В данной работе произведён обзор основных типов ветроустановок. Кратко описаны их принципы действия, так же описаны их достоинства и их недостатки. В статье говориться о состоянии ветроэнергетики как России так и в других странах. Затронут вопрос о новых достижениях в этой области. Так же говорится о перспективах развития данной отрасли энергетики у нас в стране.
Ключевые слова: ветрогенератор, ветроагрегат, ротор Савониуса, ротор Дарье
Применять силу ветра человечество начала еще очень давно: сначала это были паруса первых кораблей, затем ветряные мельницы. В наши дни люди научились превращать энергию ветра в электроэнергию при помощи оснащенных электрогенератором ветряных электростанций (ВЭС).
За рубежом электроэнергия, вырабатываемая на ВЭС, составляет значительную часть в объеме генерируемой электроэнергии. В Германии по состоянию на 2011 год мощность всех ВЭС составляла 18500 МВт, и ежегодно эта величина увеличивается на 500–800 МВт. В нашей стране альтернативная энергетика не так развита, но все же с каждым годом число ВЭС их мощность увеличивается, что дает надежду на расширение в РФ этого вида альтернативной энергетики.
Использование энергии ветра позволяет решить не только проблемы автономности энергоснабжения загородных домов и других объектов от централизованных систем электроснабжения, но и внести свой небольшой вклад в вопрос сохранения природы. [6]
Рассмотрим детальнее типы современных ВЭС, их конструкцию и принцип работы. Принцип работы ВЭС заключается в преобразовании механической энергии колеса с лопастями, вращающегося под напором ветра, в электрическую энергию при помощи электрогенератора. На сегодняшний день наиболее распространенными являются ВЭС двух типов: крыльчатые (с горизонтальной осью вращения) и карусельные (с вертикальной осью вращения), хотя реже встречаются некоторые другие конструкционные варианты ВЭС.
Самый распространенный тип — ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения. Они имеют более привычный вид, напоминающий старые мельницы Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС, намного выше, чем у ВЭС других типов, поэтому они занимают более 90 % рынка. Их недостатком является большой уровень шума. Так же их недостатком является зависимость их эффективности от направления ветра.
Максимальная эффективность ВЭС такого типа достигается, когда ветровой поток действует перпендикулярно плоскости вращения лопастей, поэтому конструкция предусматривает у малых ветрогенераторов хвостовое оперение, которое ориентирует систему по направлению ветра, у больших — ориентацией управляет электроника. Крыльчатые ВЭС небольшой мощности и постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую, а мощные станции оснащают редуктором.
Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра используется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. [1]
К ветрогенераторам с вертикальной осью относятся всевозможные ортогональные, карусельные, или роторные. Роторных ветроустановок имеется несколько видов, названных по именам их изобретателей. Самый популярный представитель этого семейства — ротор Савониуса, — заметно отличается от «собратьев» простотой и КПД. Это два смещенных относительно друг друга полуцилиндра с небольшим (10–15 % от диаметра лопасти) перекрытием. Обтекание ротора Савониуса ветровым потоком создает различные сопротивления на выпуклой и вогнутой частях устройства. За счет этого и возникает вращающий момент. Коэффициент использования ветра до 0,15.
Как известно, коэффициент использования энергии ветра парусом не может превышать 19.5 %. [5] Теоретический предел в свободном потоке для идеального ветродвигателя составляет 59 %, у хороших ветроколес он доходит до 42 %. [5]
Преимуществом таких ветрогенераторов является высокий момент вращения, низкий уровень шума, широкий диапазон рабочих ветров, малая площадь установки. Ветрогенератор не нуждается в системе отслеживающей направление ветра. Отсутствует система по снятию напряжения, т. к. генератор не вращается.
К недостаткам относится низкая частота вращения (не более 400 об/мин), что предполагает использование многополюсных генераторов, которые не распространены, или использование всевозможных мультиплексоров. К серьезным недостаткам этих ветрогенераторов можно отнести существенное изменение условий обтекания лопасти ветровым потоком за один период оборота ротора, которое повторяется циклически. Это вызывает усталость металла и приводит к механическому разрушению элементов конструкции и серьезным авариям.В настоящее время ветрогенераторы с ротором Савониуса выпускаются в диапазоне мощностей до 5 кВт. Ротор Савониуса, так же, часто комбинируют с ротором Дарье, для обеспечения более высоких пусковых моментов ротора Дарье. [2], [4].
Ротор Дарье представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух и более аэродинамических крыльев, закреплённых на радиальных балках. Крыло ротора Дарье работает по принципу лопастного ветрогенератора. Коэффициент использования ветра до 0,35.
Преимущества [9]: Работа ротора Дарье не зависит от направления потока, характеризуется высоким коэффициентом быстроходности при малых скоростях потока; относительно высокая выходная мощность — площадь ометаемая крыльями ротора может быть выполнена достаточно большой; менее шумные чем пропеллерные.
Недостатки: Плохой самозапуск; Значительные нагрузки на стойку,отсюда — низкая механическая прочность и, следовательно, — необходимость изготовления значительно более прочной (а значит и дорогостоящей) мачты; Высокая сложность изготовления (в несколько раз сложнее пропеллерного) — профиль крыльев должен быть выдержан с большой точностью; [2], [3], [8].
