Ветроэнергетические установки

Ветроэнергетика. Основные технические характеристики ВЭУ. Виды и принцип действия ветроэлектрических установок



Ветроэнергетика

Ветер — это движение воздуха относительно земной поверхности, обусловленное разностью атмосферного давления и направленное от высокого давления к низкому.

Причиной неравномерного распределения давления атмосферы является неодинаковый нагрев воздуха, в основном, за счет солнечной радиации. Ветер характеризуется скоростью (υв) и направлением.

Скорость выражается в м/с, км/ч или приближенно в баллах по шкале Бофорта.

Ветроэнергетика — это отрасль энергетики, связанная с разработкой методов и средств, для преобразования энергии ветра в механическую, тепловую или электрическую энергию. Важной особенностью энергии ветра, как и солнечной, является то, что она может быть использована практически повсеместно.

Ветродвигатель — устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в механическую энергию.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс технических устройств, для преобразования энергии ветра в другие виды: механическую, электрическую или тепловую.

Ветродвигатель является неотъемлемой частью ВЭУ. В ее состав также могут входить рабочие машины (электрогенератор, тепловой генератор), аккумулирующие устройства, системы автоматического управления и регулирования и др.

Ветровая энергия представляет собой возобновляемый источник энергии, являющийся вторичным по отношению к солнечной энергии.

Причиной возникновения ветра являются разности температур в атмосфере, образующиеся в результате действия солнечного излучения, которые, в свою очередь, обуславливают возникновение различных давлений.

Ветер возникает в процессе рассеяния энергии, накопившейся вследствие наличия этих различных давлений.

Ветроэнергетичическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2. Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра.

Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3%.

На практике максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50%, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом.

Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75-95%.

Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30-40% мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом.

Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей.

Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения.

Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора.

Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года составляет 15-30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Основные технические характеристики ВЭУ

К основным техническим характеристикам ВЭУ относятся:

  • номинальная мощность;
  • номинальная (расчетная) скорость ветра;
  • минимальная скорость ветра;
  • максимальная рабочая скорость ветра;
  • номинальная частота вращения ветроколеса.

Номинальная мощность (Рн, кВт) — это мощность ВЭУ, развиваемая при скорости ветра в пределах от номинальной (расчетной) до максимальной рабочей. Значение Рн указывается изготовителем в паспорте на ветродвигатель.

Номинальная (расчетная) скорость ветра (υp, м/с) — скорость ветра, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность. Для различных конструкций ветроустановок эта скорость различна.

Минимальная скорость ветра (υ0, м/с) — скорость ветра, при которой ВЭУ вступает в работу. Для тихоходных установок эта скорость не превышает 2…3м/с, для быстроходных υ0≥7м/с.

Максимальная рабочая скорость ветра (υM, м/с) — скорость ветра, превышение которой может привести к разрушению ВЭУ. При υB>υM производят так называемое штормовое (или буревое) отключение ВЭУ. Значение υM для различных типов ВЭУ лежит в пределах 25…60м/с.

Рис.1. Зависимость выходной мощности ВЭУ от скорости ветра
при регулировании скорости вращения ветроколеса:
Рн — номинальная мощность ВЭУ;

υ0 — минимальная скорость ветра, при которой ВЭУ начинает отдавать энергию;

υp — расчетная скорость ветра;
υM — максимальная скорость ветра для работы ВЭУ

Номинальная частота вращения ветроколеса (nнвк, об./мин) — это такая скорость вращения, при которой ВЭУ развивает номинальную мощность.

Для большинства современных ВЭУ частоту вращения ветроколеса регулируют с целью обеспечения постоянства этого параметра при изменении скорости ветра.

Виды и принцип действия ветроэлектрических установок

ВЭУ по своему назначению и виду преобразования энергии ветра в другие виды подразделяют на: ветромеханические, ветроэлектрические, ветротепловые и комбинированные (получение, например, механической и электрической энергии). Наиболее универсальны ветроэлектрические установки, по этой причине они получили наибольшее распространение.

С точки зрения автономности использования различаются ВЭУ:

  • автономные;
  • работающие с другими энергоисточниками (дизельные электростанции, фотоэлектрические установки и др.);
  • работающие в составе энергосистемы электроснабжения.

Автономные ВЭУ могут использоваться в качестве источника энергоснабжения, и в первую очередь — электроснабжения объектов, удаленных от ЛЭП (линии электропередач), газопроводов и других коммуникаций.

Учитывая непостоянство скорости ветра, а зачастую и его отсутствие, для непрерывного энергоснабжения в составе таких ВЭУ необходимо иметь аккумуляторы того вида энергии, который производится с помощью данной установки.

Так, для ветроэлектрических установок необходимо иметь электрический аккумулятор, способный обеспечить бесперебойное поступление электроэнергии на объект не менее 2-х суток.

ВЭУ, работающие с другими энергоисточниками, позволяют наилучшим образом выполнять задачу непрерывного энергоснабжения любых объектов.

Благодаря наличию дизель-генератора, фотоэлектрической станции, мини-ТЭЦ или небольшой ГЭС имеется возможность исключить потребность в аккумулировании энергии, производимой ВЭУ.

При этом за счет использования ВЭУ обеспечивается экономия традиционного топлива.

При работе ВЭУ в составе энергосистемы также обеспечивается полное использование энергетического потенциала этой установки и экономия других ТЭР, потребляемых электростанциями, которые питают энергосистему.

Основным рабочим органом ветродвигателя ВЭУ является ветроколесо, принимающее на себя энергию ветра и преобразующее ее в механическую энергию своего вращения. Оно вращается за счет аэродинамических сил, возникающих при взаимодействии ветрового потока и лопастей. Различают быстроходные и тихоходные ветроколеса. Быстроходное ветроколесо имеет небольшое число лопастей, обычно две или три.

Взаимодействие ветрового потока и лопастей показано на рис.2.

Рис.2. Плоскость вращения ветроколеса

Векторная диаграмма сил и скоростей в сечении лопасти быстроходного ветроколеса:

  • υв — скорость ветра;
  • ωR — окружная скорость сечения лопасти;
  • υп — скорость набегающего потока;
  • R — радиус вращения сечения лопасти;
  • φ — угол установки лопасти;
  • а — угол атаки;
  • Fa — полная аэродинамическая сила;
  • Fn — подъемная сила;
  • Fc — сила лобового сопротивления.

Для сечения лопасти, удаленного от центра вращения на расстояние R (радиус вращения), при угловой скорости вращения ω линейная скорость кругового движения (окружная скорость) сечения будет равна ωR.

Вектор этой скорости расположен в плоскости вращения ветроколеса. Для данного сечения воздушный поток набегает с относительной скоростью υп, которая будет превышать скорость ветра υв, так как она складывается (векторно) из υв и окружной скорости ωR.

