Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенный для преобразования энергии ветра в другие виды энергии (электрическую, механическую, тепловую и т. п.).
Ветроагрегат, являясь основной частью ВЭУ, состоит из ветродвигателя, системы передачи ветровой мощности на нагрузку (потребителю) и самого потребителя ветровой энергии (какого-либо устройства: электромашинного генератора, водяного насоса, нагревателя и т.п.).
Ветродвигатель является устройством для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию рабочего движения ветродвигателя. Рабочие движения, которые совершает ветродвигатель, могут быть разными. На существующих сегодня ветродвигателях в качестве рабочего движения используется круговое вращательное движение. Вместе с тем известны многочисленные предложения (иногда даже реализованные) по использованию других видов рабочего движения, например колебательного [1].
Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и бытовые (для частного использования). Промышленные ветрогенераторы устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети. В результате такого объединения получается ветряная электростанция (ВЭС). Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие, как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов, как уже упоминалось, достигает мегаватт.
Мощность ветрогенератора зависит от скорости ветра, а также ометаемой площади и находится по формуле:
где 
- скорость ветра, м/с; 
- плотность воздуха, кг/м3, 
- ометаемая площадь, м2.
Ветродвигатели, совершающие только круговое вращательное рабочее движение, иначе называются ветротурбинами. У таких ветродвигателей устройством, которое непосредственно воспринимает аэродинамические нагрузки от ветрового потока и преобразует энергию ветра в механическую энергию рабочего кругового вращательного движения, является лопастная система, называемая ветроколесом.
2.1 Промышленная ветряная установка. Назначение основных компонентов
Рисунок 2.1 - Промышленная ветряная установка
Промышленная ветряная установка включает в свой состав:
1. Фундамент;
2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления;
3. Башня;
4. Лестница;
5. Поворотный механизм;
6. Гондола;
7. Электрический генератор;
8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр);
9. Тормозная система;
10. Трансмиссия;
11. Лопасти;
12. Система изменения угла атаки лопасти;
13. Обтекатель.
Некоторые ветряные установки снабжаются дополнительными системами, которые обеспечивают высокую надежность работы и защиту в экстренных ситуациях. К таким системам относятся:
1. Система пожаротушения;
2. Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора;
3. Система молниезащиты;
4. Привод питча (привод поворота лопастей).
Основные компоненты ветряной установки выполняют следующие функции:
1. Генератор. Необходим для заряда аккумуляторных батарей. От его мощности зависит, насколько быстро будут заряжаться аккумуляторы. Генератор вырабатывает трехфазный переменный ток с частотой от 0 до 60 Гц. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра.
2. Лопасти. Приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.
3. Мачта – вертикально стоящая конструкция, может поддерживаться растяжками. Обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует: чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот:
- Мачты с растяжками - это наиболее дешевый вид мачт, позволяющий самостоятельно опускать и поднимать ветроустановку за счет применения автомобиля или лебедки. Недостаток таких мачт заключается в том, что требуется много места для размещения креплений под тросовые растяжки мачты, каждая растяжка должна крепиться на расстоянии равном половине длины мачты от ее основания [6].
Рисунок 2.2 - Размещение мачты и растяжек относительно друг друга
Рисунок 2.3 - Сборка мачты с растяжками и подъем с помощью лебедки и блоков
Рисунок 2.4 - Подъем мачты с растяжками с помощью тяговой техники
Конические мачты - цельносварные мачты, устанавливаемые краном. Обслуживание мачт данного вида также требует применения спецмашин.
Рисунок 2.5 - Размеры конических мачт
- Гидравлические мачты - сборные или цельносварные конструкции (рисунок 2.6), имеющие в основании шарнирный узел, позволяющий поднимать и опускать установку за счет гидроцилиндра. Насосы для создания давления в гидроцилиндре бывают ручными или с электрическим двигателем.
Рисунок 2.6 – Цельная трубчатая мачта с гидравлическим подъемником
- Сборные мачты-фермы - сварные или сборные конструкции, требующие применения спецтехники, и отличающиеся высокой ценой. Пример сборной мачты-фермы приведен на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 - Сборная мачта ферма на трех опорах
Дополнительные элементы ветряной установки предназначены для выполнения следующих функций:
4. Контроллер. В полностью автоматизированных ветроустановках контролер управляет многими процессами ветроустановки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором, в постоянный, пригодный для заряда аккумуляторных батарей.
5. Аккумуляторные батареи подбираются по напряжению и общей емкости, рекомендованными производителем ветряка, и составляют аккумуляторную станцию для накапливании электроэнергии и ее последующего использования. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им, получается стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре.
6. Анемометр (анемоскоп) или датчик направления ветра. Отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности.
7. АВР – автоматический переключатель источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку, общественную электросеть, дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. АВР не позволяет работать одному объекту одновременно от двух разных источников питания.
