Ветроэнергетика — история и перспективы развития. Принципы работы

Постепенное исчезновение ископаемых источников топлива, заставляет ученых придумывать другие способы получения энергии. Несмотря на то, что энергию ветра начали использовать более 5000 лет назад, популярность ветряные станции получили не там давно. Как человек сегодня использует ветер знают все – ветроэлектростанции, воздушные мельницы, полеты на дельтапланах и многое другое.

Ветряная энергетика — это развивающаяся отрасль, которая специализируется на изучении и использовании энергии ветра в повседневной жизни. Считается одной из самых перспективных отраслей альтернативного получения энергии.

С каждым годом строительство ветряных станций увеличивается, все больше стран инвестируют в разработку и исследование применения энергии ветра. Возможно, в ближайшем будущем, альтернативные экологичные источники полностью обеспечат людей энергией.

Принцип работы ветровой электростанции

Ветряные электростанции представляют собой несколько ветряных установок, объединенных между собой в единую сеть. Крупные станции могут включать в себя более 100 ветрогенераторов. Такие места получили название “ветряные парки”. Ветрогенераторы — это экологический способ добывать энергию в течение неограниченного времени.

Эффективным местом для установки ветровых электростанций являются участки с постоянным потоком ветра — холмистая местность, горы, прибрежные участки морей и океанов. По расположению выделяют следующие виды:

• наземные;
• прибрежные;
• плавающие;
• офшорные.

По типу конструирования можно выделить:

• роторные;
• крыльчатые.

Крыльчатые ветряные электростанция наиболее эффективные и получили широкое применение. Они способны вырабатывать достаточное количество энергии. На высокой мачте устанавливается чаще всего трехлопастной механизм, с горизонтальной осью вращения. Мощность вращения зависит от размера лопастей. Максимальная скорость вращения достигается в моменте, когда поток ветра идет перпендикулярно лопастям. Так как потоки ветра периодически меняют направление, то имеется автоматический блок управления

Роторные электростанции имеют вертикальную ось вращения. Плюсом данного вида является то, что они не издают шум, эффективность работы не зависит от направления потока ветра, поэтому станции не нужны дополнительные блоки управления. Но по сравнению с крыльчатыми электростанциями они менее эффективны.

Принцип работы любой ветряной электростанции одинаков. Поток ветра раскручивает ротор с лопастями, которые связаны с генератором. Чем больше размер лопастей, тем больший поток они захватывают и вращается с большей скоростью. Чем быстрее крутятся лопасти, тем больше энергии вырабатывается. Генератор преобразует движение в энергию и выводит на аккумуляторы. На выходе получается пригодная для использования энергия.

Ветровые машины на службе человека

Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть.

Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции, преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину — генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие — на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.

При планировании ВЭУ особое внимание надо уделить на углы поворота лопасти, от которого зависит подача ветра в генератор. Угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии.

Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

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.

Высота мачты имеет существенное значение для ветроэлектрических установок. Уже на высоте 9 м скорость ветра, как правило, на 15—25% больше, чем в 1,5 м от земли, а даже небольшой прирост средней силы ветра позволяет получить от станции намного больше электроэнергии.

По оценке ученых, существующие способы преобразования ветроэнергии в электрическую с помощью традиционных лопастных ветроэнергетических установок (ВЭУ) пока экономически неоправданны. Во-первых, из-за высокой пусковой скорости ветра (4-5 м/сек), высокой номинальной скорости (8-15 м/сек) и небольшой годовой производительности в условиях слабых континентальных ветров — 3-5 м/сек; во-вторых, стоимость ВЭУ составляет $1000-$1500 на кВт установленной мощности. Поэтому будущее ветроэлектрических станций зависит в первую очередь от затрат на их сооружение.

Глобальное распределение ветра

Чтобы правильно рассчитать место установки ветровой электростанции нужно учитывать много факторов. Регионам с высоким потенциалом считаются места, где средняя скорость ветра около 9 м/с. К таким местам относят Латинская Америка, Гренландия, западная и северная части Европы, Центральная часть Азии, Центральная часть Северной Америки.

Оценка ветровых ресурсов сложный процесс. Основные факторы, на которые обращают внимание:

• какие ветра преобладают;
• рельеф и высота местности;
• наличие водоемов, растительности, различных построек.

Большая часть суши не приспособлена для расположения таких станций. Стартовая скорость для выработки электроэнергии — это 4 м/с. Оптимальная скорость — около 10 м/с.

Как море или океан влияют на количество добываемого тока из ветрогенератора

Для эффективной работы ветряка важна не только сила ветра, но и его постоянный поток. Все мы знаем, что ветер — это поток воздуха у поверхности земли. Образуются эти потоки, из-за движения воздуха из области более низкого давления в более высокое. Так как земля нагревается быстрее, чем поверхность воды, то нахождение ветряков вблизи морей и океанов создает подходящую ветрогенерацию — здесь всегда образуются потоки ветра. Кроме обычных, есть и штормовые ветра, которые достигают скорости от 20 м/с.

Проведенные исследования подтверждают, построив ветряные парки в морях и океанов, вырабатываемая ветряками энергия могла бы обеспечить все нужды человечества. Кроме того, скорость ветра в океане больше примерно на 70%, чем на суше. Несмотря на то, что идея интересная, реализация ее сложная и требует больших инвестиций.

Сетевая схема подключения

Подключение таких систем целесообразно выполнять при большой мощности ветроустановки или довольно малой мощности потребителей. Такое подключение позволяет не только питать приемники электроэнергии от общественной сети, но и при излишней выработке энергии ветряной электростанции (солнечной электростанции или их комбинаций) продавать электроэнергию по так называемому «зеленому тарифу».

Виды ветрогенераторов

Ветрогенераторы — устройства, которые преобразуют кинетическую энергию, созданную потоком ветра, в механическую, а далее в электрическую.

Все ветрогенераторы можно разделить на вертикальные и горизонтальные. Свое название они берут из-за расположения оси вращения:

Вертикальные или “карусельные” ветряки

Данный тип ветряка имеет механизм с вертикальной осью вращения. Представляет собой:

• основной ротор, который воспринимает воздушный поток;
• редуктор;
• генератор;
• аккумуляторная батарея;
• инвертор.

Такие ветряки бесшумные и могут устанавливаться рядом с жилым домом, их работа не зависит от направления ветра — способны улавливать поток воздуха под любым углом, работа начинается с минимальных показателей силы потока ветра.

Горизонтальные

Ось ротора вращается параллельно земле. Ветрогенераторы такого типа имеют от одной лопасти. Их разделяют на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Для работы горизонтальных ветрогенераторов необходимо правильное направление ветра, поэтому продумана автоматическая регулировка.