Возникающая аэродинамическая сила Fa раскладывается на подъемную — Fп, создающую вращающий момент в направлении вектора окружной скорости ωR, и на силу лобового сопротивления Fc, действующую против направления вращения лопасти. Меняя угол установки лопасти φ путем ее поворота, можно изменять величину и направление векторов сил, действующих на лопасть.

Этим достигается регулирование частоты вращения ветроколеса, ограничение его мощности, а также пуск и остановка ветродвигателя.

Мощность (кВт), развиваемая на валу ветроколеса, приближенно можно определить по формуле:

Рвк = 3,85∙10-4∙р∙D2∙υвЗ∙Кисп

Где:

  • р — плотность воздуха, кг/м3;
  • υв — скорость ветра, м/с;
  • D — диаметр ветроколеса, м;
  • Кисп — коэффициент использования энергии ветра.

Предельное значение Кисп для быстроходного идеального ветроколеса определено русским ученым Н.Е.Жуковским и равно 0,593.

Из формулы видно, что Рвк пропорциональна υв3, что и определяет необходимость регулирования скорости вращения ветроколеса для обеспечения постоянства развиваемой мощности.

Тихоходное ветроколесо конструктивно может быть выполнено в виде лопастных колес, с числом лопастей от 6 и более. Кроме того, имеются разработки тихоходных ветродвигателей карусельного, барабанного, парусного типов и др.

Значение Кисп для многолопастных ветроколес не превышает 0,38, для карусельного ветродвигателя — меньше 0,18.

Особенностью всех тихоходных ветродвигателей является то, что они при небольшой скорости вращения развивают большой вращательный момент.

Регулирование частоты вращения и ограничение мощности достигается путем поворота оси вращения ветроколеса от направления ветра, уменьшением площади рабочих поверхностей ветроколеса и др.

В зависимости от ориентации оси вращения рабочего органа (ветроколеса, ротора и др.) ветродвигатели делятся на горизонтально — и вертикально-осевые.

Горизонтально-осевые — это такие, у которых ось вращения ветроколеса расположена вдоль направления ветрового потока. Для нормальной работы такие ветродвигатели требуют установки плоскости вращения ветроколеса перпендикулярно вектору скорости ветра.

Вертикально-осевые имеют ось вращения рабочего органа, расположенную вертикально относительно горизонтальной плоскости. Для таких устройств не требуется установка на ветер.

Ветровые машины на службе человека

Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть.

Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции, преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину — генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами).

Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие — на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц.

Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.

При планировании ВЭУ особое внимание надо уделить на углы поворота лопасти, от которого зависит подача ветра в генератор. Угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии.

Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает.

Высота мачты имеет существенное значение для ветроэлектрических установок. Уже на высоте 9 м скорость ветра, как правило, на 15—25% больше, чем в 1,5 м от земли, а даже небольшой прирост средней силы ветра позволяет получить от станции намного больше электроэнергии.

По оценке ученых, существующие способы преобразования ветроэнергии в электрическую с помощью традиционных лопастных ветроэнергетических установок (ВЭУ) пока экономически неоправданны.

Во-первых, из-за высокой пусковой скорости ветра (4-5 м/сек), высокой номинальной скорости (8-15 м/сек) и небольшой годовой производительности в условиях слабых континентальных ветров — 3-5 м/сек; во-вторых, стоимость ВЭУ составляет $1000-$1500 на кВт установленной мощности.

Поэтому будущее ветроэлектрических станций зависит в первую очередь от затрат на их сооружение.

Как хранить энергию ветра

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра?

Существует несколько способов сохранения энергии:

  • Простейший способ – ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.
  • Другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива.
  • Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Решающим фактором, который определит, значителен ли будет вклад ветровой энергии в удовлетворение потребностей человечества в энергии, является возможность создания соответствующей технологии. Он связан в основном с национальной энергетической политикой, затратами и приемлемостью таких установок для населения.

Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в диапазоне от 100 Вт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе существующих энергетических систем. В дополнение к традиционным направлениям освоения ветровой энергии обсуждался ряд других возможностей ее использования, а именно:

  • производство удобрений с использованием ветровой энергии. В этом случае электроэнергии, выработанная ветроэнергетическим агрегатом, используется для получения электрических разрядов в воздушном потоке. Образующиеся при этом окислы азота поглощаются водой, превращаясь, в раствор азотной кислоты. Ведется исследование прототипов систем такого рода. Учитывая большую потребность мира в азотных удобрениях, создание первоначально небольших систем, основанных на этой принципе для производства удобрений в отдаленных районах, особенно на островах и в горах, могло бы обеспечить снижение расходов на их транспортировку;
  • использование с помощью существующей технологий электролиза электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетическими установками, для производства водорода и кислорода;
  • использование ветроэнергетических установок в районах с холодным климатом для производства сжатого воздуха, который затем подается по трубам на дно рек, где он выпускается через отверстия, чтобы воспрепятствовать замерзанию воды;
  • использование ветровой энергии для производства сжатого воздуха. Этот подход может найти применение для аэрации прудов при разведении рыб, а также водоемов, испытавших неблагоприятные экологические воздействия.
Читайте также:  Как работают отделители и короткозамыкатели

 

Источник: http://www.gigavat.com/netradicionnaya_energetika_vetroenergetika.php

Ветроэнергетические установки

Ветер как источник энергии характеризуется, прежде всего, скоростью. Скорость ветра в данном месте очень непостоянная величина. Для нее характерны быстрые изменения (порывы) и медленные (погодные, суточные, сезонные).

Поэтому данное место характеризуют среднегодовой скоростью ветра. Обычно в справочниках на основании данных метеостанций приводятся скорости ветра на высоте 10 м.

Для сооружения крупной (ВЭУ) предпочтительно знать скорость ветра на высоте 80 м.

Кинетическая энергия потока воздуха E (Дж), занимающего объем V (м3), имеющего плотность ρ (кг/м3) и движущегося со скоростью w (м/с), определяется по формуле

Мощность ветрового потока N (Вт), проходящего через площадь S (м2), определяется по формуле

Для S = 1 м2 получаем значение удельной мощности ветрового потока со скоростью w:

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже для указанного рабочего диапазона скоростей ветра приведены значения удельной мощности Nуд:

С помощью ВЭУ в механическую энергию может быть преобразована только часть энергии ветрового потока. Отношение кинетической энергии ветрового потока Eв, преобразованной с помощью ветровой турбины в механическую энергию, к кинетической энергии невозмущенного ветрового потока E называется коэффициентом мощности, или коэффициентом использования энергии ветра,

С учетом коэффициента мощности мощность ветротурбины

Для каждой ВЭУ можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра:

  1. wminр , при которой 0≤w≤wminр и мощность ВЭУ равна нулю;
  2. wNр, при которой wminр≤w≤wNр и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;
  3. wmaxр , при которой w>wmaxр и мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от wminр до wNр полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра w на высоте башни Hб(м) и диаметре ротора ВЭУ D(м) рассчитывается по формуле

(3.6)

где S = πD2/4; ηр — КПД ротора (около 0,9); ηг — КПД электрогенератора (около 0,95); ξ — коэффициент мощности, обычно принимаемый равным 0,45 в практических расчетах; ρ = 1,226 кг/м3

После подстановки всех указанных значений в (3.6) получаем для ориентировочных расчетов

Для малых ВЭУ wminр находится обычно в пределах 2,5–4 м/с, а wNр — от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4–5 и 12–15 м/с.

