Общие сведения о ветроэнергетике

 

Современная ветроэнергетика с её техническим оснащением является вполне сложившимся направлением энергетики. Ветро­энергетические установки мощностью от единиц киловатт до нескольких мегаватт серийно производятся в Европе, США, России и других странах мира. Основная часть таких установок применяется для производства электроэнергии как в единой энер­госистеме, так и в автономных системах [ 29, 30 ].

При скорости ветра и плотности воздуха ветроколесо, ометающее площадь , развивает мощность:

, (9.1)

где – параметр, характеризующий эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и называемый коэффициентом мощности. Обычно среднегодовая мощность, снимаемая с единицы площади ветроколеса, пропорциональна , плотности воздуха и кубу средней скорости, т.е. .

Максимальная проектная мощность ветроэнергетической установки рассчитывается для некоторой стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость равна примерно 12 м/c. В таком случае с 1 м² ометаемой площади снимается порядка 300 Вт при значении от 0,35 до 0,45. В таблице 9.1 представлена классификация и основные характеристики ветроэнергетических установок (ВЭУ) различных классов. В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 25-33% его максимального проектного значения.

Срок службы ВЭУ обычно составляет 15-20 лет, а их стоимость колеблется от 1000 до 1500 долларов США за 1 кВт проектной мощности. Одно из основных условий при проектировании ВЭУ – обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, а один раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, превышающей в 5-10 раз среднюю, поэтому установки приходится проектировать с большим запасом прочности.

 

Таблица 9.1 – Параметры ВЭУ различной проектной мощности при скорости ветра 12 м/с

Класс ВЭУ	Расчетная (проектная) мощность, кВт	Диаметр ветроколеса	Период вращения Т, с
Малые	10-25	6,4-10	0,3-0,4
Средние	10-100-150	14-20-25	0,6-0,9-1,1
Большие	250-500-1000	32-49-64	1,4-2,1-3,1
Очень большие	2000-3000-4000	90-110-130	3,9-4,8-5,7

 

Примечание: Параметры рассчитаны для коэффициента мощности =30%, плотности воздуха 1,2 кг/м³, быстроходности =6. Расчетная мощность .

 

Кроме того, скорость ветра очень сильно колеблется во времени, что может привести к усталостным разрушениям, а для лопастей к тому же существенны переменные гравитационные нагрузки (порядка 10⁷ циклов за 20 лет работы).

Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности (см. рис. 9.2).

Рисунок 9.2 – Сезонная и суточная циркуляция воздушного потока

 

Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляций, в той или иной степени связанных друг с другом

На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном – с юго-востока, как показано на схеме (см. рис. 9.3).

Рисунок 9.3 – Схема общей циркуляции земной атмосферы

 

Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает порядка 6-8 м/с. Эти ветры вблизи больших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км. Выше над ними находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, противоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места.

В субтропических широтах в поясах высокого давления зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих областей приблизительно до 70° на всех высотах дуют ветры между западным и юго-западным румбами в северном полушарии и между западным и северо-западным – в южном полушарии. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывно возникают и затухают вихревые движения, усложняющие простую схему общей циркуляции атмосферы, показанную на рис. 9.3.

Особые местные условия рельефа земной поверхности (моря, горы и т.п.) вызывают местные ветры.

Вследствие изменения температур днём и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами. Днём при солнечной погоде суша нагревается сильнее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега опускается вниз.

Таким образом, возникает циркуляция воздуха с направлением внизу – на берег моря, вверху – от суши к морю. Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется: внизу воздух течёт на море, а вверху – с моря на сушу.

Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км – в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах достигает от 200 до 300 м. В тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при жаркой погоде. В России бризы можно наблюдать летом у берегов Черного и Каспийского морей.

Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного размера, чем бризы, называется муссонами. Возникают муссоны по следующим причинам. Летом континент нагревается сильнее, чем окружающие его моря и океаны, благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху наоборот течёт от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется область повышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях – наоборот от океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами.

Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии – в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой – северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые северо-западные материковые ветры; летом юго-восточные и южные морские влажные ветры. Эти ветры значительно влияют на климат Дальневосточного края.