Преимущество таких установок — большая эффективность работы. По сравнению с вертикальными они легче и меньше по габаритам.

Устройство и принцип работы

Любой ветряной генератор состоит из нескольких типовых укрупненных блоков. Агрегат обязательно содержит турбину, которая вращается под действием воздушного потока, непосредственно или чаще всего через повышающий редуктор передает создаваемый момент на вал электрического генератора. Ротор вращается внутри статора на основе неодимовых магнитов, в результате чего вырабатывается электрическая энергия.

Конструкция ветряного генератора небольшой мощности показана на рисунке 1.

Вырабатываемая ветряным генератором электрическая энергия поступает в промежуточный накопитель, функции которого обычно берет на себя аккумуляторная батарея. Ток, отдаваемый аккумулятором, питает инвертор, с выхода которого снимают нормальное 220-вольтовое переменное напряжение бытовой частоты.

Наличие аккумулятора обязательно, т.к. он позволяет сгладить колебания мощности, снимаемой с турбины. Свою роль в этом играет факт того, что бытовой ветряной генератор устойчиво функционирует при скорости ветра от 6 м/с и выше, тогда как среднегодовое значение этого параметра на большинстве территории России оказывается примерно в полтора раза ниже.

Необходимые переключения, регулировки и прочие функции реализует блок автоматики.

Соответствующий уровень эксплуатационной надежности достигается наличие у конструкции запасов по отдаваемой мощности (обычно 10 – 20%).

Как устроена ветровая электростанция

Современные ветряные станции имеют 3 лопасти, длина которых может достигать 55 метров.

Чтобы понять, как работает станция нужно знать как она устроена:

• Ветрогенератор. Основная его задача преобразовывать энергию в электричество. Состоит из винта и генератора переменного тока.
• Контроллер. Преобразует переменный ток в постоянный и регулирует обороты ветрогенератора.
• Аккумуляторы накапливают энергию во время работы ветряка.
• Инвертор, преобразует постоянный ток в бытовой, который поступает в дом для использования.

Особенности бытовых ветрогенераторов

Так как ветроэнергетика — это неисчерпаемый ресурс, то многие задумываются об установке ветряка у себя дома. Раньше ветровые генераторы использовались больше в промышленной сфере. Но с развитием этой технологии появились и бытовые модели.

Чаще всего их применяют в местах, где нет централизованной электросети. Современные установки на 3-5 генераторов, смогут полностью обеспечить дом энергией. Однако, перед тем как покупать ветряки, стоит изучить насколько эффективно они будут работать конкретной местности.

Обратите внимание! На рынке можно встретить ветродизельную электростанцию (ВДЭС), которая представляет собой комбинацию ветроэлектрических установок и дизельного генератора. ВДЭС кроме электроэнергии может производить и тепловую, что позволяет бесперебойно снабжать дом энергией.

Аккумуляторные батареи

Как их часто еще обозначают АБ или АКБ – накапливают выработанную ветрогенератором электроэнергию. Их главной задачей есть хранение энергии в промежутке между ее выработкой и потреблением. Если емкость аккумуляторной батареи будет мала, то она быстро зарядится и последующая выработка энергии будет бессмысленна, так как хранить ее будет негде. При питании от такой батареи потребителей возникнет обратная ситуация – она слишком быстро разрядится, соответственно не позволит питать от нее нагрузку длительное время. Поэтому следует выбирать аккумуляторные батареи большой емкости, для устранения перечисленных выше недостатков. Если купить аккумуляторы огромной емкости, то они никогда не будут заряжаться на полную емкость. Также емкость аккумуляторов влияет на их стоимость и габариты. При длительном хранении электрической энергии аккумуляторные батареи саморазряжаются, что также нужно учитывать. Поэтому для правильного выбора данных устройств необходимо проанализировать все варианты, чтоб подобрать наиболее оптимальный вариант именно для вашей системы, в зависимости от требований, которые вы задаете для вашей системы.

Емкость аккумуляторной батареи

Емкость должна быть такой, чтоб при работе солнечной или ветряной электростанции при максимальной мощности заряда (или потребления) электроэнергии заряд – разряд аккумуляторной батареи должен составлять не менее 10 часов (что является обязательным условием для AGM, кислотных, щелевых, гелевых и свинцовых батарей). Как пример, если мощность ветряка будет 5 кВт, то емкость аккумулятора должна составить не менее 50 кВт-часов.

Мощности промышленных станций

Ветроэнергетика как отрасль основывается на применении мощных производственных ветровых турбин, которые могут обеспечить энергией в больших масштабах. Все ветрогенераторы имеют схожую конструкцию:

• опорная башня или мачта;
• гандола
• генератор турбины.

Размеры таких станций могут достигать в высоту до 190 метров в и весят до 6000 тонн. Одна из самых габаритных установок в мире — Enercon E-126, имеет размах лопасти 128 метров.

Расчет лопастного ветрогенератора

Мощность устройства можно рассчитать по следующей формуле:

P=0,6·(¶r2)v3 где,

P – расчетная мощность, кВТ;

r – расстояние от центральной точки ротора до конца лопасти, м;

v – средняя скорость, м/с;

¶=3,14.

Большое значение в конструировании имеет размер лопасти, форма, материал из которого изготовлена.

Расчет мультипликатора

Самый мощный ротор может дать около 400 оборотов в минуту, но для эффективной работы, число оборотов должно быть в 2,5 раза больше. Для этого устанавливаются мультипликаторы — промежуточные звенья между ротором и генератором, которое повышает частоту вращения вала. Чтобы обеспечить эффективную работу генератора, нужен мультипликатор с большим коэффициентом повышения.

Мачта

Мачта — один из важнейших элементов конструкции ветрогенератора. Высота мачты зависит от места установки. Основные правила установки:

• Мачта ветрогенератора должна находиться не ближе, чем на 150 метров от насаждений и жилых построек, а лучше на расстоянии от 2,5 километров.
• Нижний край лопасти должен находится не ниже, чем 10 метров от верхушки деревьев.

Чтобы ветрогенераторы работали в полную мощность, минимальная высота их установки начинается от 25 метров. Чаще всего высота мачты 70-110 метров

По типу опоры различают:

• на растяжках;
• коническая;
• сварная;
• гидравлическая.

Мачта устанавливается на фундамент, от которого зависит надежность конструкции. Для начало выкапывают котлован и слоями укладывают щебень и песок. После утрамбовки устанавливают основу мачты и заливают бетоном. После заливки, фундаменту нужно время отстояться 4-5 недель. Только после этого продолжается работа по установки мачты.

Вертикальные ветрогенераторы имеет другую конструкцию. Для них не требуются высокие опоры, а мачта представляет собой разборную конструкцию высотой до 6 метров, которая монтируется на крыше зданий.

