Коэффициент использования установленной мощности равен отношению среднеарифметической мощности вэу за определённый интервал времени к установленной мощности электроустановки.

2) Гибридные ВЭУ, работающие параллельно с независимыми электростанциями соизмеримой мощности (ДГУ, микроГЭС, солнечными модулями и т.п.)

Назначение системы в целом: бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией номинальной мощности.

Особенности: мощность 10÷100 кВт; возможность автономной работы ВЭУ не предусматривается; отсутствуют устройства для стабилизации частоты и значения напряжения при автономной работе (снабжается, как правило, асинхронным генератором). Мощность ДГУ должна быть, по крайней мере, в два раза выше мощности ВЭУ в каждый момент времени.

Позволяет экономить от 15 до 40% топлива, расходуемого на ДГУ.

3) Сетевые ВЭУ, работающие параллельно с мощной электрической сетью (Эффект несоизмеримо большей мощности здесь реализуется при отношении N_с/N_ВЭУ свыше 8—10, независимо от их абсолютных значений)[1].

Назначение: получение и выдача в электрическую сеть максимально возможной выработанной электроэнергии.

Особенности: представляют собой ветроэлектростанции большой мощности; Наибольшее распространение из ВЭУ, подсоединяемых к сети, получили ВЭУ с единичной мощностью от 100 до 500 кВт; с учетом нестабильности первичной энергии ветра является рациональным видом применения ветроустановок [16].

Доля мощности сетевых ВЭУ составляет 98% от суммарной мощности ветроэнергетического парка [36].

 

Особенности конструкционной части ВЭУ

Типы ветродвигателей

а)

1) С горизонтальной осью вращения В настоящее время 95% всех выпускаемых в мире ВЭУ – трехлопастные с горизонтальной осью (рис.4.3, а) [15]. Ниже, когда об этом особо не упоминается, речь будет идти о горизонтальной оси вращения, направленной вдоль направления ветра.

б) в) г) д) Рис.4.3. Разновидности ВЭУ: а) с горизонтальной осью вращения; б) с вертикальной осью вращения в) ортогональная конструкция; г) механизм Дарье; д) механизм Савониуса. е) конструкция на многолопастном роторе с направляющим аппаратом. ж) генератор с геликоидной конструкцией.[7]

2) С вертикальной осью вращения (карусельные) (рис.4.3, б). Лопасти таких турбин движутся параллельно земле. Существуют различные виды механизмов с вертикальной осью вращения: -ортогональная конструкция (рис. 4.3, в); -механизм Дарье(рис. 4.3, г); -механизм Савониуса(рис. 4.3, д); -конструкция на многолопастном роторе с направляющим аппаратом(рис. 4.3, е); -генератор с геликоидной конструкцией(рис. 4.3, ж); [7] Свойства: На движение лопастей не влияет направление ветра. Ось турбины устроена так, что всё её оборудование можно установить на небольшом расстоянии от земли и производителю не нужно строить высокую башню. Вертикальные ветрогенераторы гораздо менее эффективны, чем горизонтальные (половина работы лопасти происходит противоположно направлению ветра). Для установки вертикальной ВЭУ понадобиться гораздо больше места, чем для горизонтального генератора. Вывод: горизонтальный ветрогенератор будет выгоден для промышленного использования, так как он более эффективен. А вертикальный ветрогенератор будет хорош для применения в домашнем хозяйстве, где не требуется высокой эффективности и для введения его в эксплуатацию не понадобиться больших расходов. е) ж)

 

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 η_г:

Р _вых = ρ v ³ S _вк k _исη_г/2 (4.5)