2.2.1. Ветроэнергетические установки

Ветер образуется в результате неравномерного нагрева поверхности Земли Солнцем. Мощность ветрового потока пропорциональна площади, которую пересекает ветровой поток, и скорости ветра в кубе.

Ветроэнергетические ресурсы в США и странах Европы классифицируют в зависимости от среднегодовой скорости или среднегодовой удельной мощности ветра на высотах 10 и 50 м от поверхности земли (табл. 2.1).

Учитывая, что в Калининградской области РФ отсутствуют собственные мощные энергоисточники, а все виды углеродного топлива ввозят с «Большой земли», интерес энергетиков к использованию местных возобновляемых энергоресурсов вполне логичен. Открытие крупнейшей ветроэлектростанции России состоялось 26 июля 2002 года, а строительство ее началось в 1998 году в соответствии с соглашением между Министерством энергетики России и Министерством экологии и энергетики Дании. Ветроэлектростанция включает в себя 21 ветроэлектроустановку общей мощностью 5,1 МВт. Эксплуатация ВЭУ осуществляется без присутствия обслуживающего персонала за счет полной автоматизации производственных процессов. Запуск и остановка ветроустановок происходят в автоматическом режиме, а информация о возможных сбоях механизма передается через систему сотовой связи и бортовых компьютеров.

Современная ветровая электростанция в России (пос. Куликово, Калининградская обл.)

Таблица 2.1 Классификация ветроэнергетических ресурсов на высотах 10 и 50 м от поверхности земли

Принцип действия всех ветроустановок один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Реальный к.п.д. лучших ветровых колес достигает 45% в случае устойчивой работы при оптимальной скорости ветра.

Существуют две принципиально разные конструкции ветроэнергетических установок (ВЭУ): с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

Рис. 2.16. Конструктивная схема ВЭУ с горизонтальной осью вращения: 1 – рабочая лопасть; 2 – трансмиссия; 3 – виндроза; 4 – башня; 5 – вал отбора мощности; 6 – электрогенератор

Конструктивная схема ВЭУ с горизонтальной осью приведена на рис. 2.16. Основными элементами установки являются ветроприемное устройство (лопасти), редуктор передачи крутильного момента к электрогенератору, электрогенератор и башня. Ветроприемное устройство вместе с редуктором образуют ветродвигатель. Благодаря специальной конфигурации лопастей в воздушном потоке возникают несимметричные силы, которые создают крутильный момент.

Поскольку ветер может изменять свою силу и направление, ветровые установки оборудуются специальными устройствами контроля и безопасности. Эти устройства состоят из механизмов разворота оси вращения за ветром (виндроза), наклона лопастей относительно земли при критической скорости ветра, системы автоматического контроля мощности и аварийного отключения для установок большой мощности.

Наиболее часто на ВЭС (рис. 2.17) используется трехлопастное ветроколесо с горизонтальным расположением оси ротора. Усовершенствование идет по пути увеличения размеров лопастей, улучшения технико-экономических показателей энергетического оборудования и электронного управления, использования композитных материалов и применения более высоких башен. Некоторые ВЭУ функционируют с переменной скоростью или вообще не используют редуктор и работают по методу прямого привода. Так, при мощности ВЭУ 2,5 МВт диаметр лопастей ветроколеса достигает 80 м, а высота башни более 80 м.

Рис. 2.17. Ветровая электростанция ShilohII (США, штат Калифорния) введена в действие в феврале 2009 года

ВЭУ с вертикальной осью вращения имеют преимущества перед установками с горизонтальной осью, которые состоят в том, что исчезает необходимость в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и снижаются гироскопические нагрузки, обуславливающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передачи и других элементах установки, появляется возможность установки редуктора с генератором в основании башни. Конструктивная схема ВЭУ с вертикальной осью вращения приведена на рис. 2.18.

В зависимости от мощности генератора ветроустановки подразделяются на классы, их параметры и назначение приведены в табл. 2.2.

В настоящее время разработано и используется значительное количество схем преобразования энергии ветра в электрическую энергию постоянного или переменного тока или для выполнения механической работы.

Среднегодовая выработка электроэнергии с 1 км 2 площади ВЭС при разных скоростях ветра приведена в табл. 2.3.

Основными недостатками ВЭС являются:

• Непостоянная и неравномерная выработка электроэнергии как в разрезе суток, так и по сезонам года, что связано с наличием ветра и его скоростью.
• Использование значительных площадей земельных ресурсов. Так, для ВЭС мощностью 1000 МВт понадобится общая площадь 70–200 км², хотя большая часть этих земель может быть использована в сельском хозяйстве и др. (сама ВЭС занимает 1% общей площади). При использовании ВЭС морского базирования этот недостаток устраняется.

Таблица 2.2 Классификация ветроустановок

Таблица 2.3 Годовая выработка электроэнергии с 1 км 2 площади ВЭС

Рис. 2.18. Конструктивная схема ВЭУ с вертикальной осью вращения: 1 – стартер (ротор Савониуса); 2 – вал; 3 – электрогенератор; 4 – тормозное устройство; 5 – рабочая лопасть; 6 – растяжки; 7 – рама; 8 – преобразователь напряжения; 9 – аккумулятор; V – скорость ветра; Н – высота ветроустановки; h – половина высоты рабочей лопасти; n – скорость вращения рабочей лопасти; D – диаметр развертки лопастей

Ограничение шумового влияния ВЭС достигается их удалением от населенных пунков (для ВЭС до 300 м).