Расчет энергии ветра

Энергия ветра — это кинетическая энергия потока воздуха. Этот показатель измеряется в джоулях. Рассчитать можно по следующей формуле:

P = r · V3 · S/2, где r – показатель плотности воздуха (1,225 кг/м3), V – значение, отражающее с какой скоростью движется поток (м/с), S – площадь потока (м2).

При расчете важно учитывать потери и КПД генератора.

Для получения точных результатов, нужно знать показатели местности. Где предполагается поставить ветрогенератор.

Ветроэнергетические установки

Ветроэнергетические установки

Определения

Общие характеристики

Доля ВЭУ в энергетике

В России:

— по состоянию на 2009 год суммарная мощность ВЭУ составляла 17-18 МВт [53], мощность ВЭУ присоединенного Крыма – 59 МВт [53];

— доля в общем производстве электроэнергии в России – менее 0,1% (2010) [20].

В мире:

— общая мощность – 432 ГВт (начало 2016) [53];

— доля ветроэнергетики в мировом производстве электроэнергии составляет 3% (2014) [53].

В странах:

— в Китае 75 324 МВт (конец 2012, мировой лидер) [54];

— в Дании: 42% от всей вырабатываемой электроэнергии (2015) [53].

Назначение ВЭУ

4.3.1. ВЭУ постоянного тока [35]

1) Ветрозарядные ВЭУ.

Назначение

: заряд АБ.

Особенности: ВЭУ постоянного тока могут иметь несколько АБ (когда одна АБ питает нагрузку, другая заряжается); обычно безредукторные (быстроходные ветроколеса).

2) ВЭУ гарантированного питания, работающие параллельно с АБ.

Назначение

: электропитание потребителей и заряд АБ; для системы в целом — гарантированное снабжение электроэнергией потребителей

Особенности: в зависимости от изменения скоростей ветра и внешней нагрузки системы автоматического управления переводят ВЭУ и систему в целом в один из следующих режимов:

— ветроагрегат (ВА) питает внешнюю нагрузку без АБ;

— ВА заряжает АБ без внешней нагрузки;

— ВА заряжает АБ и одновременно питает внешнюю нагрузку;

— ВА и АБ работают параллельно на внешнюю нагрузку;

— АБ питает внешнюю нагрузку без ВА.

3) ВЭУ негарантированного питания (без АБ).

Назначение

: Электропитание маломощных потребителей в местах с устойчивыми ветрами и в экстремальных условиях.

Особенности: во всех случаях установки этого типа должны иметь системы регулирования частоты вращения ВК[1]; мощность от нескольких десятков до нескольких сотен ватт; мощность внешней нагрузки регламентируется — она не должна превышать номинальную мощность ветрозарядного ВЭУ[1]; работают без АБ вместе с блоком управления, обеспечивающим стабильное напряжение на выходе; безредукторные (ветроколесо устанавливают непосредственно на вал генератора).

4.3.2. ВЭУ переменного тока [35]

1) Автономные ВЭУ.

Назначение

: электропитание потребителей, не связанных с электрической сетью.

Особенности: малая мощность (0,1÷1 кВт); низкое значение коэффициента использования установленной мощности [35]; в состав системы входит аккумулятор.

Особенности конструкционной части ВЭУ

Типы ветродвигателей

Лопасти

Число лопастей

: от 1 до 50 (и более) [22].

В однолопастных ветроколесах для уравновешивания лопасти используется контргруз. Узлы однолопастного ветряка (подшипник, редуктор, электромашина) испытывают несимметричную нагрузку при каждом обороте. Увеличение количества лопастей дает наряду с повышением мощности сравнительное смягчение работы [24].

От числа лопастей зависит частота вращения ветроколеса (Раздел 4.9.1) и момент на валу (Раздел 4.10). Мощность от числа лопастей практически не зависит (Раздел 4.6.3).

Чем больше число лопастей, тем больше парусность конструкции, сложнее механизм поворота лопастей (Раздел 4.15.1), вывода их из-под шторма (Раздел 4.6.2).

Рекомендация [24]: рациональное число лопастей в ВЭУ с диаметром D

вк до 60 метров – 3 лопасти, с
D
вк свыше 60 метров – 2 лопасти.

Размеры

: диаметр окружности, очерчиваемой концами лопастей (
диаметр винта
), у мощных ВЭУ (1 МВт) может превышать 50 метров [4].

Рекордный размах лопастей – 150 метров (ветрогенератор Haliade 150

) (Раздел 4.22.2).

Масса лопасти

: может превышать 1000 кг [4]

Материал

: лопасти должны быть легкими и в то же время достаточно прочными. Они делаются из дерева, стали, фибергласа [22], из стекловолокна и углепластика [12].

Фиберглас – это материал, состоящий из стеклянного наполнителя (волокна) и синтетического полимерного связующего. Для фибергласа характерно сочетание высокой прочности и сравнительно низкой теплопроводности. Этот материал не деформируется и устойчив к действию химикатов, воздуха и воды.

Высота башни (мачты)

По отношению к ветру

, чем выше высота мачты, тем:

— в меньшей степени ослабляют скорость ветра растительность и строения;

Лопасти должны возвышаться над окружающими препятствиями, находящимися в радиусе 100 м, минимум на 10 м. Считается, что 15 м — это минимально возможная высота установки [4].

— в меньшей степени проявляется эффект торможения нижележащих слоев воздушного потока о вышележащие (проявление этого эффекта резко снижается на высотах больше 100 метров) [50];

В некоторых районах сила ветра увеличивается на 20% и, соответственно, энергетическая выгода на 34% при повышении на каждые 10 метров [17].

Чем больше размер лопастей, тем выше должна быть башня [4].

У крупных ВЭУ высота башни составляет 80÷120 метров [12]. Рекордная высота – 198 метров (при мощности ВЭУ – 6 МВт) [12]

Максимальная высота башни ограничивается пределом прочности материалов, используемых в конструкции башни [4].

Сложность конструкции башни (особенно при больших мощностях ВЭУ) требует её грамотного проектирования. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.

Расположение генератора

а) Наверху на мачте, в гондоле ветроустановки (имеющей у крупных ВЭУ размеры двухэтажного дома) [12].

б) Внизу. В этом случае в системе используется вертикальная трансмиссия

и нижний передаточный механизм [10].

в) По принципу дирижабля (экзотика).