В большинстве конструкций ветроэнергетических установок для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию используется принцип подъемной силы крыла.

Принято считать, что крупные ВЭУ целесообразно устанавливать в месте, где среднегодовая скорость ветра не ниже 5 м/с. Для оценки количества электроэнергии, которое будет произведено данной ВЭУ за год, необходимо также знать усредненную по многолетним наблюдениям вероятность наличия ветра с той или иной скоростью.

На этом основании вычисляется коэффициент использования установленной мощности, т. е. число часов в году, в течение которых ВЭУ работает как бы с номинальной мощностью. Эта величина определяется как частное от деления выработанной за год электроэнергии на номинальную мощность ВЭУ.

Для благоприятных мест с более или менее постоянным ветром (ущелья, горные хребты, шельф) этот показатель может достигать 3000 ч/год (коэффициент использования установленной мощности около 0,3).

Существуют две основные разновидности ВЭУ: с горизонтальным и с вертикальным валом. Сегодня в подавляющем числе случаев применяются ветровые турбины с горизонтальным валом (ТГВ), устанавливаемом параллельно вектору скорости ветра. Приемником энергии ветра является ветроколесо, состоящее из того или иного числа лопастей (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Принципиальные схемы ветровых колес: 1 — однолопастное колесо;2 — двухлопастное колесо; 3 — трехлопастное колесо; 4 — многолопастноеколесо

ВЭУ большой мощности, как правило, 3-х или 2-х лопастные.

Малые ВЭУ иногда выполняются как многолопастные.

Лопасти имеют аэродинамический профиль и при взаимодействии с ветром создают подъемную силу, лежащую в плоскости колеса, направленную тангенциально и создающую полезный крутящий момент.

В подавляющем большинстве случаев мощность от ветроколеса передается электрогенератору. Для различных ВЭУ применяются разные типы электрогенераторов: от генераторов постоянного тока с постоянными магнитами (для малых ВЭУ), до синхронных или асинхронных генераторов переменного тока.

В зависимости от используемого электрогенератора вал ветроколеса соединен с ним либо непосредственно, либо через мультипликатор.

Если синхронный генератор ВЭУ присоединен к сети переменного тока, его ротор вращается с синхронной скоростью и необходимое передаточное число обеспечивается мультипликатором. В этом варианте резкие колебания скорости ветра передаются на трансмиссию, вызывая механические напряжения.

Эти напряжения несколько демпфируются при использовании асинхронного генератора, допускающего некоторое отклонение от синхронной скорости (скольжение).

Поскольку каждой скорости ветра соответствует оптимальная скорость вращения ветроколеса, то в ряде схем генератор также вращается с переменной скоростью. В этих случаях получение тока нужного качества и синхронизация с сетью обеспечиваются электроникой. При этом может быть применен генератор постоянного тока, либо переменного тока с плавающей частотой.

Одна из серьезных проблем для крупных ВЭУ — защита от скоростей ветра, превышающих расчетную. С этой целью используются аэродинамические ограничители и механические тормоза.

Простейший аэродинамический тормоз основан на том, что при увеличении скорости вращения лопасти угол атаки лопасти растет и, когда он превысит 11–12 град, происходит срыв потока и скачкообразное уменьшение подъемной силы.

Более тонкое аэродинамическое регулирование достигается изменением угла атаки путем поворота лопасти вокруг ее оси.

Наряду с ТГВ разрабатываются и иногда применяются ВЭУ с турбинами с вертикальным валом (ТВВ). Такие ВЭУ имеют некоторое количество вертикальных лопастей, размещенных по периметру круга того или иного диаметра и механически соединенных с вертикальным валом, вращающимся в центре этого круга.

Вертикальный вал либо непосредственно, либо через мультипликатор, соединен с электрогенератором, установленным на уровне земли. Достоинством ТВВ является отсутствие поворотного устройства, следящего за направлением ветра, и отсутствие высокой башни.

Недостатками — более низкий КПД и необходимость первоначальной раскрутки ротора от внешнего источника.

Хотя существуют проекты и были созданы достаточно крупные ТВВ, сегодня областью их преимущественного применения являются автономные установки сравнительно небольшой мощности. На рис. 3.5 изображена ВЭУ, выпускаемая итальянской компанией ROPATEC AG. Компания производит ВЭУ мощностью от 750 Вт до 6 кВт.

Ее отличительная особенность в том, что она автоматически запускается независимо от направления ветра при скорости 2–3 м/с. Для этого ротор представляет собой сочетание роторов Савониуса (аналогичный ротору чашечного анемометра) и Дарье. В отличие от ТГВ данная установка не имеет ограничений по скорости ветра сверху.

При скорости более 14 м/с ВЭУ не отключается и аэродинамически поддерживается нужное число оборотов.

Рис. 3.5. ВЭУ ТВВ фирмы РОПАТЭК

ВЭУ 750 Вт имеет диаметр ротора 1,5 м и весит 140 кг. Разработка ROPATEC отличается тем, что она практически бесшумна, имеет специальный генератор, непосредственно без мультипликатора связанный с ротором.

ВЭУ можно применять не только для выработки электроэнергии, но и для непосредственного привода различных агрегатов. Есть целый ряд производств, где имеет значение лишь недельный или месячный объем выпускаемой продукции, а ритмичность ее производства в течение этих периодов времени не так важна.

В первую очередь это те производства, где срок годности продукции мало зависит от длительности ее хранения.

К ним можно отнести выпуск сырья и полуфабрикатов для изготовления строительных материалов: дробление щебня, известняка, глины для производства кирпича, дробление или помол гипса и алебастра, помол мергеля и клинкера в производстве цемента.

Дробление и особенно помол любого продукта исключительно энергоемки. Поэтому представляет практический интерес изучение возможности использования ветродвигателей для привода помольного оборудования, что является развитием известного подхода, который ранее применялся во многих странах, в том числе в России.

До широкого применения электроэнергии в сельскохозяйственном производстве небольшие ветряные мельницы мощностью от 2 до 10 кВт были весьма распространены. Например, до 1917 г. в России было около 250 тыс. крестьянских ветряных мельниц, перемалывавших ежегодно более 32 млн т зерна.

