с разным материалом лопастей: стекловолокно и углеродное волокно с эпоксидным связующим, углеродное волокно, стекло-полистирол. Испытания показали, что материалы с более высокой общей массой имеют больший момент трения и, следовательно, более низкий коэффициент мощности[12].

Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов
Внутри башни
11 × E-126 бельгийской ВЭС Estinnes в июле 2010, за месяц до завершения строительства станции
11 × E-126 (11 × 7,5 МВт) бельгийской ВЭС Estinnes 10 октября 2010 года.

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7-10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветровой фермы может занимать год и более.[13] Кроме того, для обоснования строительства ветроустановки или ветропарка необходимо проведение длительных (не менее года) исследований ветра в районе строительства. Эти мероприятия значительно увеличивают срок реализации ветроэнергетических проектов.

Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.

В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:

  • Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.
  • Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и ротор останется неподвижным.
  • Отключение/поломка тормозной системы. При этом лопасть набирает слишком большую скорость и, как следствие, ломается.
  • Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов, входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.
  • Нестабильность работы генератора. Из-за того, что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.
  • Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветровых электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.
  • Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы.
  • Шум и вибрация.

Перспективные разработки

Норвежская компания StatoilHydro и немецкий концерн Siemens AG разработали плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в июне 2009 года[14][15]. Турбина под названием Hywind, разработанная[15] Siemens Renewable Energy, весит 5 300 тонн при высоте 65 метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой, неподалеку от юго-западного берега Норвегии. Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.

Компания Magenn разработала специальный вращающийся от ветра аэростат с установленным на нём генератором, который сам поднимается на высоту 120—300 метров. Нет необходимости строить башню и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра от 1 м/с до 28 м/с. Аппарат может перемещаться в ветряные регионы или быстро устанавливаться в местах катастроф.

Компания Windrotor предлагает конструкцию ротора мощной турбины, позволяющую значительно увеличить его размеры и коэффициент использования энергии ветра. Предполагается, что эта конструкция станет новым поколением роторов ветровых турбин.

В мае 2009 года в Германии компанией Advanced Tower Systems (ATS) был запущен в эксплуатацию первый ветрогенератор, установленный на гибридной башне. Нижняя часть башни высотой 76,5 метров построена из железобетона. Верхняя часть высотой 55 метров построена из стали. Общая высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет 180 метров. Увеличение высоты башни позволит увеличить выработку электроэнерии до 20 %[16].

В конце 2010 года испанские компании Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros и DIgSILENT Ibérica создали группу для совместной разработки ветрогенератора мощностью 15,0 МВт[17].

Евросоюз создал исследовательский проект UpWind для разработки офшорного ветрогенератора мощностью 20 МВт[18].

В 2013 году японская компания Mitsui Ocean Development & Engineering Company разработала гибридную установку: на единой плавающей в воде оси установлена ветровая турбина и турбина, работающая от приливной энергии[19].

Крупнейшие производители

Таблица 10 крупнейших производителей промышленных ветрогенераторов в 2010 году[20], МВт:

№НазваниеСтранаОбъём производства, МВт.
1Vestas Дания5 842
2Sinovel Китай4 386
3GE Energy США3 796
4Goldwind Китай3 740
5Enercon Германия2 846
6Suzlon Energy Индия2 736
7Dongfang Electric Китай2 624
8Gamesa Испания2 587
9Siemens Wind Германия2 325
10United Power Китай1 600

В 2014 году суммарные мощности производителей турбин достигли 71 ГВт[21].

Цены

Компания Bloomberg New Energy Finance производит расчёт ценового индекса ветрогенераторов (Wind Turbine Price Index). С 2008 года до 2010 года средние цены на ветрогенераторы снизились на 15 %. В 2008 году средняя цена ветрогенератора составляла 1,22 млн евро за 1 МВт мощности.

В августе 2010 года средняя цена одного МВт ветрогенератора составляла 1,04 млн евро[22].

