Величина коэффициента мощности 
зависит, главным образом, от быстроходности ветроколеса 
. Выбор характеристик ВЭУ в конкретных ветровых условиях определяется теми целями, которые перед ней ставятся. Обычно руководствуются одним из двух основных требований: оптимизировать производство энергии за год, чтобы, например, уменьшить потребление топлива электростанциями единой энергосистемы, или обеспечить производство определенного минимума энергии, даже при слабом ветре, чтобы, к примеру, сохранить работоспособность насосов системы водоснабжения.
Кроме того, при выборе характеристик ветроколеса следует учитывать характеристики агрегатов (насосов, электрогенераторов), с которыми они непосредственно стыкуются. Таким образом, задача эффективного использования ветроустановкой энергии ветрового потока достаточно сложна, зависит от многих факторов, и на практике выбор ветроустановки определяется еще и сложившимися в этой области традициями.
Энергией, передаваемой ветровыми потоками ветроустановке, является энергия на валу ветроколеса. Пусть 
– энергия потока, переданная ветроколесу за время 
, а 
– чаcть этой энергии, переданная ветровым потоком со скоростью 
в единичном скоростном интервале, тогда:
. (9.54)
Если плотность воздуха считать постоянной, то средняя мощность на валу ветроколеса определяется выражением:
. (9.55)
Чтобы вычислить величину этого интеграла, надо знать зависимость коэффициента от скорости набегающего потока. Для этого разобьем, как обычно делают, весь интервал скоростей на четыре характерных участка (см. рис. 9.18).
Рисунок 9.18 – Режимы работы ветроустановки (сплошная кривая – стандартная; штриховая – реальная):
1 – включение, 2 – расчетная скорость, 3 – выключение
1. Скорость ветра меньше скорости 
, при которой ветроустановка включается. В этом диапазоне:
=0. (9.56)
2. Скорость ветра больше номинальной скорости 
, поэтому величина энергии определяется соотношением:
. (9.57)
3. Скорость ветра больше скорости , при которой ветроустановка отключается, тогда
=0. (9.58)
На практике большая часть ветроустановок при сильном ветре не отключается, а продолжает работать, но с низкой эффективностью.
4. Скорость ветра находится в интервале 
. Выходная мощность в этом диапазоне зависит от скорости ветра и типа ветроколеса. Для большинства ветроустановок эта зависимость имеет вид:
, (9.59)
где 
и 
– константы, определяемые из условий:
а) в момент включения ветроустановки 
=0, поэтому 
;
б) при 
мощность 
, откуда 
.
Из этих условий следует:
. (9.60)
Таким образом, коэффициенты и можно выразить через , и 
. На практике ветроустановкам часто приходится работать в этом малоэффективном диапазоне скоростей.
В работе ветроустановки можно выделить два предельных режима (см. рис. 9.19).
1. Режим с постоянным коэффициентом быстроходности и, следовательно, с постоянным коэффициентом мощности в заданном рабочем диапазоне скоростей ветра из (9.55) следует:
. (9.61)
Если использовать для 
распределение Рэлея и достаточно большую скорость 
, то:
(9.62)
Рисунок 9.19 – Зависимости коэффициента мощности :
а) от быстроходности ; б) от скорости ветра при постоянной быстроходности; в) от скорости ветра при постоянной скорости вращения ветроколеса (в)
1 – включение; 2 – расчетная скорость. Заштрихованная область соответствует потере мощности из-за непостоянства
2. Режим с постоянной частотой вращения ветроколеса , следовательно, с переменным коэффициентом .
На рис. 9.19, б, в коэффициент представлен в виде функции от скорости набегающего потока 
. В этом случае мощность ветроколеса можно определить численным интегрированием. В режиме с постоянной частотой вращения, как видно из рис. 9.19, в не при всех скоростях ветра его энергия преобразуется эффективно. Это особенно проявляется при скоростях ветра, значительно превышающих скорость, соответствующею максимальному значению коэффициента .
9.11. Производство и распределение электроэнергии
от ветроэнергетических установок
Использование ветроэнергетических установок для производства электроэнергии является наиболее эективным способом преобразования энергии ветра. Эффективность преобразования механической энергии в электрическую в электрогенераторе составляет обычно 95%, а потери электрической энергии при передаче не превышают 10%. Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии. Эти требования жесткие при работе ВЭУ в рамках единой энергосистемы и не очень – при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках. К настоящему времени разработано большое число проектов ВЭУ, включая и электрогенераторы к ним. В России существуют, по крайней мере более 10 компаний разрабатывающих и производящих такие установки.
Очевидно, что в будущем, с превращением ветроэнергетики в самостоятельную отрасль энергетики, появятся принципиально новые конструкции ВЭУ.
При проектировании ВЭУ надо учитывать их следующие особенности.
1. Для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности, в то же время для максимально эффективной работы электрогенератора необходима практически постоянная частота вращения.
2. Механические системы управления частотой вращения ветроколеса достаточно сложны и дороги. Гораздо эффективнее и дешевле управлять частотой его вращения, изменяя электрическую нагрузку электрогенератора.
3. Оптимальная частота вращения ветроколеса тем меньше, чем больше его радиус, поэтому только очень малые ветроколеса (радиусом до 2 м) удается соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветроколеса приходится использовать повышающие редукторы, которые увеличивают как стоимость ВЭУ, так и обслуживания. Здесь заменителем редуктора могут быть новые типы многополосных генераторов, работающих при меньших частотах вращения.
4. В конструкции ВЭУ, как правило, предусматривается возможность отключения генератора от ветроколеса и вращение его от химического или механического аккумулятора энергии; поэтому систему управления генератором не связывают с работой ветроколеса. При отсутствии такой связи, даже при «мягком» соединении генератора с ветроколесом, необходимы специальные демпфирующие устройства для того, чтобы исключить механические удары, перегрузки или броски напряжений на выходе генератора, особенно при резких порывах ветра или при шторме.
Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ВЭУ, а именно:
1. Наиболее благоприятные ветровые условия существуют, как правило, в малонаселенных регионах, на островах, на побережье морей. Требования к электроэнергии в таких районах весьма специфичны, но почти наверняка ее здесь требуется гораздо меньше, чем в развитых промышленных регионах.
2. Анализ потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5-10% из них предъявляют определенные требования к ее параметрам (например, к частоте). Поэтому целесообразно так строить систему электроснабжения, чтобы она могла обеспечивать потребителей как дешевой электроэнергией с нестабилизированными параметрами (например, для отопления), так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами.
3. Энергосистемы в сельской местности обычно маломощные и относительно низковольтные (менее 35 кВ), при передаче энергии на большие расстояния возникает много проблем, связанных с ее потерями, поэтому подключение ВЭУ к таким системам нецелесообразно.
4. Так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии, или быть зарезервированы электроэнергетическими установками других типов.
Совершенно очевидно, что развитие ветроэнергетики будет способствовать прогрессу во всей электроэнергетике, в том числе и в традиционном энергомашиностроении.
Контрольные вопросы
1. Классификация и основные характеристики ветроэнергетических установок.
2. Признаки классификации ветроэнергетических устновок.
3. Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью.
4. Типы вертикально-осевых ветроэнергетических установок.
5. Классификация ветроэнергетических установок по мощности ВЭУ и энергосистемы.
6. Основные причины возникновения ветров. Виды ветров.
7. Общая харектеристика ветров и их анализ.
8. Режимы работы ветроколеса.
9. Производство и распределение электроэнергии от ветроэнергетических установок.
10. Требования, предъявляемые к выходным параментрам ветроэнергетических установок.