Указанные объемы помола зерна вполне сопоставимы с объемами производства современной мукомольной промышленности России.

Использование энергии ветра для предлагаемых целей представляет практический интерес в случае, когда мощность ветроустановки составляет не менее 100–200 кВт, а годовое число часов со скоростью ветра 6–8 м/с в данной местности — не менее 2000–3000.

Для ветроустановок подобного типа в настоящее время появилась возможность использования списанных несущих винтов средних и тяжелых вертолетов.

По действующим в авиации правилам после наработки определенного количества часов в воздухе вертолетный винт, несмотря на его вполне годное состояние, с летательного аппарата снимается.

Несущий винт вертолета МИ-8 имеет диаметр 22 м и при скорости ветра 8 м/с на ветроустановке может развить мощность 150 кВт, а винт вертолета МИ-6 диаметром 35 м применим для ветроустановки мощностью 300 кВт.

В России существует значительный нереализованный задел в области ветроэнергетики. Фундаментальные исследования аэродинамики ветряка, осуществленные в ЦАГИ, заложили основу современных ветротурбин с высоким коэффициентом использования энергии ветра.

Однако жесткая ориентация на большую энергетику (угольная, ядерная и гидроэнергетика) и почти полное игнорирование новаций и экологических проблем надолго затормозило развитие ветроэнергетики. Выпускаемые «Ветроэном» ВЭУ не отвечали современным требованиям и представлениям высоких технологий ветроэнергетической индустрии.

Толчком для дальнейшего продвижения и создания современного ветроэнергетического оборудования стала федеральная научно-техническая программа «Экологически чистая энергетика».

Опытный образецветроагрегата мегаваттного класса был спроектирован и построен МКБ «Радуга», который организовал кооперацию предприятий авиационной промышленности.

Разработка, изготовление и строительство финансировалось правительством Калмыкии. Ветроагрегат был построен недалеко от Элисты и вырабатывал 2300–2900 тыс. кВт ч электроэенергии в год. Ветроагрегат подключен к сети.

В МКБ «Радуга» были спроектированы ветроагрегаты мощностью 8 кВт и 250 кВт.

Российской Ассоциацией развития ветроэнергетики «Energobalance Sovena» совместно с немецкой фирмой «Husumer Schiffs Wert» (HSW) были изготовлены 10 ветроагрегатов сетевого исполнения единичной мощностью 30 кВт. Ветропарк с установленной мощностью 300 кВт был построен в 1996 г. в Ростовской области и запущен в эксплуатацию.

Суммарная мощность ВЭС России составляет всего 16,5 МВт.

Успешно эксплуатируются станция «Куликово» (5,1 МВт) в Калининградской области, ветроэлектрический парк «Заполярный» (2,5 МВТ), станция «Тюпкильди» в Башкирии (2,2 МВт), Ростовская ВЭС (0,3 МВт), Анадырская ВЭС (2,5 МВт) на Чукотке, ВЭС на о. Беринга (1,2 МВт) и Мурманская ВЭС (0,2 МВт). Большинство этих станций носит экспериментальный характер.

В России к перспективным районам — зонам ветровой активности относятся острова Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, районы Нижней и Средней Волги и Каспийского моря, побережье Охотского, Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского морей. Такие зоны также есть в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале. Эти районы не входят в число районов, относящихся к центральному энергоснабжению, в связи с чем целесообразно в этих зонах для обеспечения их электроэнергией использовать ветровые электростанции.

Таблица 3.

2 Основные технические данные ВЭУ России

Сегодня возможны следующие сценарии развития ветроэнергетики в России: закупка и монтаж зарубежных ветроагрегатов; трансферт западных технологий и организация производства в России; кооперация с зарубежными фирмами и производство ветроагрегатов в России; организация производства собственных ветроагрегатов, ноу-хау которых защищено международным законодательством.

Для России предпочтительней последний сценарий, однако он сдерживается существующим налоговым законодательством, монополией производителей электроэнергии, отсутствием инвестиций и развалом производства.

Рис. 3.6. ВЭС «Куликово»

Оценивая перспективы ветроэнергетики для России, можно заключить, что в ближайшее время будут внедряться в основном автономные ВЭУ средней и малой мощности, преимущественно в отдаленных регионах, для потребителей, не присоединенных к централизованным системам энергоснабжения.

Источник: https://energy.zp.ua/vetroenergeticheskie-ustanovki/

Окупаемость Ветроэнергетических установок в условиях средней полосы России | ООО «Термодинамика»

Окупаемость Ветроэнергетических установок в условиях средней полосы Россиив области ветроэнергетики в России на сегодняшний день — как окупить затраты на приобретение и эксплуатацию Ветрогенератора в условиях слабых ветров средней полосы России.

С учетом нашего опыта эксплуатации Ветроустановок, есть несколько советов, которые помогут при выборе Альтернативного источника энергии уже сегодня получить действительное подспорье в хозяйстве, а не дорогую и бесполезную игрушку …

Читайте также:  Что такое гальваническая развязка

По опыту работы с ветрами средней полосы России, с Ветрогенератора получается получить, в лучшем случае, до 10% мощности от номинала ВУ летом и 25 — 30 % на зимних ветрах.

Например: Потребитель, установив Ветряк, в центральной части РФ, номинальной мощностью 5 кВт, будет получать реальную мощность 0,5 кВт летом и 1,5 кВт в зимний период.

Очевидным решением проблемы производительности ветряков, при работе на «слабых» ветрах, является добавление солнечных батарей.

Гибридные системы (Ветрогенератор + Солнечная батарея = Ветросолнечная электростанция) помогают увеличить мощность Альтернативной электростанции, особенно в летних условиях.

Однако темой статьи является повышение окупаемости самой Ветроэнергетической установки, а добавление дополнительных элементов в систему, этому не способствует.

Но вернемся к проблеме окупаемости Ветряных электростанций, для этого есть два направления:

1. Снижение капитальных и эксплуатационных затрат на ВЭС.

2. Повышение производительности ветроэлектростанции.

Однако, рассматривая проблему окупаемости Альтернативной энергетики, нам лучше объединить в обсуждении эти направления в одну общую тему, т.к. они взаимно пересекаются с друг другом, дополняя и усиливая себя.

Первое, на что бы мы обратили внимание — установку не одного мощного Ветрогенератора, а нескольких небольших ветряков. Это диктуется следующими характеристиками Ветроустановок:

— мощные Ветрогенераторы оснащаются мультипликаторами (коробками скоростей), электроприводами разворота «на ветер», дисковыми тормозными системами, жидкостными системами охлаждения и системами электронного контроля под управлением компьютера

/ малые ветряки имеют три — максимум четыре подшипника и механическую систему «буревого» торможения (обычно за счет складывания «хвоста»);

— мощные Ветроустановки имеют большие и тяжелые лопасти с большим диаметром, раскрутить которые под силу хорошему ветру

/ малые модели имеют легкие лопасти, иногда больше трех, и начинают вращаться от ветра 1,5 м/с, одним словом — небольшие Ветряки производительнее больших Ветрогенераторов;

— мощные Ветрогенераторы требуют значительного объема строительных работ, что объясняется большим фундаментом, применением специальной техники и коллективом профессионалов / малые Ветроустановки устанавливаться силами нескольких работников или за счет лебедки. Иногда с использованием автомобиля или трактора, а более тяжелые модели за счет гидравлического цилиндра.