Помимо того, что ВЭС не наносит вреда природе, их также можно быстро установить там, где других источников энергии нет. Однако приходится констатировать, что работа ветроагрегатов сопровождается некоторыми неприятными явлениями. Главное из них — шум. На уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭС мощностью 850 кВт уровень шума составляет 104 дБ. Система управления углом атаки способна уменьшить его, но очень незначительно. На расстоянии 300 м шум снижается до 42–45 дБ (на оживленной улице наши уши страдают больше). В «тесной» Европе на таком расстоянии от ближайшего жилья ВЭС уже ставят, в России же мы имеем возможность удалить их от застройки на 700–1000 м. Также вокруг ВЭС возникает опасный инфразвук частотой 6–7 Гц, вызывающий вибрацию. От него дребезжат стекла в окнах и посуда на полках. Кроме того, ВЭС могут затруднить прием телепередач.
На Западе проблемы, связанные с работой ВЭС, успешно решены еще в середине 1990-х годов. Выпуск лопастей для ветроагрегатов освоили лидер аэрокосмической отрасли — концерн НАСА и один из ведущих производителей самолетов — фирма «Боинг». Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Был найден способ борьбы с еще одним недостатком ВЭУ: чтобы птицы не попадали под вращающиеся лопасти, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом.
В современных ВЭС воплощено множество технических идей, отвечающих последним достижениям науки обеспечивающих эффективную и безопасную работу ВЭС. За состоянием ВЭС и режимами их работы следит бортовой компьютер, куда по модемным каналам поступает вся текущая информация.
В крупных энергосетях неравномерная подача энергии, присущая всем ветроагрегатам, уравнивается их большим количеством. Автономные сети мощностью 0,5–4 МВт тоже могут функционировать надежно, несмотря на неравномерность поступления энергии от ВЭС, если они работают в паре с дизелем. Для систем «ветро-дизель» европейские компании разработали компьютеризированное устройство, распределяющее нагрузку между ветроэнергетической установкой и дизелем. Уже есть оборудование, позволяющее всего за две секунды отключить дизель или вновь включить его в работу. Благодаря этому увеличивается ресурс дизелей и экономится до 67 % топлива в год.
Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе сегодня составляют 1000 долларов на 1 кВт установленной мощности. Себестоимость энергии — 3,5–3,8 цента за 1 кВт.ч (10 лет назад было 16 центов). При массовом строительстве ВЭС можно рассчитывать на то, что в дальнейшем цена одного киловатт-часа существенно снизится и окажется сравнимой со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС. В подтверждение этого аргумента говорит тот факт, что конструкции ВЭС постоянно совершенствуются.
Нет сомнения большие и малые ВЭС могли бы работать на огромных пространствах России высокоэффективно, ведь наша страна обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 млрд кВт.ч электроэнергии в год. Такие районы, как Обская губа, Кольский полуостров, большая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по мировой классификации относятся к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на высоте 50–80 м, где располагаются ветроагрегаты современных ВЭС, составляет 11–12 м/с. («золотым» порогом ветроэнергетики считается скорость ветра 5 м/с — это связано с окупаемостью станций.)
Например, в районе Владивостока. На островах близ Владивостока среднегодовая скорость ветра на высоте 150 м (50-метровая ВЭС на холме высотой 100 м) не бывает ниже 11 м/с (для континентальной Европы параметр недосягаемый).
Несмотря на благоприятные природные условия и большую привлекательность ветроэнергетики, у нас до сих пор нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сельских поселков и дачных участков. Основная причина — отсутствие инвестиций.
Но путь у нас только один: приложить усилия и последовать примеру мировых лидеров ветроэнергетической отрасли. [7].
Литература:
1. Аккумуляторы, батареи и другие источники энергии. [Электронный ресурс] URL: http://www.powerinfo.ru.html (дата обращения 03.09.2016).
2. Альтернативные источники энергии. [Электронный ресурс] URL: http://www.alternatesource.ru.html (дата обращения 03.09.2016).
3. Альтернативная энергетика [Электронный ресурс] URL:http://anyenergy.ru.html (дата обращения 03.09.2016).
4. Ветроустановки. [Электронный ресурс] URL: http://www.wetroenergetika.ru.html (дата обращения 03.09.2016).
5. Колосов, П. Б. Ветрогирлянды./ П. Б. Колосов// Сайт «Малая энергетика» -М.2006.
6. Ветряная электростанция — еще один источник дешевой энергии. [Электронный ресурс] дата обновления: 20.07.2012.-URL: http://realproducts.ru.html (дата обращения: 03.09.2016).
7. Солоницын, А. А. Второе пришествие ветроэнергетики. /А. А. Солоницын // Сайт «Изобретатели». –М.2007.-18 с.
8. [Электронный ресурс] URL:http://vetrodvig.ru.html (дата обращения 15.05.2014).
9. [Электронный ресурс] URL:http://machinepedia.org.html (дата обращения 15.05.2014).