Различные зоны страны имеют ветровые режимы, сильно отличающиеся один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает все же возможность приближенно судить о целесообразности использования ветродвигателя и об эффективности агрегата.

Прибрежные зоны северной части страны, Каспийское побережье и северная часть Сахалина, отличаются высокой интенсивностью ветрового режима. Здесь среднегодовые скорости ветра превышают 6 м/с. В этих районах часто наблюдаются ураганные ветры (выше 30 м/с), которые сопровождаются снежными метелями и буранами. Поэтому в указанной зоне можно использовать только агрегаты с ветродвигателями высокой быстроходности (двух-, трехлопастные), прочность которых рассчитана на ветровые нагрузки при скоростях ветра 40 м/с. В Арктике и на побережье наиболее эффективно применение ветроэлектрических станций, работающих совместно с тепловым резервом, а также небольших ветроэлектрических агрегатов.

Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от 3,5 до 6 м/с. К этой же зоне относится часть территории, лежащая юго-восточнее озера Байкал.

Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири и Дальнего Востока, некоторых областей европейской части России. В этой зоне скорости ветра относительно невелики – до 3,5 м/с, и широкое применение здесь ветроэнергетических установок не рекомендуется.

Суммарная кинетическая энергия ветров в секунду оценивается величиной порядка 1,2×10¹⁵ Вт, что равно примерно 1% поглощенной энергии солнечного излучения.

Достоверно оценить, какая доля энергии ветра может быть использована, вряд ли возможно. Однако в ряде стран, например, в Германии и Великобритании, доля ветроэнергетики в производстве всей электроэнергии доходит до 20%.

Автономные ветровые энергоустановки весьма перспективны и уже вытесняют дизельные электростанции, в особенности, в отдаленных районах и на островах вследствие дороговизны доставки органического топлива.

 

9.2. Краткая классификация ветроэнергетических
установок

 

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. На рис. 9.4 показаны взаимодействия воздушного потока с лопастью ветроколеса и возникающие при этом силы.

Рисунок 9.4 – Скорости элемента лопасти и действующие на него силы:

– скорость ветра; – скорость элемента лопасти, – скорость элемента лопасти относительно ветра; – сила лобового сопротивления, действующая в направлении скорости ; – подъемная сила, перпендикулярная силе .

Если воздушный поток, имеющий скорость , набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью , то скорость потока относительно лопасти будет . При взаимодействии потока с лопастью возникают:

Если воздушный поток, имеющий скорость , набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью , то скорость потока относительно лопасти будет . При взаимодействии потока с лопастью возникают:

1) сила сопротивления , параллельная вектору относительной скорости набегающего потока ;

2) подъемная сила , перпендикулярная силе . Слово «подъемная», разумеется, не обозначает, как в аэродинамике, что эта сила направлена вверх;

3) завихрение обтекающего лопасти потока;

4) турбулизация потока, т.е. хаотические возмущения его скорости по величине и направлению. Турбулентность возникает как за колесом, так и перед ним, в результате лопасть часто оказывается в потоке, возмущенном другими лопастями;

5) препятствие для набежавшего потока. Это его свойство характеризуется параметром, называемым геометрическим заполнением и равным относительно площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой ими площади. Так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое больше геометрическое заполнение, чем двухлопастное.

Классификация ветроэнергетических установок изображена на рис. 9.5, но этим не исчерпывается все многообразие конструкций этих аппаратов.

Чаще всего ВЭУ классифицируют по следующим признакам:

1. По расположению оси ветроколеса по отношению к потоку ветра. Ось вращения ветроколеса может быть параллельна или перпендикулярна воздушному потоку. В первом случае установка называется горизонтально-осевой, во-втором – вертикально-осевой.

2. По типу вращающей силы. Установки, использующие силу сопротивления, как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъемную силу, имеют линейную скорость концов лопастей, которая существенно больше скорости ветра.