— мощные Ветроустановки просто дороги. При этом они не только в разы могут превышать стоимость нескольких малых систем (равной суммарной мощности — Ветропарк), мощные ВУ дороги в транспортировке, монтаже и наладке, а при эксплуатации — в обслуживании и ремонте / малые Ветрогенераторы за счет своей простоты, дешевы и не требуют, практически, ни какого обслуживания.

— дорогие и мощные модели, даже именитых производителей, легко ломаются и в случае выхода из строя одного, но мощного Ветрогенератора, можно потерять все / ремонт небольших моделей подпадает под правило: «Чем меньше деталь — тем она дешевле как запчасть», и конечно, выход из строя одной единицы, из двух/пяти/десяти ВУ единой Ветроэнергосистемы или Ветропарка, не остановит энергоснабжение объекта.

Второе относиться к потребителям, имеющим хоть какое то подключение к сетям, но не удовлетворенных ее качеством или выделенной мощностью — это Сетевые Альтернативные энергетические системы.

Сетевой комплект = Ветрогенератор (ВУ + СБ или СБ) + сетевой контроллер + сетевой инвертор, предназначен для работы в уже существующую сеть (220 или 380 В) объекта снабжения.

Сетевое оборудование, получая непригодную для прямого использования энергию от Альтернативных источников, настраивается на частоту сети и начинает ее снабжение, перерабатывая энергию ветра (и/или солнца) в привычные нам 220 или 380 вольт переменного тока, «бесплатно» и качественно снабжая потребителя.

Для работы этого комплекта не требуется аккумуляторная батарея и средства ее контроля и подзарядки. Это значительно сокращает стоимость Альтернативной энергетической системы и ее эксплуатации, что значительно сокращает сроки окупаемости системы.

При этом, предлагаемые ООО «ТЕРМОДИНАМИКА» сетевые комплекты, имеют дополнительные возможности для организации выделенных линий и подключения любого количества АКБ, на случай необходимости обеспечить бесперебойное питание на объекте… Хотя такое усложнение системы отодвигает сроки окупаемости на годы.

И третье. Как ни странно, в данном случае, мы предлагаем использовать более дорогое Ветроэнергетическое оборудование, но изначально подготовленное для работы на слабых ветрах.

То есть — мы предлагаем, вместо «недорогих» горизонтальных Ветроустановок, дорогие вертикальные Ветрогенераторы VAWT с поворотным крылом, но с меньшим номиналом производительности для каждого конкретного случая.

С учетом того, что данные модели в условиях слабых ветров центральной части РФ, вырабатывают 40% от номинальной мощности летом и 70% зимой, там, где требуется установка 50 кВт горизонтального Ветрогенератора потребуется всего один VAWT с регулируемыми лопастями мощностью 15 кВт.

И, несмотря на то, что новый тип Вертикальной Ветроустановки VAWT в два раза дороже обычного горизонтального Ветрогенератора, при сравнении моделей номинальной мощности, он (VAWT) на треть дешевле обычных ветряков при расчете оборудования на реально полученные киловатты.

Единственный недостаток такой, во всех отношениях «прекрасной» модели Вертикальной Ветроустановки — необходимость периодического обслуживания (смазки) поворотного механизма лопастей.

Давайте подведем итог нашему разговору: возможно ли на сегодня получить окупаемую Ветряную электростанцию работающую в условиях «слабых» ветров.

Подсчитаем:
Например, если среднегодовая скорость ветра составляет 4 м/с, современный горизонтальный полупромышленный ветряк мощностью 10 кВт будет выдавать около 800 — 900 кВтч в месяц. За год работы оборудования выход составит 10200 кВтч.

Для выработки такого же количества энергии нам понадобиться семь бытовых киловаттных ветряков (125 кВтч х 7 в месяц) или одна трех киловаттная Ветроустановка VAWT нового типа.

Теперь рассмотрим среднюю стоимость 10200 кВтч за год (при 4 м/с) в виде различных типов комплектаций оборудования «под ключ»:

• Сетевая ВЭС на базе горизонтального ВУ 10 кВт: 900 000,00 руб.

• Сетевой Ветропарк на базе горизонтальных ВУ 1 кВт в количестве 7* шт: 90 000,00** руб. х 7

• Сетевая ВЭС на базе вертикального ВУ 3 кВт с поворотными лопастями: 580 000,00 руб.

При этом стоимость 1 кВтч, (для МО) на сегодня равна, в среднем, 3,00 руб. за кВтч. Считайте…

Вывод очевиден: на сегодняшний день, при ресурсе Ветроустановки в 20 лет, второй и третий варианты — окупаемы, а при некоторых условиях — рентабельны:

— мы рассматриваем наихудший вариант для эксплуатации ветрогенератора — среднюю скорость ветра 4 м/с.

Уже при скорости в 5 м/с, все варианты комплектации ВЭС становиться не только окупаемы, но и начинают приносить прибыль. То же произойдет при повышении цен на электроэнергию — при стоимости 1 кВтч = 4,00 руб.

затраты окупаются по всем вариантам, а при стоимости 5,00 руб. за кВтч становятся рентабельным даже первый вариант;

— электроэнергия будет только дорожать, а производство бытовых и полупромышленных Ветрогенераторов в мире растет, с появлением новых, более производительных и легких моделей ветряков, а следовательно и более дешевых.

Примечания:

* — то или иное количество ВУ подбирается с учетом ТУ заказчика, путем просчета всех возможных вариантов;

** — без учета монтажных работ, для ВУ мощностью до 1 кВт (включительно) работы по монтажу могут быть выполнены заказчиком самостоятельно, в виду их не сложности.

Приобретая ветрогенератор с вертикальной осью вращения, следует обратить внимание на следующие характеристики:

  • — начальная, номинальная и максимальная скорость ветра;
  • — номинальная и максимальная мощность;
  • — габариты деталей (лопастей, мачты, ротора);
  • — общий вес.

Самый большой ветрогенератор в мире – горизонтальный Энеркон Е-126. Он был впервые установлен в Германии в 2007 году. Его общая высота составляет 198 м, диаметр ротора – 127 м, вес – 6000 т, а мощность – 7,58 МВт! Сейчас в Европе используют несколько десятков таких моделей.

