Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом преобразования энергии ветра. При проектировании ВЭУ необходимо учитывать их следующие особенности:
1) для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса нужно изменять частоту вращения при изменении скорости ветра, а для эффективной работы электрогенератора нужна постоянная частота вращения;
2) механические системы управления частотой вращения ветроколеса сложны и дороги. Эффективнее и дешевле управлять частотой вращения изменением электрической нагрузки электрогенератора;
3) чем больше радиус ветроколеса, тем меньше оптимальная частота его вращения. Поэтому только небольшие ветроколеса (радиусом не более 2 м) можно соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветроколеса нужно использовать повышающие редукторы, которые увеличивают стоимость ВЭУ. Заменой редукторам могут стать новые типы многополюсных генераторов, работающих при меньших частотах вращения.
В автономных ВЭУ используются электрогенераторы разных типов. В небольших установках чаще всего применяют многополюсные генераторы с постоянными магнитами. Генераторы постоянного тока могут иметь устройства для сглаживания пульсаций тока, а ток можно использовать для зарядки аккумуляторных батарей. Для генерации переменного тока можно использовать синхронные генераторы с нестабилизированными и стабилизированными параметрами на выходе. Асинхронные генераторы переменного тока могут быть как самовозбуждаемые, так и со вспомогательным возбуждающим генератором.
Анализ потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5…10 % из них предъявляют определенные требования к её параметрам (например, к частоте). Это в основном электродвигатели, электронные устройства и осветительные установки. Поэтому система электроснабжения должна быть такой, чтобы она могла обеспечить потребителей как дешевой электроэнергией с нестабилизированными параметрами, так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами.
Чтобы избежать перебоев в электроснабжении в периоды безветрия ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии или быть запараллеленными электроэнергетическими установками других типов.
По мощности ВЭУ можно условно разделить на:
– малой мощности – до 100 кВт;
– средней – от 100 до 500 кВт;
– большой (мегаваттного класса) – 0,5…4 МВт и более.
Горизонтальные ВЭУ среднего и мегаваттного класса имеют быстроходное ветроколесо с двумя–тремя лопастями. Ветроколесо с помощью автоматической системы ориентации поворачивается на башне по направлению ветра. В настоящее время в ряде стран налажено серийное производство горизонтальных ВЭУ с диаметром ветроколеса 20…40 м мощностью 100…500 кВт. Построены опытные горизонтальные ВЭУ с диаметром колеса до 70…100 м и мощностью 3…4 МВт.
Также в некоторых странах работают вертикальные ВЭУ мощностью до 500 кВт.Пущена опытная ВЭУ с диаметром ротора 64 м, высотой 110 м, мощностью 4 МВт.
Ветроэнергетика связана с большой материалоемкостью. По удельной материалоемкости (металлоемкости) ветроустановки на два порядка превышают тепловые энергоустановки такой же мощности.
Ветроэлектростанция (ВЭС) состоит из большого количества ВЭУ. Для строительства ВЭС требуются изъятие больших площадей земельных ресурсов. На 1 МВт установленной мощности в зависимости от розы ветров и рельефа местности требуется площадь от 5 до 15 км2.
ВЭС производят акустическое воздействие на окружающую среду. Шумовые эффекты ВЭС можно разделить на механические (шум редукторов, подшипников и генераторов) и аэродинамические, вызванные вращением ветроколеса.
Аэродинамические эффекты могут быть низкочастотными (менее 16…20 Гц) и высокочастотными (от 20 Гц до нескольких кГц). Шумовой эффект вблизи ВЭС достигает 50…80 Дб. Отдельную экологическую проблему составляет инфразвуковой эффект ВЭУ мощностью более 250 кВт, отрицательно воздействующий на биологические субъекты и человека.
Размещение ВЭС влияет на миграцию птиц. В местах установки ВЭС значительно ослабевает сила воздушных потоков, а это может оказать влияние на климат и уменьшить проветривание близлежащих промышленных районов. ВЭС также создают помехи для распространения радиоволн.Поэтому при выборе места строительства ВЭС необходимо учитывать её негативное воздействие на окружающую среду.
Ветроэнергетика России
Энергетический ветропотенциал России оценивается в 40 млрд. кВт. ч электроэнергии в год, то есть около 20000 МВт [1].