Компания Altaeros Energies в рамках демонстрационного запуска развернула ветровую турбину под названием BAT (buoyant airborne turbine) на высоте 300 метров, что на 83 метра выше самого высокого в мире ветрогенератора Vestas V164-8.0 МВт. Ветрогенератор имеет внешнюю оболочку заполненную гелием, что позволяет без проблем поднять его на большую высоту, где скорость ветра постоянная и высокая. Эта технология позаимствована у дирижаблей, которые использовались человечеством продолжительное время. К земле установка крепится с помощью прочных тросов. В 2013 году компания Altaeros Energies уже проводила успешное тестирование ветрогенераторов на высоте 150 метров при скорости ветра 20 м/с [57].

4.5. Процесс преобразования энергии в ВЭУ

Что мы имеем на входе ветроколеса?

Кинетическую энергию ветра:

W

к=
mv
2/2, (4.1)

где m –

масса воздуха, используемого ветроколесом,
v
– скорость движения воздуха.

Масса воздуха, проходящая каждую секунду через площадь S

вк, охваченную лопастями:

m

=ρ
V
=ρ
vS
вк (4.2)

Площадь, охваченная лопастями (S

вк=0.25π
D
2, где
D –
диаметр, описываемый концами лопастей), называется также
ометаемой площадью
.

Подставив (4.2) в (4.1), получим выражение для кинетической энергии ветра, которую ежесекундно мы пытаемся использовать при работе ВЭУ (мощность ветра, другими словами):

W

к=ρ
v
3
S
вк /2 (4.3)

Только часть этой энергии (W

в) удается с помощью ветроколеса преобразовать в механическую энергию вращения вала. Степень использования энергии характеризуется
коэффициентом использования энергии ветра
:

k

ис=
W
в/
W
к (4.4)

Выходная мощность ВЭУ (то есть выходная мощность генератора) может быть рассчитана с учетом КПД генератора ηг:

Р

вых = ρ
v
3
S
вк
k
исηг/2 (4.5)

Скорость ветра

Скорость ветра существенно влияет на количество электроэнергии, выработанной ВЭУ.

95% всей энергии российского ветра

заключена в диапазоне скоростей от 4 до 12 м/c (при скоростях ниже – ничтожна мощность, более высокие скорости – редки) [16].

ВЭУ рационально использовать в местности, где среднегодовая скорость ветра составляет не менее 3,5 м/с [15].

Рабочий диапазон скоростей ветра для ВЭУ: от 3 [4] до 25 м/с [15]. Малые ВЭУ могут работать и при скорости ветра меньше, чем 3 м/сек [4].

Большинство ВЭУ достигают своей номинальной мощности при скорости ветра около 7-10 м/с [15]. Для России скорость, на которую должен быть рассчитан бытовой ветряк для получения максимума мощности, можно принимать 5 м/с [16].

Большие скорости ветра могут привести к разрушению ВЭУ. При скорости ветра выше допустимой ветроколесо останавливается с помощью системы автоматического перевода лопастей во флюгерное положение

[15].

Самая большая скорость ветра над поверхностью земли была зарегистрирована 8 марта 1972 года на базе ВВС США в Туле (Гренландия) – 92,5 м/с (44 м над уровнем моря). Во время московского урагана 1998 года скорость ветра достигала 26 м/с.

4.6.3. Площадь S

вк, охваченная лопастями, и число лопастей

Механическая мощность ветроколеса (и электрическая мощность ветрогенератора при прочих равных условиях) пропорциональна площади S

вк, охваченной лопастями, то есть
квадрату диаметра D
вк, описываемому концами лопастей.

С другой стороны:

1) Увеличение размера лопастей ветроколеса приводит к увеличению механических нагрузок на элементы конструкции, что повышает стоимость ВЭУ [4].

2) По оценкам одного из советских конструкторов ветродвигателей В.П.Ветчинкина, пропорционально кубу диаметра D

вк возрастает стоимость ВЭУ [16].

Число лопастей практически не влияет на мощность на валу ветроколеса (а, следовательно, и на выходную мощность ВЭУ) [10].

4.6.4. Коэффициент использования энергии ветра k

ис и угол атаки

Коэффициент использования энергии ветра k

ис не имеет отношения к КПД
ветрогенератора
ηг.

Коэффициент использования энергии ветра характеризует отношение механической энергии, снимаемой с ветроколеса, к кинетической энергии ветра, захватываемого этим ветроколесом:

k

ис=
W
в/
W
к

Выделим два фактора, определяющих значение коэффициента использования энергии ветра:

а) тип ветродвигателя;

б) угол атаки.

Тип ветродвигателя

Крыльчатое ветроколесо: 0,593 (максимально возможное значение); 0,49÷0,52 [15]; 0,45-0,48 [25]; 0,43 [16] (максимальные достигнутые на практике значения).

Ветроколесо карусельного и барабанного типа: 0,192 (максимально возможное значение) [25]; 0,15-0,18 [10] (максимальные достигнутые на практике значения).

Максимально возможный коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса был рассчитан Николаем Егоровичем Жуковским (статья «Ветряная мельница типа НЕЖ. Статья третья», 1920).

Как получилось это число? В ветряк попадает 2/3 набегающего потока, находящегося в площади, ометаемой ветроколесом (1/3 отклоняется); в идеальном случае скорость отходящего потока составляет 1/3 от скорости входящего (т.е. 1/9 часть энергии уносится с отходящим потоком): 2/3*8/9=0,593 [24].

Мощность ВЭУ

Уровень мощности ВЭУ

Согласно ГОСТ Р 51990-2002 ВЭУ в зависимости от мощности подразделяют на четыре группы:

— большой мощности — свыше 1 МВт;

Самый мощный ветрогенератор из существующих имеет мощность 7,58 МВт (Раздел 4.21.2).

— средней мощности — от 100 кВт до 1 МВт;

— малой мощности — от 5 до 99 кВт;

— очень малой мощности — менее 5 кВт.

Тенденция

: рост единичной мощности ВЭУ.

Ветрогенератор мощностью 6 МВт выгоднее двух генераторов мощностью 3 МВт. Экономия достигается, в частности, на установке и на обслуживании [44].

Максимальный уровень мощности ВЭУ ограничивается

следующими факторами:

— максимально возможными размерами лопастей, которые, в свою очередь, ограничиваются механической прочностью и затратами на ее обеспечение;

Размер лопастей – один из главных факторов, определяющих мощность ВЭУ при фиксированном ветре.

— затратами на транспортировку и монтаж.

Американские специалисты считают, что при мощности больше 3,6 МВт затраты на транспортировку и монтаж будут чрезмерно высоки и не оправдают экономии на укрупнение агрегата [34].

КПД ветрогенератора

КПД ветрогенератора зависит от мощности и от ряда других факторов. В приведенных примерах ветрогенераторов небольшой мощности (Раздел 4.20) значение КПД составляет от 74 до 95%.

