Реклама


Ветрогенератор

Работа ветрогенератора
Промышленные ветрогенераторы в Северном море
Ветер раскручивает ротор. Выработанное электричество подаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразует напряжение на контактах аккумулятора в пригодное для использования

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.

Ветрогенераторы можно разделить на три категории: промышленные, коммерческие и бытовые (для частного использования).

Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветровая электростанция. Раньше считалось, что они полностью экологичны, чем отличаются от традиционных. Однако лопасти ветрогенератора сделаны из полимерного композита, вторичное использование и переработка которого невыгодны с точки зрения расходов. Сейчас вопрос о переработке лопастей является открытым.

Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 8 МВт.

Мощность ветрогенератора зависит от мощности воздушного потока (), определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью ,

где:  — скорость ветра,  — плотность воздуха,  — ометаемая площадь.

Типы ветрогенераторов[ | код]

Существуют классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта.[1]

Существуют два основных типа ветротурбин:

Также существуют барабанные и роторные ветротурбины[2].

Ветрогенераторы, как правило, используют три лопасти для достижения компромисса между величиной крутящего момента (возрастает с ростом числа лопастей) и скоростью вращения (понижается с ростом числа лопастей)[3].

Преимущества и недостатки разных типов ВЭУ[ | код]

Закон Беца предсказывает, что коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок ограничен константой 0,593. К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0,4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0,38. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0,4-0,45 - вполне реальная задача. Таким образом коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки[4].

Устройство[ | код]

ВЭУ состоит из:

  1. ветротурбины, установленной на мачте с растяжками и раскручиваемой ротором либо лопастями;
  2. электрогенератора;

полученная электроэнергия поступает в:

Промышленная ветровая установка
Устройство ветрогенератора

Состоит из:

  1. Фундамент
  2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления
  3. Башня
  4. Лестница
  5. Поворотный механизм
  6. Гондола
  7. Электрический генератор
  8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
  9. Тормозная система
  10. Трансмиссия
  11. Лопасти (как правило, три, поскольку роторы с двумя лопастями подвергаются большим нагрузкам в момент, когда пара лопастей вертикальна, а больше трёх лопастей создают избыточное сопротивление воздуха)
  12. Система изменения угла атаки лопасти
  13. Обтекатель
Маломощная модель ветряного генератора[5]

Состоит из:

  1. Небольшой электродвигатель постоянного тока (3-12 В) (используемый как генератор)
  2. Кремниевый выпрямительный диод
  3. Электролитический конденсатор (1000 мкФ 6 В)

Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов[ | код]

Внутри башни
11 × E-126 бельгийской ВЭС Estinnes в июле 2010, за месяц до завершения строительства станции
11 × E-126 (11 × 7,5 МВт) бельгийской ВЭС Estinnes 10 октября 2010 года.

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7-10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветровой фермы может занимать год и более.[6] Кроме того, для обоснования строительства ветроустановки или ветропарка необходимо проведение длительных (не менее года) исследований ветра в районе строительства. Эти мероприятия значительно увеличивают срок реализации ветроэнергетических проектов.

Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.

В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:

Перспективные разработки[ | код]

Норвежская компания StatoilHydro и немецкий концерн Siemens AG разработали плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в июне 2009 года[7][8]. Турбина под названием Hywind, разработанная[8] Siemens Renewable Energy, весит 5 300 тонн при высоте 65 метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой, неподалеку от юго-западного берега Норвегии. Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.

Компания Magenn разработала специальный вращающийся от ветра аэростат с установленным на нём генератором, который сам поднимается на высоту 120—300 метров. Нет необходимости строить башню и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра от 1 м/с до 28 м/с. Аппарат может перемещаться в ветряные регионы или быстро устанавливаться в местах катастроф.