ВЭС мощностью 1 МВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с экономит 1 тыс.т.у.т. в год. Ветроэнергетические ресурсы России можно разделить на три зоны. Первая включает в себя прибрежную часть севера страны, Каспийское побережье и северную часть Сахалина. Здесь среднегодовые скорости ветра превышают 6 м/с. В этих районах часто наблюдаются ураганные ветра (выше 30 м/с), которые сопровождаются снежными метелями и буранами. В указанной местности можно использовать только ВЭУ высокой быстроходности с двумя или тремя лопастями. Прочность ВЭУ должна быть рассчитана на ветровые нагрузки при скоростях ветра 40 м/с.
Вторая зона – большинство областей европейской части России и часть территории, лежащая юго-восточнее озера Байкал. В этих районах среднегодовая скорость ветра от 3,5 до 6 м/с
Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также некоторых областей европейской части России. В этой зоне скорости ветра относительно невелики – до 3,5 м/с. Поэтому широкое применение ВЭУ не рекомендуется.
На импортном оборудовании в Камчатской области и Республике Башкортастан построены демонстрационные ветроэлектростанции. В 2002 г. в Калининградской области сдана в эксплуатацию Куликовская ВЭС установленной мощностью 5,1 МВт. На Калмыцкой ВЭС мощностью 22 МВт, смонтированы две отечественные установки «Радуга-1» мощностью
1000 кВт каждая. На Заполярной ВЭС смонтировано шесть ВЭУ типа АВЭ-250С мощностью 250 кВт каждая.
В Краснодарском крае намечено сооружение ВЭС общей мощностью
5 МВт (г. Анапа), в Ростовской области – ВЭС мощностью 20 МВт (г. Ростов-на-Дону) и опытно промышленной ВЭС с теплонасосной установкой общей мощностью 4,3 Гкал/ч (пос. Маргаритово). На Чукотке введена в эксплуатацию ВЭС мощностью 2,5 МВт. Опыт её строительства и эксплуатации может сыграть важную роль в развитии ветроэнергетики районов Крайнего севера [9]. На большинстве дизельных электростанций используются дизельные агрегаты мощностью 100…200 кВт. Параллельно с этими агрегатами могут работать автономные ВЭС мощностью 100 кВт.
Создание на базе ВЭУ ветродизельных комплексов (ВДЭК) мощностью до 10 МВт позволит экономить до 80 % завозимого дизельного топлива.
Для электрических сетей большой мощности могут быть использованы сетевые ВЭУ мощностью 500…1000 кВт.
В России ВЭУ различных мощностей производят «Компания ЛМВ Ветроэнергетика», ГУП НПП «Ветроэн», ФГУП ГосМКБ «Радуга», ЗАО «Сапсан-энергия ветра» и ряд других предприятий.
ФГУП ГосМКБ «Радуга» производит ВЭУ «Радуга-1», общий вид и размеры ВЭУ представлены на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Общий вид и основные размеры ВЭУ типов P-250 и P-1000
В России также производятся автономные установки небольшой мощности для индивидуальных потребителей [7]. Например, «Радуга-001» мощностью 1 кВт с диаметром ветроколеса 4,8 м; «Радуга-008» мощность 8 кВт с диаметром ветроколеса 10 м; ВЭУ 16/30 мощностью 16 и 30 кВт с диаметром ветроколеса 5 м; АВЭ-250СМ мощностью 250 кВт с диаметром ветроколеса 25 м и др.
Техническая характеристика ВЭУ «Радуга-1»
Мощность генератора, кВт – 1000
Выходное напряжение(трехфазное), В – 380 или 600
Рабочий диапазон скоростей ветра, м/с – 5…25
Скорость ветра при номинальной мощности, м/с – 13
Предельно допустимая скорость ветра, м/с – 60
Диаметр ветроколеса, м – 48
Высота башни, м – 36
Число лопастей – 3
Частота вращения рабочего колеса, об/мин – 21…42
Срок службы, лет – 25
Масса ВЭУ, т – 127…130
Система ориентации – самоориентация
Диапазон температур эксплуатации, оС – –50…+40
Расчетная сейсмичность, баллов – 8