4.9. Частота вращения ветроколеса n

вк

Частота вращения ветроколеса (при фиксированной скорости ветра) будет тем ниже, чем:

— больше число лопастей (создают помехи друг другу) [4], [5];

— больше ширина лопастей [5];

— чем больше угол поворота лопастей относительно плоскости вращения [5].

Быстроходность ветроколеса

Одной из характеристик ветрогенераторов является быстроходность ветроколеса Z –

отношение окружной скорости движения внешнего конца лопасти к расчетной скорости ветра.

,

где w

– угловая скорость вращения ветроколеса (рад/с),
R
— радиус лопасти.

Для современных ветроколес эта цифра лежит в пределах от 4 до 12 [15].

В иностранной литературе быстроходность принято обозначать буквой λ [24].

Момент на валу ветроколеса

Выражение для момента

В Разделе 4.6.3 было сказано, что мощность на валу ветроколеса Р

в практически не зависит от числа лопастей.

В Разделе 4.9.1 было сказано, что частота вращения n

вкс увеличением числа лопастей уменьшается.

Момент можно выразить из формулы для мощности ветроколеса:

Р

вк=
М
Ωвк, (4.7)

где Ω= πn

вк/30 – угловая скорость ветроколеса.

М

=30
Р
вк/(π
n
вк) (4.8)

Анализ формулы (4.8) показывает, что многолопастные тихоходные ВЭУ обладают другим важным качеством — большим моментом М

. Это свойство используется для непосредственного привода механизмов, например, водяных насосов для подъема воды [5].

Именно момент на валу определяет массу и размеры генератора, а также во многом – массу и размер вала

и других элементов конструкции, например, гондолы и мачты [16].

Стартовый момент

Стартовый момент (момент страгивания) – это момент на валу, который необходимо сообщить ветроколесу, чтобы оно стронулось с места из начального неподвижного состояния.

Большой стартовый момент имеют многолопастные тихоходные ветроколеса [24].

Малый стартовый момент имеют малолопастные быстроходные ветроколеса [24].

Качество страгивания можно улучшить принудительной системой поворота лопастей [24].

Частота вращения генератора

Напряжение

Постоянное (для малых мощностей от 100 Вт до 1…3 кВт) и/или переменное [7].

Малые ВЭУ (мощностью 0,1…1 кВт, работающие на аккумулятор) — постоянное напряжение от 14 до 28 В, которое впоследствии может инвертироваться в 220 В переменного тока [4].

Переменное напряжение 230 В, 50 Гц [5].

В случае потребителей электроэнергии с напряжением с различными параметрами используется разветвленная система электроснабжения с вторичными источниками электропитания, представляющими собой преобразователи электроэнергии.

Крупные ВЭУ, работающие на энергосистему, в основном вырабатывают электроэнергию с напряжением 690 В. Трансформатор повышает напряжение еще выше — до 10-30 кВ [4].

Типы генераторов

В составе ВЭУ используются трехфазные генераторы переменного тока.

— классические синхронные генераторы с ОВ на роторе (питание ОВ осуществляется в режиме самовозбуждения);

— синхронные генераторы с возбудителем и вращающимся выпрямителем (в ВЭУ мощностью более 15 кВт);

— индукторные генераторы с неподвижной обмоткой возбуждения;

— синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов;

— асинхронные генераторы (основной генератор ВЭУ до 2000 года [23]);

— синхронизированные асинхронные генераторы (САГ) (Раздел 13.3).

Пример: ВЭУ Growian мощностью 3МВт в Германии [31].

Все эти генераторы применяются и в других электроэнергетических установках, поэтому об особенностях, достоинствах и недостатках различных типов генераторов будет сказано в рамках отдельного раздела (Раздел 13).

Варианты стабилизации частоты напряжения

Как правило, к выходному напряжению ВЭУ предъявляются требования по стабильности частоты.

Заметим

, что не все потребители критичны к изменению частоты: например, осветительные приборы, электронагревательные элементы, двигательная нагрузка (когда не требуется стабильная частота вращения). В отдельных областях применения (сельскохозяйственные установки) такие потребители составляют 90% суммарной мощности [5].

1) Стабилизация частоты вращения генератора, а следовательно, и частоты напряжения генератора: f

г=60
n
г/
p
.

Частота вращения n

вк при прочих равных условиях зависит от скорости ветра и от момента сопротивления на ветроколесе. Момент сопротивления на ветроколесе зависит от нагрузки генератора.

а) Воздействие на ветроколесо, например, путем изменения угла поворота рабочих лопастей αл (угол атаки) (pitch control) [23].

Для изменения угла атаки используются гидравлическая и механическая системы поворота лопастей, существенно усложняющие установку.

Предположим

, что изменилась мощность нагрузки генератора, т.е. изменилась мощность (момент) сопротивления турбины. За счет изменения αл можно выровнять моменты – момент, развиваемый турбиной, и момент сопротивления. Равенство моментов, согласно уравнению движения:

М

–
М
с=
cJdn
/
dt
(4.10)

не приведет к изменению частоты вращения.

Из-за меньшей плотности воздуха возможности такого управления существенно меньше, чем в случае гидротурбин [5].

Еще одним недостатком такого способа регулирования является большая инерционность [5].

Отметим

, что такие ветроколеса должны быть оснащены специальными подшипниками, которые часто являются причиной поломок агрегатов.

Более точно было бы сказать, что этот способ направлен на регулирование мощности на валу генератора. При скорости ветра v

<
v
p (
v
p выбирается около 1,7 от средней скорости ветра, но не более 13…14 м/с) система регулирования в действие не вступает, и ветродвигатель работает с переменной мощностью. При
v
>
v
p с помощью системы регулирования мощность поддерживается почти постоянной [10].

б) Использование редуктора с переменным передаточным отношением i

(система SPG – Super Position Gear):
n
г(const)
= i
(var)
· n
вк (var).

SPG – это механическая система (планетарный дифференциал), которая использует гидравлические компоненты и полностью заменяет дорогое силовое электронное оборудование. Часто действует в комбинации со способом 1,а

[32].

Впервые этот способ был успешно испытан на экспериментальной ВЭС LS1 (Великобритания, Оркнейские острова, 1987). Тот же принцип используется на ветростанции мощностью 2 МВт чешской фирмы Wilkov Wind [32].

в) Регулирование нагрузки генератора. Наряду с полезной нагрузкой используется балластная нагрузка. Тем самым предотвращается превышение скорости. Более высокое быстродействие [5].

Балластная нагрузка – бесполезная нагрузка (сопротивление), которая при необходимости подключается на выходные клеммы генератора, изменяя, тем самым, его ток, и как следствие, момент на его валу, являющийся для ветроколеса моментом сопротивления.

