Мощность ветрогенераторов

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) – это прибор для превращения энергии ветра в электрическую.

Сначала он превращает кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию. Мощность ветрогенератора может быть от 5 КВт до 4500 КВт. Современные устройства генерируют энергию даже очень слабого ветра – от 4 м/с. Ветроэлектрические установки могут входить в состав частной независимой электростанции и позволяют продавать излишнюю энергию государству по условиям «зеленого тарифа». Такие сооружения могут быть источником энергии для локальных и островных объектов, так как решают проблемы энергоснабжения автономно.

Как работает ветрогенератор: принцип преобразования энергии ветра

Потоки ветра вращают лопасти ветрогенератора: проходят через турбину, приводит её в действие и она начинает вращаться. На валу турбины возникает энергия, которая будет пропорциональна ветровому потоку. Чем сильне ветер, тем большее количество энергии возникает. Далее энергия передается по валу ротору на мультипликатор (если он есть), который её генерирует. Учтите, что более продуктивными являются устройства без мультипликатора, который ускоряет вращение оси, потому что не создается, а, естественно, и не растрачивается лишняя энергия, а скорости ветра вполне достаточно для оптимальной работы ветрогенератора.

Генератор превращает механическую энергию в электрическую.

Мощность ветряка измеряется «ометаемой» площадью турбины.
Чем больший размер лопастей, тем большую мощность он создает.

Мощность ветрогенератора рассчитывается исходя из кубической зависимости скорости ветра.

Пример:

Если ветровой поток со скоростью n создает мощность 100 Вт, то поток со значеним n+1 будет создавать мощность 300 Вт, а вот n+2 – уже 900 Вт.

Поэтому, если размер турбины не большой, то нужен очень сильный поток ветра, чтобы мощность была высокой, и наоборот – большая турбина может выдавать ту же мощность при более слабом ветре.

Но для того, чтобы работа ветрогенератора была сбалансированной и выдавала нужное количество энергии нужно на этапе проектирования правильно рассчитать все необходимые параметры ветряной электростанции.

От чего зависит КПД ветрогенератора?

Как уже говорилось, КПД ветрогенератора является производным от его технического состояния, вида турбины, конструктивных особенностей данной модели. Из школьного курса физики известно, что КПД — это отношение полезной работы к общей работе. Или отношение энергии, затраченной на выполнение работы, к энергии, полученной в результате.

В этом отношении возникает интересный момент — используемая энергия ветра получена совершенно бесплатно, никаких усилий со стороны пользователя приложено не было. Это делает КПД чисто теоретическим показателем, определяющим чисто конструктивные качества устройства, тогда как для владельцев в большей степени важны эксплуатационные характеристики. То есть, возникает ситуация, в которой КПД не столь важен, все внимание отводится чисто практическим задачам.

Тем не менее, при изменениях рабочих параметров в ту или иную сторону, автоматически меняется и КПД, что свидетельствует о его взаимосвязанности с общим состоянием устройства.

Какие конструкции имеют наивысший КПД?

На сегодня наивысший КПД горизонтальных ветровых установок, обладающих большей эффективностью, чем вертикальные ветряки, равен 0,4. Для вертикальных устройств среднее значение считается равным 0,38, т.е. показатели близки и не находятся на большом удалении друг от друга. Периодически появляются сообщения о разработках устройств, КПД которых превышает существующие показатели в 2 или более раз, что весьма сомнительно и не подтверждается более ничем, кроме голословных утверждений журналистов, плохо представляющих себе предмет.

Тем не менее, устройства с заметно возросшей эффективностью существуют. Они созданы в разных конструкционных вариантах, есть горизонтальные или вертикальные установки с повышенной производительностью, мощностью, остальными параметрами. Большинство таких устройств являются маломощными комплексами, предназначенными для использования в отдаленных районах и обеспечивающие отдельные дома или участки.

Для России важно создание именно таких устройств, так как потребности в энергоснабжении имеются только в труднодоступных и отдаленных регионах. Монтаж больших промышленных станций там не всегда возможен или нерентабелен.

Известны конструкции изобретателей Онипко, Третьякова и многих других конструкторов, имеющие оригинальные и элегантные варианты увеличения производительности и, соответственно, КПД. Большинство из них пока еще находятся в стадии разработки или подготовки к массовому производству, так как активная работа в этом направлении начата относительно недавно, еще не успела полностью реализоваться в виде промышленных изделий.