Рисунок 9.5 – Классификация ветроколес:

а – с горизонтальной осью; б – с вертикальной осью; в – с концентраторами (усилителями) ветрового потока;

1 – однолопастное колесо; 2 – двухлопастное; 3 – трехлопастное; 4 – многолопастное; 5 – чашечный анемометр; 6 – ротор Савониуса; 7 – ротор Дарье; 8 – ротор Масгрува; 9 – ротор Эванса; 10 – усилитель потока

 

3. По геометрическому заполнению ветроколеса. Для основной массы установок оно определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и требуют большего времени для выхода на этот режим. Поэтому первые установки используются в качестве приводов водяных насосов, и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, вторые – в качестве приводов электрогенераторов, которым требуется высокая частота вращения.

4. По заданной цели. Установки для непосредственного выполнения механической работы часто называют ветряной мельницей или турбиной. Установки для производства электроэнергии, т.е. сопряженные турбина и электрогенератор называются ветроэлектрогенератром, аэрогенератором, или установками с преобразованием энергии.

5. От частоты вращения ветроколеса. Существуют два вида ВЭУ, подключенных к мощной энергосистеме, частота вращения постоянна вследствие эффекта автосихронизации, но такие установки менее эффективно используют энергию ветра, чем установки с переменной частотой вращения.

6. По типу сопряжения ветроколеса с электрогенератором. Если ветроколесо связано напрямую с генератором, то такое соединение называется жестким; а если через буфер, роль которого играет промежуточный накопитель энергии, то такое соединение называют частично развязанным соединением.

Наличие буфера уменьшает влияние флуктуаций частоты вращения ветроколеса и позволяет более эффективно использовать энергию ветра и мощность электрогенераторов, т.е. нежесткое соединение, наряду с инерцией ветроколеса, уменьшает влияние флуктуаций скорости ветра на выходные параметры электрогенератора. Уменьшить это влияние позволяет также упругое соединение лопастей с осью ветроколеса, например, с помощью подпружиненных шарниров.

 

9.3. Ветроустановки с горизонтальной и вертикальной
осью

 

Рассмотрим вначале ВЭУ с горизонтальной осью вращения, так называемый пропеллерный тип, наиболее широко распространенный на практике.

Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположениеи ветроколесо может иметь аэродинамический стабилизатор, удерживающий его в рабочем положении.

При заднем расположении башни оно частично затеняет ветроколесо и турбулизует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают уменьшение нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров ВЭУ. Направление ветра может измениться довольно быстро, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому у ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели.

В ВЭУ обычно применяется двух- или трехлопастные ветроколеса; последние отличаются очень плавным ходом. После ветроколеса стоит редуктор, соединенный с электрогенератором, все это расположено наверху опорной башни, в поворотной головке. Все это удобнее размещать в самом низу, у основания башни, но возникающие при этом сложности с передачей крутящего момента умаляют все преимущества такого размещения.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет только за счет удлинения вала установить редуктор с генератором у подножия башни.

Основными недостатками таких установок являются:

1) гораздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за более часто возникающих в них автоколебательных процессов;

2) пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Поэтому подавляющее число ВЭУ выполнено по схеме горизонтально-осевых установок, однако исследования вертикально-осевых установок все же продолжаются.

Кратко опишем основные типы вертикально-осевых ВЭУ (см. рис. 9.5).

1. Чашечный ротор (анемометр) Ветроколесо этого типа вращается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра.

2. Ротор Савониуса. Это колесо также вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т.е. отличаются простотой и дешевизной. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это ветроколесо обладаем большим крутящим моментом и используется для перекачки воды.

3. Ротор Дарье. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или на трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя.

4. Ротор Масгрува. Доктор Масгров предложил расположить лопасти ветрокарусели на концах горизонтально вращающейся балки и прикрепить их к ней на шарнирах.

С возрастанием силы ветра скорость вращения увеличится и центробежная сила отклонит лопасти от вертикального положения. Таким образом уменьшатся сечение двигателя и напряжения в лопастях. Это было подтверждено в опытах с прототипом ветрокарусели диаметром 3 м.

Одновременно выяснилось, что для торможения не требуется дополнительных устройств, а ветрокарусель с изменяемой геометрией лопасти ни в чем не уступает ветроколесу подобных размеров с горизонтальной осью вращения.