Например, в момент, когда АБ полностью зарядилась, регулятор «отключает» заряд, чтобы батарея не перезарядилась, в то же время поддерживая нагрузку на генераторе переменного тока для предотвращения ускорения.

Следует отметить

, что удержание ветроколеса на постоянной скорости снижает его КПД [23].

2) Стабилизация частоты напряжения при изменяющейся частоте вращения (применение электрических преобразователей частоты).

а) Преобразователь частоты со звеном постоянного тока («выпрямитель» — «инвертор») (более распространен).

б) Непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) (циклоконверторы).

в) Применение синхронизированных асинхронных генераторов с преобразователем частоты в цепи ротора.

Передача электроэнергии

Вопрос передачи энергии для ВЭУ становится проблемой в случае расположения их на морском побережье (иногда в десятках километров от берега). Для передачи вырабатываемой электроэнергии в этом случае требуются подводные кабели.

Два варианта:

а) Передавать энергию переменного трехфазного тока.

Достоинство: не требуются дополнительные преобразователи электроэнергии.

Недостаток: повышенные потери (подводные кабели обладают ёмкостью); сложнее решается вопрос синхронизации полученной энергии с сетью.

б) Передавать электроэнергию постоянного тока высокого напряжения.

Достоинство: меньше потери.

Недостаток: потребуются дополнительные преобразователи электроэнергии из вырабатываемого переменного тока в постоянный (большой мощности).

При небольших расстояниях энергию передают прямо от ветрогенераторов в виде трехфазного переменного тока. Однако при расстоянии уже в 80 км потери энергии становятся слишком велики [46].

Пример

. Немецкая компания TenneT TSO планирует построить в Северном море, на расстоянии от 60 до 160 км от побережья, несколько
оффшорных
ветропарков, до сотни ветряков каждый, и соответствующее количество преобразователей, размещенных на оффшорных морских платформах. Самая большая из строящихся платформ (SylWin alpha) имеет в длину 82 м, в ширину 56 м и в высоту 80м и рассчитана на преобразование 864 МВт [46].

4.17. Частные показатели качества (критерии сравнения) ВЭУ [15]:

— безопасность эксплуатации ветрогенератора;

— коэффициент использования ветра;

— годовое количество энергии, вырабатываемое в год при заданной среднегодовой скорости ветра;

— соотношение стоимости ветрогенератора к годовой выработке электроэнергии;

— необходимая периодичность сервисного обслуживания;

— надежность работы, характеризуемая, в частности, сроком гарантийного обслуживания.

Достоинства ВЭУ

1) Затраты, связанные с эксплуатацией ВЭУ (обслуживание, ремонт, запчасти), ниже, чем у дизель-генераторной установки (ДГУ). Нет необходимости в обеспечении топливом, а ветер, как источник энергии ничего не стоит [4].

Следует отметить, что по сравнению с ДГУ первоначальная стоимость ВЭУ выше, и это недостаток ВЭУ [4].

2) При использовании энергии ветра нет вредных выбросов в атмосферу (как в ТЭС), нет опасных радиоактивных отходов (как в АЭС) [4].

Ветроустановка мощностью 1 МВт в течение 20 лет позволяет заместить примерно 29 тыс.т угля c соответствующим сокращением выбросов углекислого газа и других веществ в атмосферу [26].

3) Стоимость 1 кВт установленной мощности намного ниже, чем у ФЭП, и сравнима с микроГЭС.

4) Ветровые ресурсы, по сравнению с солнечными, распределены достаточно равномерно в течение года и в течение дня.

5) Автономность ВЭУ.

По сравнению с микроГЭС, ВЭУ можно разместить недалеко от объекта энергоснабжения, в то время как расположение микроГЭС привязано к реке.

6) По сравнению с ФЭП производство ВЭУ не требует высокотехнологичного оборудования.

Недостатки ВЭУ

1) Нестабильность скорости ветра.

Это приводит к значительным изменениям мощности ветродвигателя и, как следствие, невозможности надежного питания электроэнергией номинального состава потребителей без использования других источников электроэнергии.

Выход и необходимость

: использование аккумулирующих устройств и резервных источников электроэнергии.

На каждую тысячу «ветряных» мегаватт нужно иметь в запасе в среднем 400 МВт резервной мощности, способной быстро включиться в штиль и так же быстро исчезнуть с попутным ветром. Для «обычной» энергетики нормативный резерв маневренной мощности вчетверо меньше [19].

2) Низкая плотность воздуха.

У воды плотность в 800 раз больше — около 1000 кг/м3. Низкая плотность не позволяет взять от ветра большую мощность (когда мы будем говорить о мощностях ВЭУ, вы сможете сравнить ее с мощностью ГЭС). Чтобы получить хотя бы относительно большую мощность требуются ветроколеса больших размеров (в сотни раз больше колеса гидротурбины такой же мощности) [7].

3) Низкая степень использования земли у ВЭС.

Крупные ВЭС состоят из нескольких рядов ВЭУ, располагаемых перпендикулярно потоку ветра.

Цель:

исключить негативное влияние соседних ВЭУ, входящих в состав ВЭС, друг на друга, вследствие создаваемой ими турбулентности.

Требования, обеспечивающие достижение цели

.

Соседние ВЭУ должны устанавливаться на расстоянии 5÷15 диаметров ротора друг от друга [4]. Расстояние между опорами в ряду составляет 4 диаметра ротора, а между рядами – 10 диаметров ротора. В среднем на каждый 1 МВт мощности ВЭС должна приходиться площадь 20 га [34].

Мегаваттные машины должны быть разделены расстоянием в полтора километра [4].

Следствие

. Только 1% земли, занятой под ВЭС, реально используется под установку башен. Территория между ВЭУ не может использоваться ни под строительство зданий, ни под лесоводство [4].

4) ВЭУ, в отличие от ФЭП, содержит движущиеся элементы; надежность каждого механизма ограничена и зависит от профессионализма его разработчиков и производителей [4].

Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высоте более 100 метров является сложным и дорогостоящим мероприятием [50].

5) Высокий уровень шума (от лопастей и механической передачи).

Для ВЭУ мощностью 850 кВт уровень шума на уровне оси ветроколеса в непосредственной близости составляет 104 дБ. По мере удаления от ВЭУ уровень шума снижается и на расстоянии 300 м составляет 42-45 дБ (на оживленной улице наши уши страдают больше) [11].

По требованиям ГОСТ Р 51991-2002 уровень звука, создаваемый одиночной ВЭУ на расстоянии 50 м от ветроагрегата и на высоте 1,5 метров не должен превышать 60 дБА (а в жилых и общественных помещениях вблизи ВЭУ – во всех случаях). Уровень инфразвука ограничивается 100 дБ [37].