Компания Windrotor предлагает конструкцию ротора мощной турбины, позволяющую значительно увеличить его размеры и коэффициент использования энергии ветра. Предполагается, что эта конструкция станет новым поколением роторов ветровых турбин.[источник не указан 2967 дней]

В мае 2009 года в Германии компанией Advanced Tower Systems (ATS) был запущен в эксплуатацию первый ветрогенератор, установленный на гибридной башне. Нижняя часть башни высотой 76,5 метров построена из железобетона. Верхняя часть высотой 55 метров построена из стали. Общая высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет 180 метров. Увеличение высоты башни позволит увеличить выработку электроэнерии до 20 %[9].

В конце 2010 года испанские компании Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros и DIgSILENT Ibérica создали группу для совместной разработки ветрогенератора мощностью 15,0 МВт[10].

Евросоюз создал исследовательский проект UpWind для разработки офшорного ветрогенератора мощностью 20 МВт[11].

В 2013 году японская компания Mitsui Ocean Development & Engineering Company разработала гибридную установку: на единой плавающей в воде оси установлена ветровая турбина и турбина, работающая от приливной энергии[12].

Крупнейшие производители[ | код]

Таблица 10 крупнейших производителей промышленных ветрогенераторов в 2010 году[13], МВт:

Название Страна Объём производства, МВт.
1 Vestas  Дания 5 842
2 Sinovel  Китай 4 386
3 GE Energy  США 3 796
4 Goldwind  Китай 3 740
5 Enercon  Германия 2 846
6 Suzlon Energy  Индия 2 736
7 Dongfang Electric  Китай 2 624
8 Gamesa  Испания 2 587
9 Siemens Wind  Германия 2 325
10 United Power  Китай 1 600

В 2014 году суммарные мощности производителей турбин достигли 71 ГВт[14].

Цены[ | код]

Компания Bloomberg New Energy Finance производит расчёт ценового индекса ветрогенераторов (Wind Turbine Price Index). С 2008 года до 2010 года средние цены на ветрогенераторы снизились на 15 %. В 2008 году средняя цена ветрогенератора составляла 1,22 млн евро за 1 МВт мощности.

В августе 2010 года средняя цена одного МВт ветрогенератора составляла 1,04 млн евро[15].

Малые ветрогенераторы[ | код]

Три типа ветрогенераторов в действии
Малый роторный ветрогенератор на крыше здания
Парусный ветрогенератор

К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветровой энергетике. Они применяются на яхтах, сельскохозяйственных фермах для водоснабжения и т. д.

Строение малой ветровой установки[ | код]

  1. Ротор; лопасти; ветротурбина; хвост, ориентирующий ротор против ветра
  2. Генератор
  3. Мачта с растяжками
  4. Контроллер заряда аккумуляторов
  5. Аккумуляторы (обычно необслуживаемые на 24 В)
  6. Инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключенный к электросети

Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети.

Некоторые современные бытовые ИБП имеют модуль подключения источника постоянного тока специально для работы с солнечными батареями или ветрогенераторами. Таким образом, ветрогенератор может быть частью домашней системы электропитания, снижая потребление энергии от электросети.

Плюсы и минусы эксплуатации[ | код]

В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину у основной массы производств на фоне других затрат[источник не указан 3500 дней]. Ключевым для потребителя остаётся надёжность и стабильность электроснабжения.

Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии для использования в промышленности, получаемой от ветрогенераторов, являются:

Считается, что применение малых автономных ветрогенераторов в быту малоцелесообразно из-за:

Однако, при наличии общей электросети и современного ИБП с двойным преобразованием эти факторы становятся неактуальными, также часто такие ИБП предусматривают возможность дополнения различными нестабильными источниками постоянного тока, такими как ветрогенератор или солнечная батарея.

Наиболее экономически целесообразным в настоящее время является получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью тепловых насосов в тепло для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:

Развитие[ | код]

Строительство Фундамента для ветрогенератора
Монтаж ветрогенератора

Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается, и за вполне умеренные деньги уже сейчас можно приобрести ветровую установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому. Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 м/с. Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором, а ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами (например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. При этом одно другому не мешает — источники будут дополнять друг друга).