8. Инвертор преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторной станции, в переменный, который потребляет большинство электроприборов. Инверторы бывают разных типов:
- Модифицированная синусоида (квадратная синусоида). Данный вид инверторов преобразовывает ток в переменный с напряжением 220 В с модифицированной синусоидой. Пригоден только для оборудования, которое не чувствительно к частотным характеристикам: освещение, нагревательные, зарядные устройства и т.п.
- Чистая синусоида. Этот вид инверторов преобразовывает ток в переменный с напряжением 220 В с чистой синусоидой. Такой инвертор необходим при использовании оборудования, оснащенного асинхронными электродвигателями: холодильники, насосы, кондиционеры и др.
9. Привод питча - привод поворота лопастей. В ветроустановках, оснащенных такой системой, применен способ управления, заключающийся в том, что при штормовом ветре лопасти по сигналу системы управления поворачиваются во флюгерное положение [7].
Принцип действия ветроустановки заключается в преобразовании кинетической энергии ветра в механическую энергию с последующим ее преобразованием при помощи генератора в электрическую. Набегающий поток воздуха воздействует на лопасти ротора, создавая крутящий момент, который передается на ротор электрического генератора. Выработанная генератором электроэнергия выпрямляется при помощи инвертора и поступает, например, на источник бесперебойного питания ИБП либо к другому виду потребителей.
Рисунок 2.8 – Общий вид ветроустановки типа ВЭУ-08
Рисунок 2.9 - Конструкция ветроустановки типа ВЭУ-08
Конструкция ветроустановки ВЭУ-08 показана на рисунке 2.9. Основные агрегаты соединены между собой центральной рамой, состоящей из пластин (21). Непосредственно на раме крепятся ось поворотного устройства (28), ось генератора (15), хвостовая балка (23), тормозной рычаг (18) и выпрямитель (19).
Генератор представляет собой торцевую трехфазную многополюсную электрическую машину на постоянных магнитах. Статор, состоящий из магнитопровода с обмотками (12) и корпуса (13), неподвижно закреплен на оси (15). Ротор состоит из магнитопровода (10), магнитов (11) и корпуса (9) и (14). Он вращается вокруг оси (15) на подшипниках и может смещаться вместе с подшипниками вдоль оси под действием тормозного рычага (18) и возвращаться под действием магнитных сил.
Турбина ветроустановки ВЭУ-08 – трехлопастная быстроходная ветротурбина с аэромеханической системой стабилизации частоты вращения и системой флюгирования.
Турбина состоит из лопастей (8), ступицы, объединенной с корпусом ротора генератора (9) и синхронизатора. Турбина управляется путем изменения шага, для чего лопасти поворачиваются вокруг осей (6), зафиксированных в ступице с помощью фиксаторов (3). Управляющие силы создаются закрылками и грузами (7). Синхронизация поворота лопастей осуществляется с помощью секторов (5) и шестерни (4) с системой выбора люфта в зубчатом зацеплении.
Для остановки турбины нужно создать усилие на тросе (20), который отклоняет рычаг (17). Рычаг через втулку (15) смещает ротор генератора со ступицей и синхронизатором. Звено (1) синхронизатора прижимается к тормозному диску (2). Сектора (5) обкатываются по шестерне (4) и переводят лопасти во флюгерное положение (по ветру). Пока трос (20) натянут, это положение остается устойчивым. При отпускании троса корпус генератора со ступицей возвращается в исходное положение под действием магнитных сил. Синхронизатор освобождается, и лопасти переводятся в стартовое положение антифлюгерной пружиной.
Опорно-поворотное устройство служит для закрепления ветроустановки на мачте, обеспечения ориентации ее по ветру и передачи электроэнергии с поворачивающейся ветроустановки на неподвижную мачту.
Оно состоит из корпуса (27), оси (28), установленной в корпусе на подшипниках и токосъемника (26). Сквозь полую ось (27) пропускается тормозной трос.
Выпрямитель (19) служит для выпрямления вырабатываемого генератором тока. Он выполнен по схеме Ларионова и состоит из изоляционной пластины, 3-х клемм, к которым подключены провода от генератора, 6-ти диодов и 2-х радиаторов, на которых выполнены зажимы для подключения проводов токосъемника.
Киль служит для поворота ветроустановки по направлению ветра вокруг вертикальной оси. Он состоит из хвостовой балки (23) закрепленной 4-мя болтами на центральной раме и пластикового «пера».
Кожуха закрывают узлы ветроустановки от прямых осадков, пыли и солнечных лучей.
Передний кожух (24) (кок) закрывает ступицу турбины. Он опирается на корпус генератора (9). Задний кожух (25) закрывает центральную раму, тормозной рычаг, выпрямитель и токосъемник. Он опирается на диафрагмы (16) и (23).