6) Излучение инфразвука [14]. Низкочастотная вибрация, передающаяся через почву [20].

Инфразвук (от лат. infra — ниже, под + звук) — упругие волны с частотой ниже звуковых волн. Звуковые волны – волны, которые могут восприниматься человеческим ухом. Их частота составляет приблизительно от 20 Гц до 18-20 кГц. Таким образом, инфразвук – это волны с частотой ниже 16-25 Гц [14].

Инфразвук вредным образом действует на центральную нервную систему и может вызвать тревогу, страх, головокружение, усталость и т.п. Инфразвук частотой 6-7 Гц может привести к остановке сердца или разрыву кровеносных сосудов.

7) Мощность ВЭУ относительно мала.

ВЭУ создают помехи в работе теле- и радиоаппаратуры [22].

Когда на Оркнейских островах в Великобритании в 1987 году установили экспериментальный ветродвигатель, от жителей ближайших населенных пунктов начали поступать жалобы на ухудшение телевизионного сигнала. Выяснилось, что помехи создавали стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски для отвода ударов молний. Сами же лопасти, сделанные из стеклопластика, распространению телесигнала не мешали.

9) В США строительство ряда ветропарков было заблокировано из-за того, что аэродромные радары зачастую путали их вертящиеся лопасти с летящими самолетами. Для борьбы с этим в новых ветряках башню покрывают специальным поглощающим материалом, а в лопасти включают прозрачные для радиоволн композитные материалы [30].

10) Возможность попадания в лопасти птиц [4].

Места для установки ВЭУ должны быть выбраны в стороне от традиционных путей перемещения перелетных птиц. Во избежание случаев гибели птиц на эксплуатируемые ВЭУ должны быть установлены акустические маяки, отпугивающие птиц [37].

11) В зимнее время возможно обледенение лопастей и снижение эффективности работы ВЭУ.

12) Влияние большого числа ВЭУ на климат

Ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии ветра, что приводит к снижению его скорости. При массовом использовании ветряков (например, в Европе) снижение средней скорости ветров способно сделать климат региона чуть более континентальным за счет того, что медленно движущиеся воздушные массы успевают сильнее нагреться летом и охлаждаться зимой. Также отбор энергии у ветра может способствовать изменению влажностного режима прилегающей территории. Учёные пока только разворачивают исследования в этой области [50].

Накопление энергии

Недостаток ВЭУ, связанный с нестабильностью ветра, требует использования в составе системы аккумулирующих устройств.

Кроме традиционных вариантов, можно выделить следующие:

а) Система двух резервуаров, один из которых залегает ниже другого. В ветреные дни производимое электричество можно использовать для питания электродвигателя, приводящего в действие насос, закачивающий воду из нижнего резервуара в верхний. А когда ветрогенератор бездействует, достаточно открыть перемычку, и вода устремится из верхнего резервуара в нижний, вращая по пути турбину, которая будет давать электроэнергию [22].

б) Избыточное электричество расходуется на питание электродвигателя, который раскручивает маховик. Запасенная механическая энергия используется после перевода электрической машины в генераторный режим.

в) Использование ветровой энергии для электролиза воды — получения водорода и кислорода из воды. Водород — идеальное топливо, которое может заменить любой тип горючего. Теплота его сгорания втрое выше, чем у бензина. Если в ветреные дни создать достаточный запас водорода, его можно транспортировать в любое место по газопроводам, а затем – использовать в топливных элементах [22].

г)

Рис. 4.7. Обобщенная функциональная схема ВЭУ

ВК – ветроколесо, преобразующее энергию ветра в механическую энергию вращения вала ветродвигателя.

МП — мультипликатор. Может отсутствовать.

Т – тормоз. Служит для отключения генератора от ветроколеса.

Г – генератор переменного тока, основной ЭМП.

Из перечисленных нами вариантов генераторов на схеме показан бесконтактный двухмашинный агрегат с возбудителем и вращающимся выпрямителем.

Выходное напряжение генератора поддерживается стабильным в данном случае за счет изменения тока возбуждения возбудителя.

Для обеспечения стабильной частоты напряжения генератора могут использоваться следующие устройства:

— механическая система регулирования частоты (МСРЧ), которая воздействует на угол поворота лопасти по отношению к ветру (угол атаки); при чрезмерной скорости ветра лопасти разворачиваются во флюгерное положение;

— электрическая система регулирования частоты (ЭСРЧ), в которой частота вращения генератора поддерживается постоянной за счет изменения электромагнитного момента (балластная нагрузка) – момента сопротивления вращению вала ветроколеса.

На обобщенной функциональной схеме представлены три вида потребителей:

— постоянного тока (получаем, преобразуя переменное напряжение генератора через трансформаторно-выпрямительный блок ТВБ);

— переменного тока нестабильной частоты (П~нсч) (напрямую от генератора, подходит для электроотопительной и осветительной системы);

— переменного тока стабильной частоты (П~сч) (получаем после преобразования в статическом преобразователе частоты со звеном постоянного тока: «выпрямитель-инвертор»).

Для обеспечения бесперебойного питания, совместно с ВЭУ, могут работать дизель-генераторные установки (ДГУ), солнечные батареи (СБ), химические источники тока (ХИТ).

Наряду с аккумулированием электрической энергии, вырабатываемой генератором, можно аккумулировать (накапливать) механическую энергию вращения ветроколеса, например, с помощью маховика или сжатого газа [7].

Система электроснабжения, состоящая из ВЭУ и АБ, называется ветроэнергетической станцией.

4.21. Пример кинематической схемы ВЭУ [43]

Ветроколесо и генератор соединяются часто через сложную механическую передачу. Один из примеров кинематической схемы ВЭУ приведен на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Пример кинематической схемы ВЭУ

Основные элементы: 2 – ветроколесо; 3 — лопаст

Ложные теории

Самые распространенные мифы про ветроэнергетику:

1. Ветряки убивают птиц. Сложно отрицать, что птицы иногда врезаются в лопасти или мачту ветрогенератора и погибают. Но не меньше птиц погибает от электропроводов. По статистики больше всего умирает птиц из-за нападения кошек.
2. Самый распространенная ложная теория — это то, что шум от ветряного генератора может негативно сказаться на здоровье человека, в том числе дать осложнения на органы слуха.
3. Не экологичный источник, так как рост количества ВЭС увеличивает выброс углекислого газа. Да, но в сравнение с угольными или газовыми электростанциями этот показатель в 50 раз меньше.
4. Безработица. Ходит мнение, что получение энергии таким способом сократит рабочие места, однако этот миф легко развеять. В любом развивающемся секторе не может возникнуть безработица, так как ветроэнергетика всегда нуждается в новых кадрах — исследователи, разработчики.