Способы увеличения КПД

Для того, чтобы увеличить КПД ветрогенератора, надо изменить в положительную сторону его рабочие или эксплуатационные характеристики. В первую очередь, надо повысить чувствительность крыльчатки к слабым и неустойчивым ветрам. Россия считается самой богатой ветровыми ресурсами страной, но это только из-за большой площади. Средние показатели в нашей стране относительно невысокие, скорости потока слабые или средние. Это вынуждает изыскивать пути повышении эффективности крыльчатки.

Одним из интересных предложений в этой области является «лепестковый парус», разработанный Евгением Цукановым. Он предложил идею создания своеобразной односторонней мембраны для воздушного потока, свободно пропускающей ветер в одну сторону и являющейся плотной непроницаемой преградой для потока обратного направления.

Согласно разработке Цуканова, полотно лопастей состоит из сетки, покрытой лепестками. Они прикреплены одной кромкой к сетке, свободно свисают вниз, частично перекрывая друг друга. При фронтальном направлении лепестки прижимаются к сетке, образуя непроницаемую поверхность, принимающую энергию ветра в полном объеме. Если направить поток с обратной стороны, лепестки под действием ветра поднимаются и пропускают воздух без сопротивления.

Этот вариант требует некоторых промышленных мероприятий, в частности, создании технологических линий по производству подобного полотна, но сама по себе идея весьма удачно позволяет устранить воздействие ветра на обратные стороны лопастей, что очень увеличит КПД вертикальных конструкций и позволит получить от них совершенно другие результаты.

Существуют и другие способы, например, использование диффузоров или защитных колпаков, отсекающих поток с противодействующих поверхностей. Все эти варианты конструкции имеют свои достоинства и недостатки, но, в целом, они намного эффективнее традиционных образцов, поэтому нуждаются в активной доработке, запуске в промышленное производство.

Грандиозные проекты

Один из самых великих проектов ветроэнергетики — строительство ветряка «Энеркон Е-126». Это крыльчатый генератор с горизонтальной осью вращения и 3-мя лопастями. На сегодняшний день enercon является самым большим и мощным ветряком в мире.

Самый большой в мире промышленный ветрогенератор Enercon E-126

Длина одного крыла 63 м, диаметр окружности, описываемой лопастями – 127 м, высота основания – 135 м. Вес этой огромной конструкции порядка 6000 тонн. Максимальная мощность генератора 7,58 МВт.

Установлено это чудо технической мысли рядом с немецким городом Эмдене в 2007 году. Лопасти ветряка совершают 5-11,7 оборотов/мин, а минимальная скорость ветра для вращения крыльев 3 м/с.

Ветрогенератор Vestas V164-8.0 MW

Компания Vestas возвела ветровой генератор того же типа V164-8.0 MW мощностью 8 МВт. Высота мачты составила 140 м, длина одного крыла 80 м.

Морской ветрогенератор

Большой плавучий ветряк был воздвигнут японцами после взрыва на АЭС Фукусима. Высота мачты около 105 м, мощность 7 МВт.

Ветряная электростанция San Gorgonio Pass, Калифорния. Включает 3218 ветряных генераторов, производящих 615 МВ электроэнергии.

Ветроэлектростанция Мэпл Ридж — крупнейшая в штате Нью-Йорк. Введена в эксплуатации в 2006 году. Ферма на 75% удовлетворят потребности Нью-Йорка в электричестве.

Ветряная ферма Lynn and Dowsing, Линкольншир, Великобритания, работает с 2008 года. Обеспечивает энергией 130 000 домов.

Ветровая электростанция на острове Роса в Антарктиде производит 999 кВт (3 турбины, каждая генерирует по 333 кВт). Установлена ферма на холме Кратер Хил для снабжения станций Скотта (Новая Зеландия) и Макмердо (США). Ветряки на 11% удовлетворяют нужды исследовательских станций.

Арктический поселок Амдерма

Электростанция на ветряных генераторах в российском арктическом поселке Амдерма. Состоит из 4-х турбин, генерирующих до 677,2 МВт (38,6% от потребляемой жителями энергии). Цена 1 кВт ветроэнергии составляет порядка 20 руб, против 65,51 руб, которые жители Амдерма платят за электричество, вырабатываемое дизельным генератором. Дизель, используемый в местных электростанциях, дорог и сильно загрязняет природу. Применение ветрогенераторов позволяет заметно удешевить энергию и улучшить экологическую обстановку. А некоторые северные умельцы мастерят ветрогенераторы своими руками.