Вертикальные ветряки непромышленного назначения при высоте мачты 5 м имеют диаметр ротора 3 м, вес 120 кг и при средней скорости ветра 5-8 км/ч вырабатывают энергию от 4 тыс. до 10 тыс. кВт ч. в год.

Установить ветрогенератор вертикального типа допустимо, в том числе, и в городских условиях с плотной застройкой. Компактные модели можно устанавливать на крышах зданий на высоту до 6 м. На высотных небоскрёбах высота мачты может достигать 15 м. Ветряное колесо нуждается в надёжном закреплении.

При установке следует учитывать его диаметр и вес, которые задаются необходимой мощностью. Основание конструкции должно быть крепким и массивным, т.к. оно испытывает существенные нагрузки. Установка ветрогенератора с вертикальным вращением, в отличие от горизонтального, возможна в любой местности.

Как самому сделать ветрогенератор

С целью самостоятельного изготовления ветряка в домашних условиях необходимо, в первую очередь, собрать саму турбину. В зависимости от выбранной конструкции лопастей понадобится фанера (для рёбер и стрингеров) и алюминиевые листы для обшивки (можно заменить на ПВХ) или ABS пластик для изготовления лопастей на верхней и нижней опорах. В качестве оси подойдёт оцинкованная труба.

Установка генератора – важнейший этап. Существуют самостоятельные, но весьма трудоёмкие способы сборки генератора. При этом используются неодимовые магниты для ротора и катушки индуктивности – для статора. Кронштейн статора выполняется из прочного материала, например, из стальных пластин. Его можно вырезать с помощью гидроабразивной или лазерной резки.

Кроме этого, в различных источниках встречаются советы использовать для самодельных ветряков генераторы — двигатели от авто или стиральных машин. А интернет-ресурсы содержат множество детальных схем сборки подобных систем в домашних условиях.

Ветрогенератор – это сложный механизм, и прежде чем приступать к реализации планов по его сборке, необходимо тщательно взвесить все «за» и «против».

Ведь для создания надёжного в длительной эксплуатации ветряка понадобится произвести точные расчёты.

Также необходимо наличие такого оборудования, как сварочный аппарат, станок для резки металла и прочего расходного материала и инструментов (карбонатное волокно, стекловолокно, эпоксидная смола, уголки, подшипники и многое другое).

Обязательно нужно учитывать сложности при сбалансировании самодельной конструкции – это довольно сложный процесс. Поэтому самодельные ветряки не рекомендуется устанавливать на высоту более полутора метров.

В качестве альтернативы можно рассмотреть вариант сборки ветрогенератора из готовых комплектующих, специально предназначенных для подобной работы.

Принимаясь за самостоятельную сборку, помните, что это потребует определённых навыков, будет довольно затратным и займёт много времени. И в любом случае придётся приобретать инвертор.

Желательно с функцией контроллера заряда и стабилизацией напряжения.

Вертикальные ветрогенераторы. Цена

Цены колеблются в зависимости от характеристик. Средняя стоимость непромышленных моделей составляет примерно 2000 у.е:

  • — мощность 50 Вт, диаметр ветряного колеса (ротора) 1 м, высота 0,6 м, цена зависит от производителя — в районе 1 тыс. у.е;
  • — мощность 10 кВт, диаметр ротора 8 м, высота — 6 м, цена около 3,5 тыс. у.е.

ООО «Термодинамика»

Осадчук О.Ю.

2011 г.

Источник: http://www.TermoCool.ru/products/okupaemost-vetroenergeticheskih-ustanovok

Опыт монтажа и эксплуатации ветроэнергетических установок

Щаулов В.Ю., Афанасьев И. П., Озеров А. В., инженеры ОАО «Башкирэнерго»

Республика Башкортостан не относится к числу районов с высоким потенциалом энергии ветра. Среднегодовая скорость ветра по данным метеостанций невелика и составляет для высот до 10 м от 1,6 до 4,4 м/с. В 1998 г. по заказу Башкирэнерго была выполнена комплексная работа по оценке ветропотенциала в Башкортостане.

По результатам этой работы были определены ветровые зоны, в первую очередь, в Зауралье и на Бугульминско-Белебеевской возвышенности, где среднегодовая скорость на высотах 20 — 50 м составляет 5,3 — 6,3 м/с и возможно строительство ветроэнергетических установок (ВЭУ).

Для Башкортостана большой интерес представляет опыт Германии, имеющей (особенно в континентальных районах) ветропотенциал, сопоставимый с потенциалом республики. С 1999 г. в Германии наблюдается интенсивный рост ветроэнергетики благодаря государственной поддержке.

Поэтому для накопления опыта строительства и эксплуатации современной ветроэлектростанции (ВЭС) руководство Башкирэнерго приняло решение о строительстве первой опытно-промышленной ВЭС в республике.

Местом для монтажа ВЭС было выбрано возвышение с абсолютными отметками поверхности земли 271-288 м на Белебеевской возвышенности около д. Тюпкильды Туймазинского района с расчетной среднегодовой скоростью ветра 6,1 м/с на высоте 40 м.

В 2000 г. Башкирэнерго приобрело четыре установки ЕТ 550 немецкой фирмы Hanseatishe AG (HAG) мощностью по 550 кВт каждая. Фирма HAG изготовила около 50 таких установок, но на момент покупки являлась банкротом и продавала новые, но пролежавшие на складе в течение 4-5 лет установки на 50% дешевле общемировых цен.

Основные характеристики ВЭС Тюпкильды (рис. 1) приведены далее.

Ветроэнергетическая установка HAG состоит из: фундамента; башни высотой 40 м (две секции по 20 м); гондолы (машинное отделение); втулки с тремя лопастями; двух шкафов управления ВЭУ; трансформатора 0,69/10 кВ. Конструкция гондолы показана на рис. 2.

Генератор ВЭУ асинхронный, четырех-шестиполюсный, переключаемый. При мощностях до 100 кВт (скорости ветра до 7 — 8 м/с) генератор работает как шестиполюсный, а при возрастании мощности автоматически переключается в четырехполюсный режим. Кроме того, при пусках генератор включается в двигательном режиме, тем самым достигаются синхронные обороты, а соответственно и синхронная частота с сетью.

Лопасти выполнены из стекловолокна с поворотными концами, которые служат аэродинамическими тормозами при остановке ВЭУ.

Система управления, состоящая из системы программного управления SPS (контроллера) гондолы, системы программного управления SPS (контроллера) башни и промышленного компьютера, которые объединены в единую сеть со скоростью передачи информации 1,2 Мбит/с, позволяет полностью исключить присутствие персонала на станции. С помощью программы удаленного доступа можно осуществлять просмотр работы ВЭУ, вносить корректировки и др.

Читайте также:  Трансформаторы с сухой изоляцией

SPS гондолы управляет: тормозным устройством ротора и системой разворота по ветру, масляным насосом и системами охлаждения масла и генератора, системой подогрева масла.