В схеме с ротором Масгроува реализован способ регулирования пропуском ветрового потока мимо лопастей ветродвигателя. В данном случае каждая пара полулопастей из вертикального положения может сложится в горизонтальное положение.

5. Ротор Эванса. Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и при управлении шарнирно поворачиваются вокруг вертикальной оси. Вращающий момент создается подъемной силой, которая достигает максимума, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Роторы Эванса используются в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно такие роторы, как правило, не могут, поэтому для их запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя.

Мощность ветроэнергетических установок зависит от эффективности использования энергии воздушного потока. Одним из способов ее повышения является использование специальных концентраторов воздушного потока. Для горизонтально-осевых ВЭУ разработаны или предложены различные варианты таких усилителей потока. Это могут быть диффузоры или конфузоры, направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади большей, чем площадь ометаемой поверхности ветроколеса. Однако в промышленных ВЭУ концентраторы не получили распространения.

 

9.4. Классификация ветроэнергетических установок
по мощности ВЭУ и энергосистемы

 

В зависимости от относительной мощности ветроустановки в сравнении с полной мощностью энергосистемы, к которой они подключены, различают три класса ветроэлектрических установок. Эти классы представлены в табл. 9.3.

 

9.4.1. Класс А: мощность ветроэлектрогенератора
в энергосистеме является определяющей

 

В основном к этому классу относятся отдельно стоящие одногенераторные ветроустановки, не подключенные к какой-либо энергосистеме. Они могут не иметь никаких других источников энергии или иметь, например, дополнительный аэрогенератор меньшего размера. Мощность таких ветроустановок, предназначенных для использования в отдаленных районах в целях освещения, электропитания маяков, средств связи и т. п. не превышает 5 кВт. Если энергия таких ВЭУ используется более широко, например и для отопления, то их мощность может достигать 20-50 кВт.

 

Таблица 9.3 – Классы ветроэнергетических систем

Класс	Мощность	Степень автономности ВЭУ	Способы управления
А	>>	Автономная	- шагом ветроколеса - нагрузкой
В	=	Ветродизельная	- раздельная работа ВЭУ и дизель-генератора - совместная работа ВЭУ и дизель-генератора
С	<<	Подключенная к мощной энергосистеме	- генератора постоянного тока - преобразованием постоянного тока в переменный - изменением коэффициента скольжения

Примечание: – мощность ВЭУ, – мощность других генераторов систем.

 

Эффективность работы ветроустановки и ее стоимость во многом зависят от правильности выбора системы управления генератором, которая схематически показана на рис. 9.6.

При оптимальном управлении генератором напряжение на его выходе (и частота – в случае генератора переменного тока) будет нестабильным.

Электроэнергию с такими параметрами можно непосредственно применять для обогрева домов, а также в выпрямителях для последующего использования (см. рис. 9.6, а).

Как правило, такие ветроустановки вполне удовлетворяют потребителей. Относительно небольшие потребности в электроэнергии со стабилизированными параметрами (например, 220 В / 50 Гц) можно получить от преобразователей, питаемых от аккумуляторных батарей. Получаемая таким способом энергия ограничивается лишь стоимостью аккумуляторных батарей и преобразователей.

Рисунок 12 – Возможные схемы согласования ветроустановки с потребителями:

1 – нестабилизированное напряжение или частота; 2 – нагревательный элемент; 3 – аккумуляторная батарея; 4 – преобразователь постоянного напряжения в переменное; 5 – стабилизированное напряжение и частота; 6 – регулятор; 7 – стабилизированный постоянный ток; 8 – обратная связь; 9 – приоритетная нагрузка

 

В некоторых случаях желательно стабилизировать частоту всей вырабатываемой генератором электроэнергии. Для этого существуют два различных способа:

1. Механическое управление лопастями ветроколеса с целью сохранения угловой скорости его вращения. При таком управлении шаг лопастей (или угол атаки) ветроколеса при изменении скорости ветра изменяется так, чтобы частота его вращения оставалась постоянной (см. рис. 9.6, б). Недостатком метода являются большие потери энергии ветра, сложность и невысокая надежность.