Tehachapi Pass, Калифорния, одна из старейших станций, эксплуатируемых ныне. Станция возведена в 1980 году, периодически ремонтируется и обновляется.

Ферма Уитли, Шотландия, включает 140 установок, обеспечивая электричеством 180 000 домов. Это одна из самых мощных станций Европы.

Китайская ветроферма Ганьсу мощностью порядка 8 ГВт. Построена в городе Цзюцюань и постоянно модернизируется. В 2017 году мощность планируется поднять до 17 ГВт, к 2020 – до 20 ГВт.

Летающий ветряк Buoyant Airborne Turbine

Летающий ветряк Buoyant Airborne Turbine – трехлопастной генератор с горизонтальной осью в специальном дирижабле. Находится установка на Аляске, в 600-х метрах над уровнем земли. Рабочим газом дирижабля является гелий. Мощность вентрогенератора 30 кВт.

Ветроферма в российском поселке Усть-Камчатск, Камчатка, вырабатывающая 1 МВт. В комплекс входит 4 ветровых машины.

Ветроэнегростанция Муппандал, Индия, производящая 1500 МВт. Построена в штате Тамил Наду в 2011 году.

Электростанция на ветряках Джайсалмер, Индия, штат Раджистан, производит 1063 МВт. Введена в эксплуатацию в 2012 году.

Электростанция Альта, Калифорния, выдает 1020 МВт энергии. Запущена в 2010 году.

Honda возвела ветровую электростанцию в Бразилии для снабжения своего автомобильного завода. Мощность установки 95 000 МВт/год.

Ветряные фермы Южной Австралии до половины потребляемой энергии. Одна из наиболее мощных станций – Woodlawn.

2 больших ветрогенератора, суммарной мощностью 1520 МВт, построили в Жамбылской области Казахстана.

Строительство другой, более мощной ветровой машины «Sea Titan», ведет американская компания AMSC. Длина лопасти, согласно проекту, будет 95 м. Предполагается, что это будет самый мощный ветрогенератор в мире.

Конструкция ветряной электростанции

Система состоит из:

• ветрогенераторной установки;
• контроллера заряда;
• аккумуляторной батареи;
• инвертора.

Конструкция ветряка:

• Мачта (может быть трубчатого типа или «ферма»):
• Турбина – это ротор, предназначенный для того, чтобы превратить энергию прямолинейного движения воздушного потока;
• Система управления турбиной;
• Генератор преобразовывает энергию ветра в электрическую;
• Ланка передачи энергии (мультипликатор или сам вал);
• Выпрямитель (поскольку зачастую в ветряках используются генераторы переменного тока для того, чтобы правильно зарядить аккумулятор или отправить энергию в сеть (бытовой сегмент));
• Система азимутального привода или хвост (иногда устанавливаются машины, у которых к ветряку прикрепляется «хвост», он ориентируется по ветру самостоятельно).

Типы ветрогенераторов

По мощности и области применения ветрогенераторы бывают:

• промышленные (мощность от 500 КВт);
• бытовые (мощность 0-10 КВт).

Устройства с мощностью от 10 до 500 КВт используются крайне редко.

По конструкции бытовые типы ветряков отличаются конструкцией ротора (турбины):

1. С горизонтальной осью. Отличаются системой управления турбины (ротора), она может быть:

• аэромеханической (на лопастях установлены специальный «закрилышки», которые меняю угол направления ветра: чем больше скорость ветра, тем больше угол атаки лопастей и наоборот). Меняя угол атаки, мы можем управлять турбиной как на малых, так и на больших скоростях для эффективной и правильной работы устройства.
• с азимутальным приводом (электроника фиксирует скорость и направление ветра, поворачивает или отворачивает турбину от ветра, если скорость ветра превышает номинальную).

1. С вертикальной осью – это малоэффективные устройства, которые не рекомендовано использовать из-за ряда недостатков.
   Они отличаются типом турбин:

• ротор Савониуса (Savonius). Их недостатком является коэффициент опережения. Если скорость ветра 10 м/с, то законцовка турбины будет вращаться со скоростью 100 м/с, соответственно, коэффициент опережения – 10. Фактически ветряк не может самостоятельно стартовать, его нужно раскручивать и только после этого он начинает работать. Если этого не делать, то он начет вырабатывать энергию только при скорости ветра 10 м/с и больше.

• ротор Дарье (Darrieus). Применяются разве что как анемоскопы, так как малоэффективные.