В 2021 стоимость выросла до 4 млн евро (Германия, строительство возле города Флёте).

Малые ветрогенераторы
Три типа ветрогенераторов в действии
Малый роторный ветрогенератор на крыше здания
Парусный ветрогенератор

К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветровой энергетике. Они применяются на яхтах, сельскохозяйственных фермах для водоснабжения и т. д.

Строение малой ветровой установки
  1. Ротор; лопасти; ветротурбина; хвост, ориентирующий ротор против ветра
  2. Генератор
  3. Мачта с растяжками
  4. Контроллер заряда аккумуляторов
  5. Аккумуляторы (обычно необслуживаемые на 24 В)
  6. Инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключенный к электросети

Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети.

Некоторые современные бытовые ИБП имеют модуль подключения источника постоянного тока специально для работы с солнечными батареями или ветрогенераторами. Таким образом, ветрогенератор может быть частью домашней системы электропитания, снижая потребление энергии от электросети.

Плюсы и минусы эксплуатации

В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину у основной массы производств на фоне других затрат. Ключевым для потребителя остаётся надёжность и стабильность электроснабжения.

Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии для использования в промышленности, получаемой от ветрогенераторов, являются:

  • необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220 В 50 Гц (применяется инвертор, ранее для этой цели применялся умформер)
  • необходимость автономной работы в течение некоторого времени (применяются аккумуляторы);
  • необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется дизель-генератор);

Считается, что применение малых автономных ветрогенераторов в быту малоцелесообразно из-за:

  • высокой стоимости аккумуляторных батарей: ~ 25 % стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети);
  • достаточно высокой стоимости инвертора (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в переменное напряжение стандарта бытовой электросети (220 В, 50 Гц).
  • нередкой необходимости добавлять к нему дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой.

Однако, при наличии общей электросети и современного ИБП с двойным преобразованием эти факторы становятся неактуальными, также часто такие ИБП предусматривают возможность дополнения различными нестабильными источниками постоянного тока, такими как ветрогенератор или солнечная батарея.

Наиболее экономически целесообразным в настоящее время является получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью тепловых насосов в тепло для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:

  • Отопление является основным энергопотребителем практически любого дома в России.
  • Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.
  • Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле.
  • В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
  • Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности, температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широком диапазоне: 19-25 °С; в бойлерах горячего водоснабжения: 40-97 °С, без ущерба для потребителей.

Развитие
Строительство Фундамента для ветрогенератора
Монтаж ветрогенератора

Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается, и за вполне умеренные деньги уже сейчас можно приобрести ветровую установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому. Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 м/с. Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором, а ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами (например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. При этом одно другому не мешает — источники будут дополнять друг друга).

Наиболее перспективными регионами для развития малой ветроэнергетики считаются регионы со стоимостью электроэнергии более $0,1 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии, производимой малыми ветрогенераторами в 2006 г. в США составляла $0,10-$0,11 за кВт·ч.

Американская ассоциация ветровой энергетики (AWEA) ожидает, что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до $0,07 за кВт·ч. По данным AWEA, в США в 2006 г. было продано 6807 малых ветровых турбин. Их суммарная мощность 17 543 кВт. Их суммарная стоимость $56 082 850 (примерно $3200 за кВт мощности). В остальном мире в 2006 г. были проданы 9502 малых турбины (без учёта США), их суммарная мощность 19 483 кВт.

Департамент Энергетики США (DoE) в конце 2007 года объявил о готовности финансирования особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.

AWEA прогнозирует, что к 2020 году суммарная мощность малой ветровой энергетики США вырастет до 50 тыс. МВт, что составит около 3 % от суммарных мощностей страны. Ветровые турбины будут установлены в 15 млн домов и на 1 млн малых предприятий. В отрасли малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем $1 млрд.

