Технические схемы ветровых энергоустановок

1.

Лекция № 3
«Технические схемы ветровых
энергоустановок»
1

2. Содержание:

Современное состояние
ветроэнергетики в мире и России
Классификация ВЭУ
Основные технические схемы ветровых
энергоустановок
Экономические и социальноэкологические аспекты ветроэнергетики
2

3. Установленные мощности ВЭС стран-лидеров на начало 2016 г.

Страна
Уст. мощность, ГВт
% от общей
Китай
США
Германия
Испания
Индия
Италия
Франция
Великобритания
Канада
Дания
сумма 10 стран
остальные страны
Всего
42,29
40,18
27,21
20,68
13,07
5,80
5,66
5,20
4,01
3,75
167,84
29,16
197,00
21,47
20,40
13,81
10,50
6,63
2,94
2,87
2,64
2,03
1,90
85,20
14,80
100,00
3

4. Динамика основных параметров ВЭУ

4

5. Оффшорные ВЭС

В прибрежный районах ветровые
потоки более стабильны, чем на суше.
Это позволяет увеличивать
эффективность использования
установленной мощности до 30%
5

6. Параметры ВЭУ различной проектной мощности при скорости ветра 12 м/с

Класс ВЭУ
Малые
Средние
Большие
Сверхкрупные
Расчетная
мощность,
КВт
10
25
50
100
150
250
500
1000
2000
3000
4000
Диаметр
ветроколеса
D,м
6,4
10
14
20
25
32
49
64
90
110
130
Период
вращения
Т, с
0,3
0,4
0,6
0,9
1,1
1,4
2,1
3,1
3,9
4,8
5,7
6

7. Классификация ВЭУ

в зависимости от ориентации оси вращения по
отношению к направлению ветрового потока:
• с горизонтальной осью вращения, параллельной
направлению ветрового потока (аналог ветряных мельниц)
• с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной
направлению ветра (аналог водяного колеса)
• с вертикальной осью вращения, перпендикулярной
направлению ветрового потока.
7

8. Принципиальная схема устройства ВЭУ

а) с горизонтальной осью вращения
б) с вертикальной осью вращения
8

9.

Сравнение ВЭУ с горизонтальной и
вертикальной осями вращений
Ветротурбина с вертикальной Ветротурбина с горизонтальной
осью вращения
осью вращения
Относительно простая
конструкция
Всегда «ориентированы»
на ветер
Не могут самозапускаться
Имеют относительно
невысокий КПД
Нуждаются в обеспечении
ориентации на ветер;
Имеют достаточно сложную
конструкцию;
Лопасти ветроколеса могут
двигаться со скоростью,
превышающей скорость
ветра;
Обладают наивысшим КПД
9

10. Ветроколеса крыльчатых ВЭУ

а) многолопастное
в) трехлопастное
б) четырехлопастное
в) двухлопастное
Многолопостная
ветроэлектростанция
10

11. ВЭУ с вертикальным положением ротора

Ротор Дарье
Н – ротор Дарье
Ротор
Савониуса
11

12. Основные подсистемы и узлы «крыльчатых» ВЭУ

Ветроколесо преобразует энергию ветра в механическую работу и
может иметь одну или несколько лопастей, устанавливаемых под
некоторым углом к плоскости вращения.
Крыло ветроколеса состоит из лопасти и маха, закрепленного на валу
ветроколеса, как правило, перпендикулярно к оси вала.
Гондола представляет собой опору, на которой монтируют вал
ветроколеса и передаточный механизм.
Хвост, закрепляемый позади гондолы, предназначен для установки
ветроколеса на ветер и работает подобно флюгеру.
Башня служит для поднятия ветроколеса на высоту
Механизм регулирования
служит для ограничения числа
оборотов и крутящего момента ветроколеса, а также для остановки его при
сильном ветре.
12

13. Зависимость коэффициента использования ветра Ср от быстроходности ветроколеса  для разных типов ветротурбин

Зависимость коэффициента использования
ветра Ср от быстроходности ветроколеса
для разных типов ветротурбин
13

14. Мощность ВЭУ

Ометаемая ротором площадь:
Fом ет R 2
Мощность ветрового потока,
протекающего через это сечение:
V
N ВП
R 2
2
V
3
Мощность ВЭУ:
N ВЭУ
R
2
2
V 3 ВЭУ
14

15. Энергетические характеристики ВЭУ

Nвэу, кВт
Nвэу, кВт
350
350
NВЭУуст
NВЭУуст
300
300
250
250
nвк= var
200
200
150
150
nвк=const
100
100
50
50
V, м/с
0
0
Vpmin
5
10
VpN
а) с ° = var
15
а)
Vpmax
20
25
Vpmin
30
0
V, м/с
VpN
0
5
Vpmax
10
б) с ° = const
15
20
25
30
б)
15