2.2 Классификация ветродвигателей
Существуют два основных типа ветродвигателей (рисунок 2.10):
1. Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые)(2…5);
2. Ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.
Рисунок 2.10 – Типы ветродвигателей
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор.
Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.
Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.
Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора, работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов неэффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных приспособлений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения, и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.
Ортогональные ветроагрегаты перспективны для большой энергетики. Сегодня перед сторонниками ортогональныхконструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска. В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете. Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Также обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14…16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров. У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми – взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем, можно просуммировать выходную мощность, вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и долговечность ветроустановки [8].
Таким образом, чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено, как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1,2,3 лопастями в таких экспериментах незначительна, потому что мощность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30 % вследствие идеализации воздушного потока в трубе.
Вертикально-осевые ВЭУ имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с горизонтально-осевыми.
При расчете и проектировании конкретного ветродвигателя помимо ветровых условий его работы необходим учет, как особенностей ветроагрегата, так и всей ВЭУ. В связи с этим ВЭУ классифицируют по следующим признакам: виду вырабатываемой энергии, уровню мощности, назначению, областям применения, признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса, способам управления, типу системы передачи ветровой мощности потребителю.
В зависимости от вида вырабатываемой энергии ВЭУ подразделяют на:
- ветроэлектрические;
- ветромеханические.
Электрические ВЭУ, в свою очередь, подразделяются на ветроустановки, вырабатывающие электроэнергию постоянного либо переменного тока. Механические ВЭУ служат для привода рабочих машин.
По уровню мощности ВЭУ подразделяют на четыре группы:
- очень малой мощности, менее 5 кВт;
- малой мощности, от 5 до 99 кВт;
- средней мощности, от 100 до 1 000 кВт;
- большой мощности, свыше 1 МВт.
Ветроустановки каждой группы отличаются друг от друга, прежде всего, конструктивным выполнением, типом фундамента, способом ориентации ветроагрегата на ветер, системой регулирования, системой передачи ветровой мощности, способом монтажа и способом обслуживания [4].
В зависимости от назначения электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на:
- ветрозарядные;
- гарантированного электроснабжения потребителя;
- негарантированного электроснабжения.
Электрические ВЭУ переменного тока подразделяют на:
- автономные;
- гибридные;
- работающие параллельно с энергосистемой соизмеримой мощности (например, с дизельной установкой);
- сетевые;
- работающие параллельно с мощной энергосистемой.
Механические ВЭУ по назначению подразделяют на:
- ветронасосные для привода водяных насосов;
- ветросиловые для работы с промышленными и бытовыми механизмами.
Классификация ВЭУ по областям применения определяется их назначением. При расчете и проектировании ветродвигателя и выборе его номинальных параметров необходим учет типа нагрузки (электрогенератор, водяной насос и т.п.), типа системы передачи ветровой мощности к потребителю, типа системы генерирования и аккумулирования электроэнергии. Система передачи ветровой мощности представляет собой определенный комплекс различны устройств для передачи мощности от вала ветроколеса к валу соответствующей машины ветроагрегата (потребителя) с повышением или без повышения частоты вращения вала этой машины. В современной ветроэнергетике чаще всего используют механический способ передачи мощности. Известны также гидравлический, пневматический и аэродинамический способы передачи ветровой мощности потребителю.
Система генерирования электроэнергии представляет собой электромашинный генератор и комплекс устройств (устройства управления, силовой электроники, аккумулятор и т. д.) для подключения к потребителю со стандартными параметрами электроэнергии.
2.3 Параметры, характеризующие работу ветроустановок
На некотором расстоянии перед ветроагрегатом, где набегающий атмосферный поток равномерен, кинетическая энергия 
массы 
воздушного потока выражается величиной
где – энергия, Дж.
Величина 
в сечении перед ветроагрегатом является массовым расходом воздуха, который мог бы пройти через ометаемую площадь ветроколеса 
за единицу времени, имея плотность 
. Ометаемая площадь ветроколеса - это геометрическая проекция площади ветроколеса на плоскость, перпендикулярную вектору скорости ветра 
. В случае перпендикулярности вектора скорости ветра к ометаемой площади величина 
для горизонтально-осевого ветродвигателя и 
для вертикально-осевого ветродвигателя. Здесь диаметр ветроколеса 
- это диаметр окружности, описываемой наиболее удаленными от оси вращения ветроколеса частями лопастей.
Располагаемая мощность воздушного потока 
, натекающего на ветродвигатель (т.е. полная кинетическая энергия набегающей воздушной струи со скоростью и площадью поперечного сечения, равной площади, ометаемой его лопастной системой)
Ветродвигатель извлекает из ветрового потока только часть этой мощности и передает ее затем потребителю, например электрогенератору. Обозначив мощность, развиваемую ветродвигателем, как 
, получаем отношение мощности ветродвигателя 
(механической энергии, развиваемой ветроколесом) к располагаемой мощности ветрового потока , (полной энергии, проходящей через ометаемую площадь ветроколеса)
называют коэффициентом использования энергии ветра.