В России тенденция установки ветрогенераторов для оснащения домов электричеством только зарождается. На рынке присутствуют буквально несколько производителей маломощных бытовых ветрогенераторов именно для домашнего использования. Цены на ветрогенераторы мощностью 1 кВт с полной комплектацией начинаются от 35-40 тыс. рублей (на 2012 год). Сертификация на установку данного оборудования не требуется.

См. также

Примечания
  1. Виды ветрогенераторов. Дата обращения: 5 февраля 2013. Архивировано 11 февраля 2013 года.
  2. Билимович Б. Ф. Законы механики в технике. — М.: Просвещение, 1975. — Тираж 80000 экз. — С. 173.
  3. Почему у ветрогенераторов три лопасти, а не две или четыре? // Популярная механика. — 2018. — № 5. — С. 16.
  4. Что лучше - вертикальный или горизонтальный ветрогенератор? Преимущества и недостатки. КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА.
  5. Брага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 131 — ISBN 5-477-00749-4.
  6. The Physics of Wind Turbines Kira Grogg Carleton College, 2005, p. 8. Дата обращения: 6 ноября 2013.
  7. Wind Energy Basics. Bureau of Land Management. Дата обращения: 23 апреля 2016. Архивировано 9 мая 2019 года.
  8. Enercon E-family, 330 Kw to 7.5 MW, Wind Turbine Specification. Архивировано 16 мая 2011 года.
  9. Tony Burton. Wind Energy Handbook / Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins … [и др.]. — John Wiley & Sons, 12 December 2001. — P. 65. — ISBN 978-0-471-48997-9.
  10. Sanne Wittrup. 11 års vinddata afslørede overraskende produktionsnedgang (датск.) (1 November 2013).
  11. Han, Xingxing; Liu, Deyou; Xu, Chang; Shen, Wen Zhong (2018). “Atmospheric stability and topography effects on wind turbine performance and wake properties in complex terrain”. Renewable Energy. Elsevier BV. 126: 640—651. DOI:10.1016/j.renene.2018.03.048. ISSN 0960-1481.
  12. Ozdamar, G. (2018). “Numerical Comparison of the Effect of Blade Material on Wind Turbine Efficiency”. Acta Physica Polonica A. 134 (1): 156—158. Bibcode:2018AcPPA.134..156O. DOI:10.12693/APhysPolA.134.156.
  13. Файзуллин И.И. Ветровые энергетические установки // Оренбургский государственный университет. — 2014.
  14. В Норвегии запустят плавучую прибрежную ветровую турбину (недоступная ссылка). Дата обращения: 9 сентября 2009. Архивировано 16 сентября 2009 года.
  15. Jorn Madslien. Floating wind turbine launched, BBC NEWS, London: BBC, С. 5 June 2009. Дата обращения 28 февраля 2022.
  16. New Tower Reaches High to Catch the Wind
  17. Spanish Companies Plan a 15-MW Wind Turbine December 1, 2010
  18. http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2012/07/wind-turbine-blades-push-size-limits?cmpid=rss Chris Webb Wind Turbine Blades Push Size Limits, 10.07.2012
  19. Hybrid Wind-Tidal Turbine To Be Installed off Japanese Coast Июль 12, 2013
  20. Tildy Bayar. World Wind Market: Record Installations, But Growth Rates Still Falling (англ.). renewableenergyworld.com (4 августа 2011). — 10 крупнейших поставщиков 2010 года по данным компании. Дата обращения: 28 мая 2013. Архивировано 28 мая 2013 года.
  21. http://www.windtech-international.com/industry-news/news/industry-news/global-wind-turbine-manufacturing-capacity-has-far-surpassed-demand Global wind turbine manufacturing capacity has far surpassed demand Published: 11 December 2014
  22. Stephen Lacey. Wind Turbine Prices Remain Low (англ.). renewableenergyworld.com (4 августа 2010). — По данным компании, цены ветряных турбин снизилась на 15% за последние два года. Дата обращения: 28 мая 2013. Архивировано 28 мая 2013 года.

Литература

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.