Наиболее перспективными регионами для развития малой ветроэнергетики считаются регионы со стоимостью электроэнергии более $0,1 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии, производимой малыми ветрогенераторами в 2006 г. в США составляла $0,10-$0,11 за кВт·ч.

Американская ассоциация ветровой энергетики (AWEA) ожидает, что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до $0,07 за кВт·ч. По данным AWEA, в США в 2006 г. было продано 6807 малых ветровых турбин. Их суммарная мощность 17 543 кВт. Их суммарная стоимость $56 082 850 (примерно $3200 за кВт мощности). В остальном мире в 2006 г. были проданы 9502 малых турбины (без учёта США), их суммарная мощность 19 483 кВт.

Департамент Энергетики США (DoE) в конце 2007 года объявил о готовности финансирования особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.

AWEA прогнозирует, что к 2020 году суммарная мощность малой ветровой энергетики США вырастет до 50 тыс. МВт, что составит около 3 % от суммарных мощностей страны. Ветровые турбины будут установлены в 15 млн домах и на 1 млн малых предприятий. В отрасли малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем $1 млрд.

В России тенденция установки ветрогенераторов для оснащения домов электричеством только зарождается. На рынке присутствуют буквально несколько производителей маломощных бытовых ветрогенераторов именно для домашнего использования. Цены на ветрогенераторы мощностью 1 кВт с полной комплектацией начинаются от 35-40 тыс. рублей (на 2012 год). Сертификация на установку данного оборудования не требуется.

См. также[ | код]

Примечания[ | код]

  1. Виды ветрогенераторов. Дата обращения: 5 февраля 2013. Архивировано 11 февраля 2013 года.
  2. 1 2 Билимович Б. Ф. Законы механики в технике. — М.: Просвещение, 1975. — Тираж 80000 экз. — С. 173.
  3. Почему у ветрогенераторов три лопасти, а не две или четыре? // Популярная механика. — 2018. — № 5. — С. 16.
  4. Что лучше - вертикальный или горизонтальный ветрогенератор? Преимущества и недостатки. КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА.
  5. Брага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 131 — ISBN 5-477-00749-4.
  6. Файзуллин И.И. Ветровые энергетические установки // Оренбургский государственный университет. — 2014.
  7. В Норвегии запустят плавучую прибрежную ветровую турбину (недоступная ссылка). Дата обращения: 9 сентября 2009. Архивировано 16 сентября 2009 года.
  8. 1 2 Jorn Madslien. Floating wind turbine launched, BBC NEWS, London: BBC, С. 5 June 2009. Дата обращения 18 апреля 2021.
  9. New Tower Reaches High to Catch the Wind
  10. Spanish Companies Plan a 15-MW Wind Turbine December 1, 2010
  11. http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2012/07/wind-turbine-blades-push-size-limits?cmpid=rss Chris Webb Wind Turbine Blades Push Size Limits, 10.07.2012
  12. Hybrid Wind-Tidal Turbine To Be Installed off Japanese Coast Июль 12, 2013
  13. Tildy Bayar. World Wind Market: Record Installations, But Growth Rates Still Falling (англ.). renewableenergyworld.com (4 August 2011). — 10 крупнейших поставщиков 2010 года по данным компании. Дата обращения: 28 мая 2013. Архивировано 28 мая 2013 года.
  14. http://www.windtech-international.com/industry-news/news/industry-news/global-wind-turbine-manufacturing-capacity-has-far-surpassed-demand Global wind turbine manufacturing capacity has far surpassed demand Published: 11 December 2014
  15. Stephen Lacey. Wind Turbine Prices Remain Low (англ.). renewableenergyworld.com (4 August 2010). — По данным компании, цены ветряных турбин снизилась на 15% за последние два года. Дата обращения: 28 мая 2013. Архивировано 28 мая 2013 года.

Литература[ | код]

Ссылки[ | код]

Реклама