Энергетика

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

формула

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

формула

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

формула

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:

таблица

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,

формула

С учетом коэффициента мощности мощность ветротурбины

формула

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

формула(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

формула

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).

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

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.

ВЭУ ТВВ фирмы РОПАТЭК
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.

Основные технические данные ВЭУ России
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.

ВЭС «Куликово»
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.

Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя

Крыльчатые ветроколеса работают за счёт косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае. Устройство такого колеса показано на рис. 6.4.1.

 Конструктивная схема крыльчатого ветроколеса
Рис. 6.4.1. Конструктивная схема крыльчатого ветроколеса.

На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от 2 и больше. Крыло ветроколеса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она образует с плоскостью вращения некоторый угол ϕ. Этот угол называют углом заклинения лопасти (рис. 6.4.1). При этом на её элементы набегает воздушный поток с относительной скоростью W под углом α , который называют углом атаки, и действует с силой R. Углы ϕ и α в значительной мере определяют эффективность крыльев. Силу R раскладывают на силы Px и Py (рис. 6.4.2, а). Силы Pxпроизводят давление в направлении ветра, которое называется лобовым давлением. Силы Pyдействуют в плоскости y − y вращения ветроколеса и создают крутящий момент.

схема действия сил воздушного потока
Рис. 6.4.2. а – схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти; б –
графическое изображение относительного потока, набегающего на элементы
лопасти, расположенные на разных радиусах ветроколеса.

Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получаются при некотором значении угла атаки α, т. е. угла наклона относительного потока к поверхности лопасти. Ввиду того что окружная скоростью длине крыла не одинакова, а возрастает по мере удаления его элементов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на лопасть также возрастает. Вместе с этим убывает угол атаки α , и при некоторой окружной скорости ωR, где ω угловая скорость, этот угол станет отрицательным (рис. 6.4.2, б). Следовательно, не все элементы крыла будут иметь максимальную подъёмную силу.

Если мы будем уменьшать угол ϕ каждого элемента лопасти по мере удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол атаки α примерно сохранялся постоянным, то мы получим условие, при котором приблизительно все элементы лопасти будут работать со своей максимальной подъёмной силой. Лопасть с переменным углом заклинения со получает форму винтовой поверхности.

Правильные углы заклинения лопасти при хорошем аэродинамическом качестве профиля, а также ширине, соответствующей заданной быстроходности, обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра. У хорошо выполненных моделей он достигает 46%.

Работа поверхности при действии на нее силы ветра

Скоростью ветра называют расстояние в метрах, проходимое массой воздуха в течение одной секунды. Скорость ветра постоянно меняется по величине и направлению. Причиной этих изменений является неравномерное нагревание земной поверхности и неровности рельефа местности.

Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетической энергией, определяемой выражением:

формула

Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоростью V , равна:

формула

Подставив (6.3.2) в выражение кинетической энергии (6.3.1), получим:

формула

откуда следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости.

Посмотрим, сколько процентов энергии ветра может превратить в полезную работу поверхность, поставленная перпендикулярно к направлению ветра и перемещающаяся в этом же направлении, что имеет место, например, у ветродвигателей карусельного типа.

Мощность T определяется произведением силы P на скорость V :

формула

Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы, при малой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот, за счёт малой силы, а следовательно, и малой поверхности, но при соответственно увеличенной скорости её перемещения.

Действие силы ветра на поверхность
Рис. 6.3.3. Действие силы ветра на поверхность.

Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения его поверхностью получит подпор и будет обтекать её и производить давление силой Px. Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направлении потока с некоторой скоростью U (рис. 6.3.3); работа при этом будет равна произведению силы на скорость U , с которой перемещается поверхность F, т. е.:

формула

где Px – сила сопротивления, которая равна :

формула

где Cx – аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; F – поверхность миделевого сечения теля, т.е. проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока.

В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоростью, равной:

формула

Подставив значение Px из уравнения (6.3.6) в уравнение (6.3.5), получим:

формула

Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхностью и выраженной уравнением (6.3.8), к энергии ветрового потока, имеющего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно:

формула

После преобразований получим:

формула

Величину ξ называют коэффициентом использования энергии ветра.

Из уравнения (6.3.10) мы видим, что ξ зависит от скорости перемещения поверхности в направлении ветра. При некотором значении скорости U коэффициент ξ получает максимальное значение. В самом деле, если скорость перемещения поверхности равна нулю U = 0, то работа ветра также равна нулю. Если U = V, т.е. поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так как нет силы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заключено в пределах между  U = 0 и U = V.

Установлено, чтобы получить максимальное ξ , поверхность должна перемещаться со скоростью:

формула

Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может быть больше ξ = 0,192 .

Классификация ветродвигателей по принципу работы

Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.

Первый класс включает ветродвигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми.

Быстроходностью называется отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра:формулаКрыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656-44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности, разделяются на три группы (рис. 6.2.1).

Схемы ветроколес крыльчатых ветродвигателей
Рис. 6.2.1. Схемы ветроколес крыльчатых ветродвигателей: 1 — многолопастных; 2-4 — малолопастных
  • ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Zn ≤ 2 .
  • ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью  Zn > 2.
  • ветродвигатели малолопастные, быстроходные, Zn ≥ 3.

Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы:

  • карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра;
  • роторные ветродвигатели системы Савониуса.

К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра, а именно:

  1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочерёдно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10%, что установлено экспериментальными исследованиями.
  2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра.
  3. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесённый к единице установленной мощности ветродвигателя.

У роторных ветродвигателей системы Савониуса наибольший коэффициент использования энергии ветра 18%.

Рост мощности и диаметра ротора коммерческих ветродвигателей
Рис. 6.2.2. Рост мощности и диаметра ротора коммерческих ветродвигателей

Крыльчатые ветродвигатели свободны от перечисленных выше недостатков карусельных и барабанных ветродвигателей. Хорошие аэродинамические качества крыльчатых ветродвигателей, конструктивная возможность изготовлять их на большую мощность, относительно лёгкий вес на единицу мощности – основные преимущества ветродвигателей этого класса.

Зависимость стоимости электроэнергии от мощности ветродвигателей при их расположении на побережье и вдали от моря
Рис. 6.2.3. Зависимость стоимости электроэнергии от мощности ветродвигателей при их расположении на побережье и вдали от моря

Коммерческое применение крыльчатых ветродвигателей началось с 1980 года. За последние 14 лет мощность ветродвигателей увеличилась в 100 раз: от 20-60 кВт при диаметре ротора около 20 м в начале 1980 годов до 5000 кВт при диаметре ротора свыше 100 м к 2003 году (рис. 6.2.2). Некоторые прототипы ветродвигателей имеют еще большие мощность и диаметр ротора. За тот же период стоимость генерируемой ветряками энергии снизилась на 80 %. Зависимость стоимости электроэнергии от мощности ветродвигателей при их расположении на побережье и вдали от моря представлена на рис. 6.2.3 (в ценах 2001 г.).