2. Электрическое управление, при котором постоянство частоты вращения ветроколеса и генератора поддерживается изменением электрической нагрузки на выходе генератора (см. рис. 9.6, в) При таком способе стабилизации частоты энергия ветра используется гораздо эффективнее, так как лопасти ветроколеса работают в оптимальном режиме.

Использование современного электронного оборудования делает его также и более дешевым, и надежным по сравнению с механическим управлением.

В автономных ВЭУ применяются генераторы разных типов. В небольших установках (до 10 кВт) широко распространены многополюсные генераторы с постоянными магнитами. Генераторы постоянного тока могут иметь устройства для сглаживания пульсаций тока, а ток можно использовать для зарядки аккумуляторов. Для генерации переменного тока широко используют синхронные генераторы с нестабилизированными и стабилизированными параметрами на выходе. Иногда применяются также и асинхронные генераторы переменного тока, которые могут быть как самостоятельные, так и со вспомогательным возбуждающим генератором.

 

9.4.2. Класс В: мощность ветроэлектрогенератора
одного порядка с мощностью других генераторов системы

 

Такая ситуация характерна для небольших энергосистем в отдаленных районах. Чаще всего «другим генератором» является дизельный электрогенератор. В этом случае использование аэрогенератора позволяет экономить дизельное топливо. Дизельный генератор может включаться только в безветрие и может работать параллельно с ветрогенератором при слабом ветре.

В ветроустановке этого класса используются две различные схемы распределения вырабатываемой энергии, изображенные на рис. 9.7.

а)

б)

Рисунок 9.7 – Одноканальная (а) и многоканальная (б) схемы согласования ветродизельной энергоустановки с потребителями:

1 – дизельный электрогенератор; 2 – счетчик; 3 – единая стоимость электроэнергии; 4 – накопитель энергии; 5 – дешевая электроэнергия; 6 – дорогая электроэнергия

 

1. Одноканальная схема. В такой схеме, имеющей один выход (обычно трехфазной; бытовые потребители питаются от какой-то одной фазы), поддерживается стабилизированное напряжение определенной величины – в зависимости от потребностей потребителя (см. рис. 9.7, а). Круглосуточное снабжение электроэнергией без учета ее потребления требует длительной работы (как правило, не менее полусуток) дизельного генератора в периоды безветрия. Дизель при этом или работает непрерывно (особенно для освещения), или включается только при очень сильном ветре. На практике в такой схеме при сильном ветре иногда более 70% энергии ВЭУ гасится на балластных сопротивлениях.

2. Многоканальная схема. Целью этой схемы является максимально полное использование ветрового потенциала. Это достигается снижением цены электроэнергии для определенных потребителей – в зависимости от ее качества (см. рис. 9.7, б). При слабом ветре потребители дешевой электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, автоматически отключаются, уменьшая тем самым нагрузку на энергосистему. Частоту вращения энергогенератора в такой системе можно также регулировать одним из описанных выше способов, тогда он также будет источником стабилизированной электроэнергии. В периоды безветрия электроэнергией снабжаются только потребители от дизельных генераторов, которые значительно дороже ВЭУ. Преимуществом такой схемы распределения энергии является максимальное использование в любой момент времени энергии ветра.

 

9.4.3. Класс С: ветроэлектрогенератор
подключен к энергосистеме, значительно более мощной,
чем его собственная мощность

 

Это наиболее распространенный случай работы ветроэлектрогенератора любой мощности в районах, где имеются коммунальные или другие энергосистемы большой мощности (см. рис.9.8). При этом энергия ВЭУ используется непосредственно, а ее излишки попадают в энергосистему. При слабом ветре и в безветрие потребители снабжаются электроэнергией от энергосистемы.

ВЭУ

Рисунок 9.8 – Схема присоединения ВЭУ к более мощной энергосистеме:

1 – жилые дома и т.д.; 2 – линия электропередачи.

 

Наиболее дешевым и безопасным типом ветроэлектрогенератора в этом случае является асинхронный генератор переменного тока, подключенный непосредственно в энергосистему. При этом частота вращения ветроколеса может не более чем на 10% превышать частоту, соответствующую номинальной частоте электросети. При слабом ветре, чтобы исключить работу ВЭУ в режиме электродвигателя, его отключают от сети. Необходимость стабилизации частоты вращения ветроколеса при прямом включении аэрогенератора в сеть не позволяет поддерживать постоянной быстроходность ветроколеса, т.е. снижает его КПД.

