Регулирование значения напряжения

Выходное напряжение генератора U ≡ E – IR = с Ф n _г– IR. Как видим, оно зависит от частоты вращения вала генератора и от нагрузки (тока I).

Регулируется напряжение следующими способами:

а) изменением тока (потока Ф) возбуждения;

б) преобразователем частоты: со звеном постоянного тока или НПЧ.

 

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 и недостатки энергии ветра и ВЭУ

Исходя из сравнения с фотоэлектрическими панелями (ФЭП) (солнечные батареи), микроГЭС и электростанциями, работающими на традиционном топливе.

 

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.

8) 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)