Ветроэнергетические установки

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.

Лопастная система ветродвигателя (ветроколесо) может иметь различное конструктивное исполнение. У современных ветродвигателей лопастная система выполнена в виде жестких лопастей с крыловым профилем в поперечном сечении (иногда в этом случае используют термины «крыльчатые», или пропеллерные, ветродвигатели).

Известны успешно работающие лопастные системы, в которых вместо лопастей используются вращающиеся цилиндры (использование эффекта Магнуса). Имеются предложения по созданию лопастной системы на основе различного типа лопастей с гибкими поверхностями (паруса).

Таким образом, лопасть — это составная часть ветроколеса, создающая крутящий момент. Лопастная система ветродвигателя с рабочим круговым вращательным движением может иметь горизонтальную или вертикальную оси вращения.

При расчете и проектировании конкретного ветродвигателя помимо ветровых условий его работы необходим учет как особенностей ветроагрегата, тик 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.

В зависимости от вида вырабатываемой энергии все ветроэнергетические установки подразделяют на ветроэлектрические и ветромеханические. Электрические ВЭУ, в свою очередь, подразделяются на встроустановки, вырабатывающие электроэнергию постоянного либо переменного тока. Механические ВЭУ служат для привода рабочих машин.

В зависимости от назначения электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на ветрозарадные, гарантированного электроснабжения потребителя, негарантированного электроснабжения. Электрические ВЭУ переменною тока подразделяют на автономные, гибридные, работающие параллельно с энергостистемой соизмеримой мощности (например, с дизельной установкой), сетевые, работающие параллельно с мощной энергостистемой.

Классификация ветроэнергетических установок 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 различных устройств для передачи мощности от вала ветроколеса к валу соответствующей машины ветроагрегата (потребителя) с повышением или без повышения частоты вращения мня ной машины. В современной ветроэнергетике чаше всего используют механический способ передачи мощности.

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.

Выпускаются и работают ВЭУ мощностью от нескольких ватт до тысяч киловатт. Выделяют 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 фундаметнта, способом установки ветроагрегата на ветер, системой регулировання, системой передачи ветровой мощности, способом монтажа и способом обслуживания.

Преимущественное распространение получили горизонтально-осевые ветроэнергетические установки.

На рис. 1 показана конструкция ветроэнергетической установки и общий вид ветроэлектростанции.

Рис. 1. Конструкция ветроэлектрической установки: 1 — ветродвигатель (ветроколесо), 2 — ветроголовка, 3 — генератор, 4 — редуктор, 5 — поворотная платформа, 6 — измерительное устройство, 7 — мачта ВЭУ содержит ветротурбину и электрогенератор, связанный с валом ветротурбины непосредственно или через редуктор.

ВЭУ содержит ветротурбину и электрогенератор, связанный с валом ветротурбины непосредственно или через редуктор.

Ветряная электрическая станция (ВЭС) состоит из нескольких ветроэлектрических установок, работающих параллельно и отдающих вырабатываемую электроэнергию в электроэнергетическую систему.

Измерительное устройство дает сигнал на поворот ветроголовки при изменении направления или силы ветра, а также регулирует угол поворота лопастей в зависимости от силы ветра.

Существуют ветроагрегаты на 500, 1000, 1500, 2000, 4000 кВт. Ветроагрегат на 500 кВт имеет: мачту высотой 40-110 м, ветроголовку массой 15-30 т, частоту вращения n = 20-200 об/мин, частоту вращения ротора генератора 750-1500 об/мин (редукторный привод) или 20-200 об/мин (прямоприводной агрегат).

В качестве генераторов в ВЭУ чаще используются асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором, которые отличаются от синхронных большей надежностью, простотой конструкции и меньшей массой, что необходимо для повышения надежности ветроэнергоустановки.

Ветроэнергетические агрегаты могут работать автономно или параллельно с энергетической системой. При автономной работе частота вращения ветродвигателя ВД не регулируется или поддерживается в пределах ±50 %, поэтому частота и напряжение на зажимах генератора непостоянны, т. е. вырабатываемая электрическая энергия некачественная, а потребители таких ВЭУ часто не предъявляют высоких требований к качеству (в основном нагревательные приборы). Для получения качественной энергии применяются стабилизаторы, состоящие из выпрямителя, инвертора и аккумулятора.

Мощные ВЭУ работают параллельно с энергосистемой (рис. 2). Эта параллельная связь обеспечивает постоянство частоты, напряжения и постоянство частоты вращения ветродвигателя. Мощность, которую генератор отдает в сеть, зависит от вращающего момента двигателя и определяется силой ветра.

Возможна совместная работа ВЭУ с сетью с соединением через промежуточный преобразователь частоты при переменной частоте вращения ветродвигателя.

При использовании асинхронного генератора ветродвигатель также может работать с меняющейся частотой вращения, а генератор отдает в сеть качественную электроэнергию. Для возбуждения асинхронный генератор потребляет из сети или от специальной конденсаторной батареи реактивную мощность, а синхронный — сам ее создает.

Рис. 2. Параллельная работа ветроэнергетической установки с мощной энергосистемой: ВД — ветродвигатель, Р — редуктор, Г — генератор, В — выпрямитель, И — инвертор, У — блок управления, ЭС — энергосистема

Особенности системных ветроэнергетических станций (ВЭС):

• Они располагаются в местах с высоким ветровым потенциалом.
• Имеют мощность энергоблоков: 1500-2000 кВт и более при континентальном базировании и 4000-5000 кВт при морском и прибрежном базировании.
• Используют генераторы асинхронные с короткозамкнутым ротором и синхронные (часто с возбуждением постоянными магнитами) с невысоким генераторным напряжением (0,50-0,69 кВ).
• Низкий КПД станции — 30-40 %.
• Отсутствие тепловой нагрузки.
• Высокая маневренность, но полная зависимость от погодных условий.
• Диапазон рабочих скоростей ветра от 3,0-3,5 до 20-25 м/с. При скорости ветра менее 3,0-3,5 м/с и более 20-25 м/с ВЭУ отключаются от сети и устанавливаются в нерабочее положение, а при восстановлении скорости ветра ВЭУ подключаются к сети и разгоняются с помощью генератора, работающего в двигательном режиме.
• Отсутствие отбора электрической мощности на генераторном напряжении (кроме собственных нужд).
• Передача электроэнергии потребителям на напряжениях 10, 35, 110, кВ.