Виды ветроэлектростанций

Принцип работы ветрогенераторов практически не изменился со времен создания его первых прототипов — паруса и ветряной мельницы: под напором ветра вращается колесо с лопастями, передавая крутящий момент другим механизмам. Чем больше диаметр колеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем быстрее вращается.

Крыльчатые ВЭС, их еще называют ветродвигателями традиционной схемы, представляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. Ветроагрегат вращается с максимальной скоростью, когда лопасти расположены перпендикулярно потоку воздуха.

Поэтому в конструкции предусмотрены устройства автоматического поворота оси вращения: на малых ВЭС - крыло-стабилизатор, а на мощных станциях, работающих на сеть, — электронная система управления рысканием. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую, мощные станции оснащают редуктором.

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются. Мощность ВЭС зависит от скорости ветра и размаха лопастей ветроколеса.

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС намного выше, чем у других ветряков, недаром они занимают более 90% рынка.

Карусельные (роторные) ВЭС с вертикальной осью вращения, в отличие от крыльчатых, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Когда ветровой поток усиливается, карусельные ВЭС быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения ветроколеса стабилизируется.

Ветродвигатели этой группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы 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 – повышающий редуктор не эффективно из-за низкого КПД последних.

Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает.

Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений 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 в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций 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.

Так же 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 живучесть ветроустановки.

Новые виды ветроэлектростанций

Из недавно появившихся оригинальных проектов стоит назвать ВЭС принципиально новой конструкции, состоящую из фундамента, трехопорного несущего основания и смонтированного на нем кольцеобразного генератора со встроенным подшипником и центральным ротором. Кольцо генератора может достигать в диаметре 120 м и более. Другой пример - многомодульная ветроустановка, состоящая из одного-двух десятков небольших ветроагрегатов.

Совсем недавно запущена в производство совершенно новая ВЭУ, в которой использован высоковольтный синхронный генератор со статором, имеющим обмотки из кабеля, и многополюсным ротором на постоянных магнитах. Получаемый переменный ток низкой частоты выпрямляется, а затем преобразуется инвертором в переменный ток сетевой частоты. Редуктор генератору не нужен, поскольку он низкооборотный. Такие установки можно использовать на ВЭС мощностью от 500 кВт до 5 МВт и выше.

За состоянием ВЭС и режимами их работы следит бортовой компьютер, куда по модемным каналам поступает вся текущая информация. Если, например, во время работы возникают кратковременные всплески напряжения, происходящие при коротких, сильных порывах ветра либо при резком изменении нагрузки, их гасят с помощью специальных электронных устройств. Электроника и автоматика надежно защищены от постороннего излучения радиотехническим заземлением и экранированием. Важную роль здесь играют современные изоляционные материалы.

Можно сказать, что на сегодняшний момент преимущественное распространение получили крыльчатые ветродвигатели, у которых ось ветроколеса горизонтальна и параллельна направлению потока. Они имеют наивысший коэффициент использования энергии ветра до 0,48 и более надёжны в эксплуатации. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных . В то же время, у карусельных – намного больше момент вращения.

Системы ветродизель

В крупных энергосетях неравномерная подача энергии, присущая всем ветроагрегатам, уравнивается их большим количеством. Автономные сети мощностью 0,5–4 МВт тоже могут функционировать надежно, несмотря на неравномерность поступления энергии от ВЭС, если они работают в паре с дизелем.

Для систем «ветро-дизель» европейские компании разработали компьютеризированное устройство, распределяющее нагрузку между ветроэнергетической установкой и дизелем. Уже есть оборудование, позволяющее всего за две секунды отключить дизель или вновь включить его в работу. Благодаря этому увеличивается ресурс дизелей и экономится до 67% топлива в год.

Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе сегодня составляют 1000 долларов на 1 кВт установленной мощности. Себестоимость энергии — 3,5–3,8 цента за 1 кВт.ч (10 лет назад было 16 центов). При массовом строительстве ветроэлектростанций можно рассчитывать на то, что в дальнейшем цена одного киловатт-часа существенно снизится и окажется сравнимой со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС. В подтверждение этого аргумента говорит тот факт, что конструкции ВЭС постоянно совершенствуются: улучшаются их аэродинамика и электрические параметры, уменьшаются механические потери и т. д.

Проекты ВЭС, работающих на сеть, для условий, например, очень ветреного Приморья окупаются за 5–7 лет, системы «ветро-дизель» — за 2 года. В дальнейшем сроки окупаемости ветроэлектростанций будут сокращаться.

Ветроэлектростанции малой мощности 

Такие станции имеют мощность — от 250 Вт до 10 кВт. Бытовые ветряки вырабатывают энергию более дорогую, но зачастую они бывают незаменимы, особенно там, где нет других источников энергии.

Наиболее перспективными представляются производимые в России ВЭС с генератором постоянного тока напряжением 12–110 В, который заряжает буферные батареи емкостью от 200 до 800 А/ч. Зарядка осуществляется через контроллер, который выдает зарядный ток даже тогда, когда выходное напряжение генератора намного меньше напряжения батарей. Далее ток проходит через конвертор (инвертор), производящий на выходе сетевое напряжение 220 В. Телевизор, чайники и другие электроприборы в доме будут работать от заряженных батарей, пока последние не «сядут». После отключения нагрузки батареи вновь начинают заряжаться. Процесс этот может занять длительное время, все зависит от мощности генератора и силы ветра.

Бытовые ВЭС зарубежного производства являются достаточно дорогими. Станция установленной мощностью 1 кВт стоит порядка 2 000 долларов. Даже при хорошем ветре она выдает за год в лучшем случае 40% от номинальной мощности, то есть не больше, чем бензиновый генератор на 400 Вт. Зачастую такой мощности не хватает, поэтому большим спросом пользуются ВЭС на 3 или на 10 кВт (последние стоят уже 25 000 долларов).