Она также фиксирует все данные, получаемые в зоне гондолы, и передает их в систему программного контроля SPS башни.

SPS гондолы осуществляет сбор данных о скорости и направлении ветра, температурах рабочих узлов и передает их в компьютер.

Система программного контроля SPS башни, получая данные от всех узлов ВЭУ, от SPS гондолы и от рабочей ЭВМ, непосредственно запускает и отслеживает выполнение всех рабочих и переходных процессов ВЭУ и отдает SPS гондолы соответствующие приказы. Она контролирует мощностные характеристики и состояние всех систем, находящихся в башне ВЭУ.

В течение 2000-2001 гг. было выполнено проектирование, строительство, пусконаладка станции.

Первоначально планировалось поставить все ВЭУ на свайный фундамент с монолитным железобетонным ростверком, но уже при забивке железобетонных усиленных свай длиной 12 м в пробуренные лидерные скважины для фундамента под ВЭУ № 1 возникли сложности. Сваи не удавалось забить на проектную глубину.

Пришлось увеличить их число до 30 и в итоге для ВЭУ № 2 — 4 перейти на фундамент неглубокого заложения с монолитным ростверком по монолитной фундаментной железобетонной плите размерами 7,5 х 7,5 м и толщиной 2 м.

Это привело к задержке строительства фундаментов и для ускорения набора прочности последних было применено пропаривание с помощью передвижных паровых установок (ППУ) на базе автомобилей.

Рис. 2.   Конструкция гондолы ВЭУ:

1 — редуктор; 2 — дисковый тормоз; 3 — система смазки редук­тора; 4 — генератор; 5 — система охлаждения генератора и мас­ла редуктора; б — гидравлическая система тормозов и закры­лок; 7- шкаф управления гондолой; 8- система измерения на­правления и скорости ветра; 9 — система разворота по азимуту (на рисунке не видна).

При монтаже установки ЕТ 550 потребовался кран, способный поднять гондолу массой 40 т на высоту 40 м. Подходящий кран на тот момент удалось найти в Республике Татарстан — это 300-тонный кран с разборной фермовой стрелой.

Его доставка на место монтажа, сборки и разборки при переходе от одной ВЭУ к другой, организация монтажной площадки из железобетонных плит под кран и простои, связанные с невозможностью работы крана при большой силе ветра, создавали определенные трудности и удлиняли время монтажа.

Следующая трудность возникла при монтаже третьей лопасти к втулке гондолы. Гондолы с прикрепленной втулкой и двумя лопастями были смонтированы и находились на высоте 40 м. Возникла необходимость в двух кранах со стрелой более 45 м. Один — для подъема лопасти, другой -для подъема люльки с людьми для монтажа.

При первых попытках монтажа лопасть сильно раскачивало и даже при скорости ветра у земли 1-2 м/с ее монтаж был невозможен. Пришлось делать приспособление, которое крепилось к лопасти и с помощью растяжек позволяло удерживать ее от раскачивания.

Все работы по монтажу приходилось выполнять самостоятельно, так как в момент монтажа у фирмы HAG уже не было специалистов по монтажу механической части.

Монтаж, наладка электротехнического оборудования, подготовка к пуску первой ВЭУ и частичное обучение проводились зимой 2000/01 г.

под руководством шеф-инженера фирмы HAG, но, когда подошло время пробных пусков, фирма-изготовитель перестала существовать, а инженер HAG отказался брать на себя ответственность по пускам. И в результате, пусконаладочные работы проводились самостоятельно. В мае 2001 г.

были запущены все ВЭУ, и до конца года велась проверка режимов работы, их доводка с одновременным самообучением персонала. В начале 2002 г. ВЭС была принята в опытно-промышленную эксплуатацию.

Рис. 3.  Диаграмма мощности ВЭУ ЕТ 550/41

За время эксплуатации в 2002 — 2003 гг. ВЭС выработала 2,5 млн. кВт-ч, при этом коэффициент использования установленной мощности составил 6,4%.

Столь малая выработка связана с многочисленными поломками отдельных узлов, заводскими дефектами и конструктивными недостатками ВЭУ (из четырех ВЭУ одна всегда, а временами и две, находятся в ремонте), а не с ошибкой при выборе площадки. Средняя скорость ветра на высоте оси ветроколеса составила 6,1 м/с, что соответствует расчетной.

Например для ВЭУ № 4, которая меньше всего простаивала из-за дефектов, выработка составила чуть более 1 млн. кВт-ч и коэффициент использования установленной мощности составил 10%, что почти в 2 раза выше, чем у ВЭУ №1,3.

При эксплуатации выявились недостатки, отсутствие которых, даже несмотря на поломки, позволило бы увеличить ежегодную выработку ВЭС на 30-40%.

Первый недостаток — неправильная установка под руководством шеф-инженера угла атаки лопастей, приводящая к несоблюдению рабочей характеристики ВЭУ (рис. 3).

При скорости ветра более 15 м/с ВЭУ вместо того, чтобы держать мощность в диапазоне 550 — 600 кВт, набирает мощность более 600 кВт и в результате останавливается защитой генератора по максимальной мощности.

Данный недостаток устраним, если установить лопасти на больший угол атаки или изменить конструкцию ВЭУ и применить систему автоматического изменения угла атаки лопастей.

Второй недостаток — это недостаток программы управления. ВЭУ в автоматическом режиме из состояния покоя запускается только в шестиполюсный режим работы генератора. В случае, когда ВЭУ по какой-либо причине остановилась и скорость ветра более 10 м/с, она не может запуститься.

При скорости ветра более 10 м/с при пуске мгновенная мощность ВЭУ составляет более 180 кВт, что приводит к срабатыванию защиты от перегрузки генератора в шестиполюсном режиме. Поэтому существует верхняя уставка для пуска по скорости ветра, равная 10 м/с.

А пуск ВЭУ в режиме четырехполюсного генератора, минуя шестиполюсный, в программе не реализован.

Октябрьскими электрическими сетями Башкир-энерго совместно со службой перспективного развития Башкирэнерго опробована доработанная программа контроллера, которая в целом позволяет запускать ВЭУ при скорости ветра более 8 м/с в четырехполюсный режим работы. Но и в этом случае при скорости ветра более 15 м/с ток генератора на оборотах синхронизации во время запуска слишком большой, и в результате генератор отключается от сети.

При отсутствии первого недостатка второй можно было бы не устранять, так как при большой скорости ветра ВЭУ не останавливалась бы из-за перегрузки генератора и не возникала бы необходимость пускать установки при снижении скорости ветра до 10 — 12 м/с.

Применение системы автоматического регулирования угла атаки лопастей позволило бы организовать с помощью АСУ ТП ВЭУ переход при низкой скорости ветра установки в режим авторотации.