16. Определение мощности ВЭУ по энергетической характеристике

при Vhб ≤ Vpmin или Vhб > Vpmax;
0
при Vpmin < Vhб < VpN;
NВЭУ(Vhб)
NВЭУ(Vhб) =
NВЭУуст(Vhб) при VpN ≤ Vhб ≤ Vpmax для ВЭУ с φо = var
или
NВЭУ(Vhб) ≤ NВЭУуст
для ВЭУ с φо = const.
где Vpmin (м/с) – минимальная расчетная скорость ветра,
VpN (м/с) – расчетная скорость ветра, при которой
ВЭУ выдает установленную мощность;
Vpmax (м/с) – максимальная расчетная скорость
ветра выше которой мощность ВЭУ
равна нулю.
16

17. Основные энергетические параметры ВЭУ

Коэффициент
использования
установленной
мощности kвэуисп.:
kвэуисп. = ЭВЭУ(Т)/(Nвэууст. Т)
1.
Характерный диапазон изменения kвэуисп. - 0,25–0,50.
2. Число часов использования установленной мощности
ВЭУ за период Т (обычно 1 год) hвэуисп:
hвэуисп. = ЭВЭУ(Т)/Nвэууст.
Характерный диапазон изменения hвэуисп. - 2000 – 4000 ч/год.
3. Время работы и простоя ВЭУ(Трабвэу и Тпросвэу) за
расчетный период Т.
17

18.

Cпособы размещения ВЭУ на
поверхности земли
Равномерная роза
ветров
Неравномерная роза
ветров
С
Ю
а)
б)
в)
а) рядами на
одинаковом расстоянии
б) в шахматном
порядке
в) рядами
18

19. Определение выработки ВЭС

Энергия, вырабатывая ВЭС за время Т (обычно
1 год)
определятся выражением, Вт ч:
ЭВЭС (Т) = 1 2 3 ЭВЭУ i (Т) ZВЭУ 1 2 3 ЭВЭУ(Т),
Z ВЭУ
i 1
где
ЭВЭУ i (Т) – энергия вырабатываемая i-й ВЭУ;
ZВЭУ – количество ВЭУ;
1 – коэффициент потерь энергии ВЭС на взаимное
влияние ВЭУ (аэродинамические потери) - 0,7–1,0
2– коэффициент потерь энергии на технический
простой ВЭУ, вызванный поломкой ветроагрегата 0,95
3 - потребление энергии на собственные нужды
ВЭС 0,97.
19

20. Факторы воздействия ВЭС на природную среду и методы их устранения

Факторы воздействия
Изъятие земельных
ресурсов, изменение
свойств почвенного слоя
Акустическое воздействие
(шумовые эффекты)
Влияние на ландшафт и
его восприятие
Методы устранения
Размещение ВЭУ на неиспользуемых землях
Оптимизация размещения – минимизация
расхода земли
Целенаправленный учет изменений свойств
почвенного слоя
Компенсационные расчеты с
землепользователями
Изменение числа оборотов ветроколеса (ВК)
Изменение форм лопасти ВК
Удаление ВЭУ от объектов социальной
инфраструктуры
Замена материалов лопастей ВК
Учет особенностей ландшафта при
размещении ВЭУ
Рекреационное использование ВЭУ
Применение различных форм опорных
конструкций, окраски и т.д.
20

21. Факторы воздействия ВЭС на природную среду и методы их устранения

Факторы воздействия
Электромагнитное излучение,
телевидение и радиосвязь
Методы устранения
Сооружение ретрансляторов
Замена материалов лопастей ВК
Внедрение специальной аппаратуры в конструкцию
ВЭУ
Удаление от коммуникаций
Влияние на орнитофауну на
Анализ поражаемости птиц на трассах перелета и
перелетных трассах и морскую рыб на путях миграции
фауну при размещении ВЭС на
Расчет вероятности поражения птиц и рыб
акваториях
Аварийные ситуации,
опасность поломки и отлета
поврежденных частей ВК
Факторы, улучшающие
экологическую ситуацию
Расчет вероятности поломок ветроколеса,
траектории и дальности отлета
Оценка надежности безаварийной работы ВЭУ
Зонирование производства вокруг ВЭУ
Уменьшение силы ветра
Снижение ветровой эрозии почв
Уменьшение ветров с акваторий водоемов и
водохранилищ
21

22. ПРИМЕРЫ: Ветроэлектрические станции

Бытовая
ветроустановка
VESTAS V80
SWS04A-24
Мощность 400 Вт
Стоимость 40000 руб
Мощность 2,0 МВт
Стоимость 1,6 млн. $
Оффшорный ветропарк
Baltic One
48,3 МВт
21 турбина мощностью
2,3МВт
Стоимость 300 млн. евро
Средняя стоимость установленной мощности 1000 $/кВт
Себестоимость вырабатываемой электроэнергии 6-8 $ цент/кВтч
22

23.

23