Поэтому в небольших ВЭУ часто применяют два агрегата различной мощности, например, 5 и 30 кВт, автоматически включающихся соответственно при слабом и сильном ветре.

Используются и другие приемы, позволяющие изменять частоту вырабатываемой генератором электроэнергии:

- увеличение числа полюсов генератора за счет перекоммутации его обмоток при падении частоты вращения ветроколеса;

- выпрямление переменного тока ВЭУ и затем преобразование его в переменный ток с заданными стабилизированными параметрами;

- увеличение допустимого отклонения частоты вращения ветроколеса от номинальной за счет включения активной нагрузки в обмотку асинхронного генератора.

 

9.5. Теоретические основы ветроэнергетических
установок

 

Далее получим соотношения для мощности, крутящего момента и силы сопротивления, действующих на ветроколесо. В этом анализе будем использовать линейное приближение.

В отсутствие турбулентности объем воздуха, проходящего в единицу времени через поперечное сечение ветроколеса площадью (см. рис. 9.9), обладает кинетической энергией, равной:

. (9.2)

где и – плотность и скорость набегающего воздушного потока. Таким образом, есть кинетическая энергия ветрового потока.

Плотность воздуха зависит от высоты над поверхностью Земли, а также метеорологических условий. Скорость ветра увеличивается с высотой, зависит от местных географических условий и довольно сильно меняется во времени. Для расчета будем считать, что скорость ветра и плотность являются постоянными во времени и в любом поперечном сечении воздушного потока. На уровне моря плотность воздуха равна 1,2 кг/м³, а необходимая для эффективной работы ветроустановки скорость ветра – порядка 10 м/с. При этих данных энергия ветра =600 Вт/м². При штормовом ветре ~25 м/c, тогда ~10 000 Вт/м².

Рисунок 9.9 – Модель расчета мощности ветрового потока (а) и модель взаимодействия ветрового потока с ветроколесом (б)

 

В теории ветроколеса предполагается, что проходящие через него линии тока не претерпевают разрыва, а само колесо заменяется таким проницаемым диском, при взаимодействии с которым воздушный поток отдает ему часть энергии, в силу чего давление в потоке и его импульс уменьшаются. Кроме того, в процессе взаимодействия в набегающий ламинарный поток вносятся различные возмущения, но здесь и в дальнейшем мы ими можем пренебречь.

На рис. 9.9, б величина – площадь, ометаемая ветроколесом, и – площади поперечных сечений проходящего через ветроколесо потока соответственно до и за ним, причем сечение расположено за пределами возмущенной ветроколесом области, а сечение – в месте наименьшей скорости потока. Положение площадей и можно определить по результатам экспериментальных измерений поля скоростей в окрестности ветроколеса. Непосредственно в сечении провести такие измерения нельзя из-за вращения ветроколеса.

Действующая на ветроколесо сила , равна изменению количества движения массы проходящего через него в единицу времени воздуха , то есть можно считать, что:

. (9.3)

Эта сила действует на ветроколесо со стороны протекающего через него воздушного потока, который можно считать однородным и имеющим скорость . Мощность, развиваемая этой силой, будет иметь вид:

. (9.4)

Но эта мощность есть энергия, теряемая в единицу времени ветровым потоком, взаимодействующим с ветроколесом, которая равна:

. (9.5)

Приравнивая (9.4) и (9.5), получим:

. (9.6)

Из этого соотношения следует:

. (9.7)

То есть из линейной теории следует, что скорость воздушного потока в плоскости ветроколеса не может быть меньше половины скорости набегающего потока.

Масса воздуха, проходящего через поверхность , ометаемой ветроколесом в единицу времени:

. (9.8)

Тогда (9.4) примет вид:

. (9.9)

А после замены из (9.7) получим:

. (9.10)

Обозначим через величину:

^, (9.11)

называемую коэффициентом торможения потока.

Тогда величина скорости будет иметь вид:

. (9.12)

Но с учетом (9.7) и (9.11)

. (9.13)

Поделиться: