2.2.1. Вітроенергетичні установки

Вітер утворюється в результаті нерівномірного нагрівання поверхні Землі Сон цем. Потужність вітрового потоку пропорційна площі, яку пересікає вітровий потік, і швидкості вітру в кубі. Вітроенергетичні ресурси у США і країнах Європи класифікують в залежності від середньорічної швидкості або середньорічної питомої потужності вітру на висотах 10 і 50 м від поверхні землі (табл. 2.1).

Сучасна вітрова електростанція в Росії (пос. Куликово, Калінінградська обл.)

Враховуючи, що в Калінінградській області РФ відсутні власні потужні енергоджерела, а всі види вуглецевого палива завозять з «Великої землі», інтерес енергетиків до використання місцевих відновлювальних енергоресурсів цілком логічний. Відкриття найбільшої вітроелектростанції Росії відбулося 26 липня 2002 року, а будівництво її почалося в 1998 році згідно з угодою між Міністерством енергетики Росії і Міністерством екології і енергетики Данії. Вітроелектростанція включає в себе 21 вітроелектроустановку загальною потужністю 5,1 МВт. Експлуатація ВЕУ здійснюється без присутності обслуговуючого персоналу за рахунок повної автоматизації виробничих процесів. Запуск і зупинка вітроустановок відбуваються в автоматичному режимі, а інформація про можливі порушення роботи механізмів передається через систему стільникового зв’язку і бортових комп’ютерів.

Таблиця 2.1 Класифікація вітроенергетичних ресурсів на висотах 10 і 50 м від поверхні землі

Принцип дії всіх вітроустановок один: під напором вітру обертається вітроколесо з лопатями, яке передає крутильний момент через систему передач валу генератора, що виробляє електроенергію. Реальний к.к.д. кращих вітрових колес досягає 45% у разі стійкої роботи при оптимальній швидкості вітру.

Існують дві принципово різні конструкції вітроенергетичних установок (ВЕУ): з горизонтальною і вертикальною віссю обертання.

Мал. 2.16. Конструктивна схема ВЕУ з горизонтальною віссю обертання: 1 – робоча лопать; 2 – трансмісія; 3 – віндроза; 4 – башта; 5 – вал відбору потужності; 6 – електрогенератор

Конструктивна схема ВЕУ з горизонтальною віссю наведена на мал. 2.16. Основними елементами установки є вітроприймальний пристрій (лопаті), редуктор передачі крутильного моменту до електрогенератора, електрогенератор і башта. Вітроприймальний пристрій разом з редуктором утворюють вітродвигун. Завдяки спеціальній конструкції лопатей в повітряному потоці виникають несиметричні сили, які створюють крутильний момент.

Оскільки вітер може змінювати свою силу і напрям, вітрові установки обладнуються спеціальними пристроями контролю і безпеки. Ці пристрої складаються з механізмів розвороту вісі обертання за вітром (віндроза), нахилу лопатей відносно землі при критичній швидкості вітру, системи автоматичного контролю потужності та аварійного відключення для установок великої потужності.

Найчастіше на ВЕС (мал. 2.17) використовується трилопатеве вітроколесо з горизонтальним розташуванням вісі ротора. Удосконалення відбуваються шляхом збільшення розмірів лопатей, покращення техніко-економічних показників енергетичного обладнання і електронного управління, використання композитних матеріалів і застосування більш високих башт. Деякі ВЕУ функціонують зі змінною швидкістю або взагалі не використовують редуктор і працюють за методом прямого приводу. Так, при потужності ВЕУ 2,5 МВт діаметр лопатей вітроколеса досягає 80 м, а висота башти більше 80 м.

Мал. 2.17. Вітрова електростанція Shiloh II (США, штат Каліфорнія) введена в дію в лютому 2009 року

ВЕУ з вертикальною віссю обертання мають переваги перед установками з горизонтальною віссю, які полягають у тому, що зникає необхідність у пристроях орієнтації на вітер, спрощується конструкція і знижуються гіроскопічні навантаження, обумовлені додатковим напруженням в лопатях, системі передачі та інших елементах установки, з’являється можливість встановлення редектора з генератором в основі башти. Конструктивна схема ВЕУ з вертикальною віссю обертання наведена на мал. 2.18.

У залежності від потужності генератора вітроустановки підрозділяються на класи, їх параметри і призначення наведені в табл. 2.2.

На сьогодні розроблена і використовується значна кількість схем перетворення енергії вітру в електричну енергію постійного чи змінного струму або для виконання механічної роботи.

Середньорічне вироблення електроенергії з 1 км2 площі ВЕС при різних швидкостях вітру наведено в табл. 2.3.

Основними недоліками ВЕС є:

• Непостійне і нерівномірне вироблення електроенергії як протягом доби, так і за сезонами року, що пов’язано з наявністю вітру і його швидкістю.

• Використання значних площ земельних ресурсів. Так, для ВЕС потужністю 1000 МВт треба загальна площа 70–200 км2, хоча більша частина цих земель може бути використаною в сільському господарстві та ін. (сама ВЕС займає 1% загальної площі). При використанні ВЕС морського базування цей недолік зникає.

Мал. 2.18. Конструктивна схема ВЕУ з вертикальною віссю обертання: 1 – стартер (ротор Савоніуса); 2 – вісь; 3 – електрогенератор; 4 – гальмівний пристрій; 5 – робоча лопать; 6 – розтяжка; 7 – рама; 8 – перетворювач напруги; 9 – акумулятор; V – швидкість вітру; H – висота вітроустановки; h – половина висоти робочої лопаті; n – швидкість обертання робочої лопаті; D – діаметр розгортки лопатей

Таблиця 2.2 Класифікація вітроустановок

Таблиця 2.3 Річне вироблення електроенергії з 1 км2 площі ВЕС

Обмеження шумового впливу ВЕС досягається їх віддаленістю від населених пунктів (для ВЕС до 300 м).