Таким образом, механическая мощность ветродвигателя
При ряде упрощающих допущений относительно структуры течения воздушного потока доказано, что коэффициент использования энергии ветра 
не может превысить значения 16/27.
Отношение окружной скорости конца лопасти на периферии 
к скорости невозмущенного потока ветра
называют коэффициентом быстроходности ветродвигателя (числом модулей). Здесь 
- угловая скорость вращения ветродвигателя. Для текущего радиуса 
пользуются понятием местного коэффициента быстроходности
Коэффициентом крутящего момента 
, развиваемого ветродвигателем, называют величину
Величины 
, 
, 
связаны между собой зависимостью
На ветроколесо действует сила осевого (лобового) давления, являющаяся суммарной аэродинамической нагрузкой на поверхность лопастей ветроколеса, образующаяся в результате осевого сопротивления профиля лопасти ветровому потоку. Отношение осевой силы 
(силы лобового давления), действующей на лопастную систему ветродвигателя, к скоростному давлению (напору) 
на ометаемую лопастями поверхность называют коэффициентом осевого (лобового) давления
Мощностной (энергетической) характеристикой ветроагрегата называется размерная зависимость мощности , развиваемой на валу ветродвигателя, от скорости ветра , незаторможенного потока перед ним. Ветродвигатель под действием силы ветра начинает свое вращение без нагрузки с некоторого минимального значения скорости ветра 
, (скорость страгивания с места).
Обычно эта скорость составляет 2,5...5 м/с. При достижении скорости потока, равной расчетной скорости ветра 
, ветродвигатель развивает номинальную мощность 
. Номинальная мощность - это максимальное значение выходной мощности, на которую рассчитан ветроагрегат в длительном режиме работы. Обычно в диапазоне скоростей ветра от до регулирования ветродвигателя, кроме момента пуска, не происходит, но затем в диапазоне скоростей от расчетной скорости до максимальной 
вступает в действие система регулирования. Максимальная рабочая скорость ветра - это скорость ветра, при которой расчетная прочность ветроагрегата позволяет ему работать (производить электроэнергию) без повреждений. Если регулирование осуществляется поворотом лопасти, то можно удерживать мощность ветродвигателя в этом диапазоне ветра, близкой к постоянной (кривая 2 на рисунке 2.11). При достижении максимальной рабочей скорости ветра (обычно 25...30 м/с) ветродвигатель останавливают и выводят из-под ветра, ставя его лопасти во флюгерное положение.
Рисунок 2.11 – Зависимость мощности ветродвигателя от скорости ветра:
1 - - мощность ветрового потока; 2 - - мощность ветродвигателя, регулируемого поворотом лопасти; 3 - - мощность ветродвигателя, регулируемого за счет срыва потока с лопасти
Значительная часть выпускаемых сегодня горизонтально-осевых ветроагрегатов мощностью 
кВт имеет неповорачивающиеся лопасти, что облегчает их конструктивное выполнение. В этом случае регулирование мощности ветродвигателя с ростом скорости ветра осуществляется за счет выполнения профиля лопасти изменяющимся вдоль радиуса специальным образом. В результате, начиная с некоторой скорости ветра, на периферии лопасти возникает срыв потока, охватывающий с ростом скорости ветра все большее расстояние, начиная от периферии лопасти в направлении к ее втулочной части. Наличие срыва уменьшает развиваемую ветродвигателем мощность, и мощностная характеристика принимает вид кривой 3 (рисунок 2.11).
Технико-экономическое совершенство ветроустановки характеризуется рядом параметров, одним из которых является коэффициент 
использования установленной мощности ветроустановки. Он представляет собой отношение действительной выработки электроэнергии за какой-либо период времени, например за год (
), к максимально возможной выработке (
) энергии в случае, если бы ветроустановка работала весь этот период времени на номинальной (т.е. 100 %) мощности 
Величина коэффициента установленной мощности зависит от работоспособности (надежности), графика нагрузки, времени ремонтов ветроустановки. Кроме того, существенно зависит от местных условий: наличия ветра и его скорости. Обычно ВЭУ, подключенные к энергосистеме, работают с коэффициентом 
(максимально до 0,5).
Другим интегральным параметром технико-экономического совершенства ветроэлектрической установки является среднегодовая удельная выработка электроэнергии на 1 м2 ометаемой площади лопастной системы. Для лучших ВЭУ мощностью более 100 кВт эта величина составляет 1250...1500 кВт·ч/м2, чаще всего средняя годовая удельная выработка находится в диапазоне 700...850 кВт·ч/м2 при благоприятной ветровой обстановке [1].