Ложные теории появляются из-за незнания тема, однако все их легко опровергнуть, что было сделано многократно.

Ветровые электростанции преимущества и недостатки

Преимущества установки ветровых электростанций:

1. Экологичность. Сегодня этот фактор играет большую роль. А добыча энергии с помощью ветряков это экологичный способ, который никак не влияет на окружающую природу.
2. Экономичность. По сравнению с другими источниками получения энергии, ветровые станции в строительстве обходятся намного экономичнее.
3. Нескончаемый источник энергии.
4. Эффективность работы — электростанция вырабатывает в 80 раз больше энергии, чем потребляет.
5. Местоположение. Ветряк можно поставить в любом месте, в отличие от традиционных станций.
6. Современные ветряки могут работать при скорости от 3,5 м/с.
7. Технологическое развитие.

Минусы ветроэнергетики:

1. Работа ветряка зависит от силы потока ветра, которого может и не быть.
2. Изменение ландшафта местности из-за строительства ветряных парков.
3. Затраты на поиск и изучение местности для ветряков и их строительство.
4. Турбины станций создают низкочастотные шумы, которые оказывают негативное влияние на человека.
5. Создают опасность для птиц.
6. Менее продуктивны по сравнению с другими станциями.

У ветроэнергетики есть свои сторонники, которые считаю применение ветрогенераторов экологичным способом решения проблемы с энергетикой. Но также есть люди, которые выступают против строительства ветряных парков, так как они приносят вред здоровью человека, птицам. Недостатки ветроэнергетики не сопоставимы с большим потенциалом, который кроется в этой отрасли.

Технические характеристики

К основным техническим характеристиками ВЭУ относятся:

• номинальная мощность устройства,
• минимальная скорость ветра, при которой происходит запуск ротора,
• максимальная скорость ветра, при которой требуется торможение вращающейся части.

Помимо этих параметров важно определить срок окупаемости устройства, его долговечность и расходы на содержание. Эти факторы являются определяющими при выборе источника электроснабжения между дизельными станциями и ВЭУ. Для регионов со слабыми ветрами такой выбор весьма актуален, поскольку вкладываться в заведомо неэффективный комплекс нерационально и не способствует решению проблемы.

Ветроэнергетические установки являются перспективным вариантом решения проблемы энергообеспечения для отсталых регионов. При грамотном подходе и использовании оптимального комплекта оборудования, можно создавать как мелкие станции, обеспечивающие отдельные жилые дома, так и более крупные установки, способные снабжать энергией населенные пункты.

Возможность производства энергии без нанесения ущерба экологии региона должна ставиться в первоочередные задачи, и ветроэнергетика в этом отношении является наиболее удачным вариантом решения проблем.

Ветроэнергетика как угроза животному миру

Защитники птиц выступают против строительства ветряных генераторов, так как птицы часто врезаются в лопасти ветряков. Хотя подсчет показал, что количество погибших птиц от генератора не больше, чем от высоковольтных проводов. Однако, зоозащитники волнуются, что во время миграции птиц они могут попасть в зону ветряного парка или сменить путь миграции.

Еще одно опасение защитников, что шумы, которые издают генераторы могут отпугивать животных и они меняют место обитания.

Ветроэнергетика как потенциальный онкоген

“Синдром ветрогенератора” — это клиническое название симптомов людей, которые живут вблизи ветряных генераторов. Основные симптомы — усталость, бессонница, раздражительность, головные боли, шум в ушах, проблемы с концентрацией. Все эти симптомы могут появляться из-за того, что работа генератора издает низкочастотные шумы, которые не воспринимает наш слух, однако организм наш реагирует.

Данный синдром не признан официально, а некоторые считают его классическим случаем ноцебо-эффекта. Это значит, что реакция организма вызвана не от действий генератора, а от отрицательной информации про него.

Ветроэнергетика в России

На данным момент Россия достаточно слабо использует такой ресурс, как ветер. Государство не выделяет достаточно субсидий на исследование и покупку конструкций.

Самая крупная ветроэлектростанция в России была запущена в 2020 году в Ставропольском крае. Рабочая мощность каждой из 84 установок — 2,5 МВт.

Доля ветроэнергетики в общей энергосистеме страны незначительная, и скорее всего в ближайшем будущем не поменяется. За прошлый год ветряками было выработано менее 1% от всего объема потребляемой энергии. Это обусловлена тем, что в стране развиты другие способы добычи энергии. Однако, нужно помнить, что энергия ветра неиссякаема и нельзя отказываться от альтернативной и быстроразвивающейся отрасли.

Ветроэнергетика в мире

Ветроэнергетика — это альтернативный источник энергии и многие страны этим пользуются. Изучение ветроэнергетики в последние десятилетия стало популярной и быстрорастущей отраслью. За прошлый год было установлено 93 ГВт новых установок.

Лидирующими странами, где этому уделяют большое внимание являются США, Канада, Великобритания, Дания, Германия, Китай.

Следует отметить! Энергия ветра используется людьми все чаще, например, доля получаемой энергии в Дании равно 28% в рамках всей энергетической отрасли, в Китае 36%.

Перспектива развития ветроэнергетики остается положительной, и в ближайшем будущем количество стран, которые будут внедрять альтернативный способ получения энергии, будет только увеличиваться.

Перспективы развития

Если учитывать, что сейчас идет фокусировка на природных экологических методах извлечения энергии, то ветроэнергетику в ближайшие годы ждет положительная перспектива развития. Все время идет разработка новых и усовершенствование старых моделей ветряков. Одна из последних разработок, это парящие генераторы, которые могут использовать максимальную силу ветра.

Все больше стран в мире уделяет ветряной энергии внимание и начинает строительство своих ветряков на подходящих территориях. Энергия ветра считается одной из перспективных альтернативных отраслей энергетики.

Чаще пользуется спросом частные ветряные генераторы, которые могут обеспечить частично или полностью дом энергией. Традиционные источники энергии могут в скором времени закончатся, а также приносят непоправимый вред экологии. Многие считаю, что за ветроэнергетикой, как и за альтернативными экологичными способами добычи энергии, стоит будущее.

Основные характеристики ветроустановки

Данную систему можно охарактеризовать следующим образом:

• Силой ветра;
• Мощностью ветрогенератора;
• Мощностью аккумуляторных батарей;
• Мощностью инвертора;

Каждый из компонентов системы работает независимо от других компонентов, но оказывает важное влияние на работоспособность системы в целом. Для правильного расчета и, как следствие, успешной работы системы необходимо четко сформулировать задачи, которые необходимо решить при проектировании, а также собрать правильные исходные данные для расчета.