Сейчас широкое применение получили ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения (крыльчатые), благодаря тому, что у них коэффициент использования энергии ветрового потока (КИЭВ) легко достигает 30% и больше, а у ветрогенераторов с вертикальной осью вращения КИЭВ составляет около 20%.

Система бытового энергоснабжения с использованием ветрогенератора похожа на систему с солнечными модулями, в одной системе могут использоваться как ветрогенераторы, так и солнечные модули.

От высоты мачты и диаметра ротора зависит количество выработанной энергии следующим образом: на каждые 10 метров подъёма ветряка добавляется 1 м/с скорости ветра. Чем выше мачта, тем больше вероятность того, что он будет работать максимально эффективно. И та же ситуация с ротором: чем больше диаметр, тем больше выработка энергии.

Значения силы ветрового потока для работы ветряка:

1. Скорость ветра для начала вращения лопастей, при котором мощности нет вообще – от 1,5 м/с.
2. Минимальная скорость ветра при которой уже начинается генерация мощности – 3 м/с.
3. Номинальная скорость ветра (для ветрогенераторов украинского производства) – 7-9 м/с.
4. Максимальная скорость ветра, при которой ветрогенератор украинского производства сохраняет свою работоспособность– 52 м/с (200 км/час), что свидетельствует о высоком качестве сборки установки и прочности материалов изготовления.

Применение и рекомендации по месту установки ветрогенератора

Ветрогенераторы характеризуются широким применением на объектах различного назначения: частные дома и домохозяйства, предприятия, отдельные сооружения, которые требуют автономного энергоснабжения.

Их устанавливают на открытых, желательно возвышенных территориях, где есть хороший ветровой потенциал: поле, горы (холмы), остров и даже мелководье.

Ветрогенераторы могут устанавливаться как по одиночке так и группами, объединяясь в ветропарк для энергоснабжения масштабных предприятий.

Чаще всего ветряные электростанции применяются для энергоснабжения автономных зданий, где отсутствует подключение к городской электросети.

Маломощные ветряки используются на охотничьих угодьях, рыбацких станах, на дачных участках для пчеловодов, на автономных светильниках для освещения дорог.

В настоящее время применение ветрогенераторов как альтернативы центральному энергоснабжению нерентабельно из-за большой стоимости оборудования, но, в то же время, возможно использование ветрогенераторов в местах, где отсутствует централизованное энергоснабжение или присутствуют частые перебои. Период окупаемости – 25 лет.

Также существует техническая возможность исполнения генератора выдающего переменный ток, который можно использовать для прямого питания потребителей, которые не требуют бесперебойного питания, к примеру, насос для осушения какой-нибудь территории.

В Украине на всей территории возможно использование ветрогенераторов с той или иной степенью эффективности. Наиболее выгодно, с точки зрения ветрового потенциала, размещать ветрогенераторы в Крыму и Закарпатье.

Разовые затраты

В качестве основы для ТЭР берутся информационные материалы, оборудование и цены ветрогенераторов выпускаемых фирмой ООО «ГРЦ-Вертикаль».

ООО «ГРЦ-Вертикаль» создано на базе ФГУП Государственного Ракетного Центра (КБ им. Академика В.П.Макеева) и Научно-исследовательского института «Уралмет» в 2004 году, как предприятие с непосредственным участием КБ и НИИ.

Деятельность фирмы сфокусирована в основном на разработке и выпуске малых и средних ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью 1…100 кВт, а также систем и комплексов, включающих в себя автономные системы очистки воды, разработанные на базе водоочистительных установок атомных подводных лодок, водородные системы бесперебойного питания на базе криогенных технологий и другие уникальные агрегаты.

Наименование оборудования входящего в комплект	Количество (шт.)	Цена ед (руб)	Цена (руб.)
1. Ветрогенератор «Вертикаль — ВЭУ-1.5»
Ротор с лопастями и ступица	1		160000
Генератор	1		95000
Тормоз (тормозной отсек)	1		15000
2. Мачта*
Мачта-труба 20 метров с растяжками и устройством подъема	1		160000
Молниеотвод	1		14000
Фундамент	1		10000
3. Зарядное устройство	1		Часть инвентора
4. Аккумуляторные батареи по 200Ач.	4	15000	60000
5. Инвертор	1		60000
6. Пульт контроля и управления	1		3000
7. Неучтенные затраты примерно 10 %			60000
Стоимость всего комплекта			637000