Ветроэнергетические установки с горизонтальной и вертикальной осью вращения

Ветроэнергетика —отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться такими агрегатами, как ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте) и другими.

К началу 2016 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 432 гигаватта и, таким образом, превзошла суммарную установленную мощность атомной энергетики (однако на практике в среднем за год мощность ветрогенераторов в несколько раз ниже установленной мощности, в то время как АЭС почти всегда работает в режиме установленной мощности). В 2014 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 706·10⁹ кВт·ч (3 % всей произведённой человечеством электрической энергии).

Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2015 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 42 % всего электричества; 2014 год в Португалии — 27 %; в Никарагуа — 21 %; в Испании — 20 %; Ирландии — 19 %; в Германии — 8 %; в ЕС — 7,5 %.

По итогам 2015 года в ветроэнергетике занято более 1 млн человек во всем мире (в том числе 500 тыс. в Китае и 138 тыс. в Германии) Мощность ветрогенератора определяется скоростью ветра (пропорциональна кубу скорости ветра U³)и площадью S, ометаемой ветроколесом.

 

Можно рассчитать энергию, которая «гуляет» над участком в средней полосе России:

P = V³ • ρ • S

(ρ – плотность воздуха, 1,225 кг/м³)

Например, на площадь, равной 3 м² дует воздушный поток обычной плотности со скоростью 5 м/с. При таких условиях получим:

P = V³ • ρ • S = 5³ • 1,225 • 3 = 459,4 Вт ≈ 0,5 кВт

Почти 0,5 кВт, в идеале, если не учитывать ту часть потока, которая пойдет на завихрения, обтекание объекта и т.д. В реальных условиях максимально мы можем получить 30-40% от потенциальной энергии воздушного потока. Это ограничение связано с технологическим и физическим выполнением ветрогенератора. Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:

P = ξ • pR² • 0,5 V³ • ρ • η_ред • η_ген

где

ξ - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5),

R - радиус ротора, м

V - скорость воздушного потока, м / с

ρ - плотность воздуха, кг/м3 η_ред

- КПД редуктораη_ген

- КПД генератора

Максимальная проектная мощность ветроэнергетической установки (ВЭУ) определяется для некоторой стандартной скорости ветра. Обычно эта скорость равна примерно 12 м/с, при этом снимаемая с 1 м² ометаемой площади мощность – порядка 300 Вт.

В районах с благоприятными ветровыми условиями среднегодовое производство электроэнергии составляет 25-33% его максимального проектного

значение: срок службы ветрогенераторов обычно не менее 15-20 лет, их стоимость колеблется от 100 до 1500 долл. США за 1 кВт проектной мощности.

Одно из основных условий при проектировании ветровых установок - обеспечение их защиты от разрушения очень сильными случайными порывами

ветра. Ветровые нагрузки пропорциональны квадрату скорости ветра, a раз в 50 лет бывают ветры co скоростью, в 5-10 раз превышающей среднюю, поэтому установки приходится проектировать c очень большим запасом прочности.

Причиной возникновения ветров является поглощение земной атмосферой солнечного излучения, приводящее к расширению воздуха и появлению конвективныx течений. B глобальном масштабе на эти термические явления накладывается эффект вращения Земли, приводящий к появлению

преобладающих направлений ветра.

Скорость ветров увеличивается c высотой, a горизонтальная составляющая значительно больше вертикальной.

Последнее обстоятельство является основной причиной возникновения резких порывов ветра и некоторых других эффектов.

Суммарная кинетическая энергия ветров оценивается величиной порядка 0,7*10²¹ Дж. Вследствие трения, в основном в атмосфере, а также при контакте с

земной и водной поверхностями, эта энергия непрерывно рассеивается, при этом

рассеиваемая мощность ~1200 ТВт (1,2*10¹⁵ Вт),
что равно примерно 1% поглощенной энергии солнечного излучения.

 

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воз-душный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

 

Существуют классификации ветрогенераторов

- по количеству лопастей,

- по материалам, из которых они выполнены,

- по оси вращения

- по шагу винта.

Существуют два основных типа ветротурбин:

с вертикальной осью вращения («карусельные» — роторные (в том числе «ротор Савониуса»), «лопастные» ортогональные — ротор Дарье);

с горизонтальной осью вращения (крыльчатые).

Ветроколесо c горизонтальной осью. Основной вращающей силой y колес этого типа

является подъемная сила.

Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство, удерживающее его в рабочем положении.
При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и тyрбyлизирует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают

циклические нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров.

B ветроэлектрогенераторах обычно используются двух - и трехлопастные ветроколеса, последние отличаются очень плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его c ветроколесом, расположены обычно на верху опорной башни в поворотной головке. В принципе их удобнее размещать внизу, но возникающие при этом сложности c пepедачей крутящего момента

обесценивают преимущества такого размещения.

Многолопастные колеса, развивающие большой крутящий момент при слабом ветре, используются для перекачки воды и других целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.

Ветроэлектрогенераторы c вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом

направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор c генераторами

внизу башни. Принципиальными недостатками таких установок являются:

1) гораздо большая подверженность их устaлостным разрушениям из-за более часто возникающих в них автоколебательных процессов.

2) пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора.

Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенерaторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются

 

Основной недостаток ВЭУ - переменность скорости ветра. Мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости. Например, при скорости 5 м/с удельная мощность ветрового потока составляет 65 Вт/м2 площади поперечного сечения, а при 10 м/с этот показатель равен 520 Вт/м2. Поэтому наиболее крупные ВЭУ мегаваттного класса проектируют на расчетную скорость ветра 12-13 м/с. Важнейшей характеристикой ВЭУ является число часов работы в год с расчетной мощностью. Место для установки ВЭУ большой мощности считается удовлетворительным, если это число не меньше 2000-2500 ч/год. При расчетной скорости ветра 12-13 м/с такие условия встречаются в ограниченном числе мест, чаще всего на шельфе морей.