В результате значительно сократилось бы время на остановы, пуски и выполнение пусковых условий, т.е. практически исключаются понятия «пуск» и «останов» ВЭУ.

Такая система, например, организована на ВЭУ датской фирмы Vestas V29.

Есть также ряд других недостатков в программе контроллера. Например, функция «прогон масла редуктора по замкнутому контуру» реализована как функция времени, а не как функция температуры масла редуктора. Поэтому приходится изменять эту функцию в зимнее время.

Также отсутствует возможность перевода ВЭУ из «ручного» сразу в «автоматический» режим работы без перехода в режим полной остановки.

Не активизированы команды о переводе из шестиполюсного режима в четырехполюсный режим работы и наоборот вручную; эти команды прописаны в программе и выполняются только автоматически.

Третий недостаток — невозможность работы ВЭУ при температурах ниже минус 20°С, что связано в основном с выполнением втулки ветроколеса из материала, не рассчитанного на работу при низких температурах. Остальные недостатки, связанные с низкими температурами, устранимы с помощью ряда доработок.

Во время эксплуатации часто происходят износ тормозных колодок и даже вырывание их из посадочных мест и повреждение самих тормозов; требуется замена гидравлических шлангов внутри лопастей (для чего привлекались сотрудники МЧС), возникают также поломки заводских и изготовленных новых тормозных муфт для системы разворота гондолы по азимуту, валов для редукторов в той же системе. Существуют проблемы с системой гидравлики, которая плохо работает при темпера­турах ниже минус 5°С. Кроме того, отсутствует возможность открывать базу данных по ретроспективе, что не позволяет детально анализировать работу ВЭУ и заранее предотвращать поломки и неисправности. База данных ведется в формате Oracle 7.0, а структура базы неизвестна.

Рассмотрим более детально некоторые из перечисленных недостатков.

Тормозные колодки, изготовленные в Германии, свой ресурс в 2 года исчерпали. Мы были вынуждены ставить тормозные колодки, изготовленные на отечественном предприятии, с применением фрикционного материала «ферродо», имеющего другие характеристики.

Материал «ферродо» тормозных колодок плохо выдерживает нагрузки на высоких оборотах, что приводит к быстрому истиранию слоев (примерно через 1 мес); большой запыленности тормозов ротора (более частого техобслуживания); излому по местам крепления «ферродо» с помощью заклепок к основе тормозной колодки.

Кроме того возникает еще одна проблема: заклепки изготовлены из алюминия, который при нагреве становится вязким и налипает на тормозной диск, т.е. диск становится шероховатым, что опять приводит к быстрому износу колодок.

При колебаниях гондолы относительно башни возникают поперечные нагрузки на поршень гидроцилиндра тормоза системы разворота гондолы по азимуту, вызывающие заглубление рабочей поверхности боковых стенок поршня и гидроцилиндра.

Это приводит к последующему заклиниванию поршня внутри гидроцилиндра и к необходимости ремонта тормозов. Поэтому необходимы меры по снижению вибрации и ее последствий для уменьшения расходов на ремонт оборудования.

Первоначально мы считали, что высокая вибрация происходит при остановах ВЭУ и это связано со свайным выполнением фундамента.

Но уже в процессе длительной эксплуатации выяснилось, что причина повышенной вибрации в неправильном угле атаки у одной лопасти (отличном от угла на двух других лопастях) из-за неправильной установки (наклейки) на данной лопасти лимба на заводе-изготовителе и вследствие этого — неправильного монтажа.

Гидроцилиндры гидравлической системы при отрицательной температуре постепенно начинают течь, что можно объяснить двумя причинами. Первая — непредусмотренный производителями диапазон температур атмосферного воздуха в России.

А так как материалы, из которых изготовлены гидроцилиндр и поршень, имеют различные коэффициенты расширения, то образуется зазор, с которым не может справиться прокладка, и в результате появляется течь. Но этот случай наблюдается крайне редко при температуре ниже минус 30°С.

Второй из возможных причин течи гидравлической жидкости (масла) является ее гигроскопичность. Применяется масло отечественного производства, и проверка на наличие воды показала ее присутствие.

В этом случае происходит кристаллизация льда на стенках гидроцилиндра, что при перемещении поршня приводит к деформации прокладок с последующей утечкой масла.

При монтаже ВЭУ были поставлены управляющие ВЭУ компьютеры с оперативной системой, не работающей после 2000 г. Два компьютера заменила фирма — производитель ВЭУ и два других компьютера были заменены поставщиками ВЭУ

Также при эксплуатации потребовалась гарантийная замена электромагнитных клапанов в гидравлических системах, устройства регулировки пусковых токов и др.

Все перечисленные проблемы осложняют работу ВЭУ и снижают показатели выработки электроэнергии. По нашему мнению, если бы были правильно установлены углы атаки лопастей и не возникали бы дефекты из-за хранения установок в течение 5 лет на складе изготовителем, то выработка ВЭС была бы в 2 — 2,5 раза больше существующей.

Несмотря на многочисленные трудности, возникшие при эксплуатации первой ВЭС в республике, Башкирэнерго продолжает прорабатывать вопросы, связанные со строительством ВЭС.

В течение 2 лет на юго-востоке республики, в Зауралье ведется изучение ветрового потенциала и выбор мест возможной установки новых ВЭУ, для чего применяется автоматизированный измерительный комплекс, позволяющий определить скорости ветра на высотах 20, 30 и 40 м.

На основании полученного опыта эксплуатации Башкирэнерго составило требования (критерии), которым должны соответствовать ВЭУ для районов Урала. Основными из них являются:

1. Номинальная мощность 200 — 300 кВт, высота башни не более 40 м и масса гондолы не более 30 т — это в большей степени связано с трудностями в поиске крана необходимой грузоподъемности и транспортировки ВЭУ.

2. Номинальная скорость ветра ВЭУ — 11-13 м/с, скорость ветра включения ВЭУ — 2,5-3,5 м/с, генератор четырех-шестиполюсный или многополюсный совместно с инвертором, регулирование скорости вращения (мощности) — изменением угла атаки лопастей (pitch control). Это позволяет обеспечить максимальную выработку как при малых, так и при больших скоростях ветра.

3. Минимальная рабочая температура до минус 30°С (большинство иностранных ВЭУ могут работать до минус 15°С).

Выводы

1. В отдельных районах Республики Башкортостан, где среднегодовая скорость ветра около 6 м/с, возможно строительство ВЭС.

2. ОАО Башкирэнерго получило неоценимый опыт монтажа, пусконаладки и эксплуатации ВЭУ.

3. На основе опыта монтажа и эксплуатации разработаны требования к ВЭУ при их выборе.

Источник: http://www.windturbines.ru/article/77-opit-montaga-windturbines.html

Ссылка на основную публикацию