Ветроэнергетические установки (тема № 3)

1.

ТЕМА №3
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
2.1 Общие сведения о ветроэнергетике
Ветроэнергетика – отрасль энергетики, специализирующейся на
использовании кинетической энергии ветрового потока.
Ветер – движение воздуха в горизонтальном и/или вертикальном
направлениях в атмосфере.
Причины возникновения ветра:
- неравномерный нагрев солнцем земной поверхности и океанов;
- вращение планеты и связанная с ним сила Кориолиса.
Основные характеристики ветра – скорость и направление –
крайне изменчивы и зависят от:
- рельефа местности;
- удалённости от берегов морей и океанов;
- высоты над поверхностью земли или воды;
- климатических зон, и т.д.
1

2.

Основой ветроэнергетики являются ветроэнергетические
установки (ВЭУ).
Мощность ВЭУ можно рассчитать по формуле, Вт:
1
PВЭУ V 3 S ,
2
где ρ – плотность воздушной массы, кг/м3;
V – скорость воздуха (набегающего потока), м/с;
S – так называемая ометаемая площадь ветроколеса (ВК), м2;
ξ – коэффициент использования мощности ВК;
η – суммарный КПД ВЭУ.
Коэффициент ξ зависит от коэффициента быстроходности
ВК Z:
Vкл
Z
,
V
где Vкл – линейная скорость конца лопасти ВК.
2

3.

3

4.

Ветроэнергетика – нерегулируемый источник энергии, т.к.
выработка электроэнергии ВЭУ зависит от силы ветра – фактора,
отличающегося
большим
непостоянством.
Поэтому
выдача
электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается
большой неравномерностью во времени.
Из-за нестабильности работы ВЭУ после достижения ими доли
в 20-25 % от общей установленной мощности энергосистемы
начинаются проблемы с устойчивостью. Поэтому ветроэнергетика
требует резерва мощности.
4

5.

2.2 Классификация ВЭУ
Укрупнённая классификация конструкций ВК ВЭУ:
- ВК, использующие подъёмную силу Y (преобладают);
- ВК, использующие силу сопротивления X.
Прямоугольник аэродинамических сил, действующих на крыло
Большинство типов ветродвигателей ВЭУ делятся на две
группы:
- с горизонтальной осью вращения (крыльчатые);
- с вертикальной осью вращения (карусельные) – лопастные и
ортогональные.
Типы крыльчатых ветродвигателей различаются только
5
количеством лопастей.

6.

Типы ветродвигателей
6

7.

ВЭУ с горизонтальной осью и
крыльчатым ВК с 3 лопастями
ВЭУ с вертикальной осью и
лопастным ВК с 3 лопастями
ВЭУ с вертикальной осью и
ортогональным ВК с 2 лопастями
7

8.

К ВЭУ, использующим подъёмную силу, можно отнести:
- крыльчатые ВК (горизонтальная ось);
- ротор Дарье (вертикальная ось, ортогональное ВК);
- ротор Масгроува (вертикальная ось, ортогональное ВК);
- роторные ВЭУ на эффекте Магнуса (горизонтальная ось);
К ВЭУ, использующим силу сопротивления, можно отнести:
- ротор Савониуса (вертикальная ось, лопастное ВК);
- парусные ВЭУ.
Крыльчатое ВК
Ротор Дарье
Ротор Масгроува
8

9.

Роторная ВЭУ
на эффекте Магнуса
Ротор Савониуса
Парусная ВЭУ
Достоинства ВЭУ с горизонтальной осью:
- изменяемый шаг лопаток турбины позволяет использовать
энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона;
- высокая мачта способствует преобразованию энергии ветра на
большем расстоянии от земли;
9

10.

- поскольку ветроколесо всегда направлено перпендикулярно
ветру, используя весь поток воздуха, система имеет высокую
эффективность.
Недостатки ВЭУ с горизонтальной осью :
- необходимость в высоких массивных мачтах (свыше 100 м) и
длинных лопастях, которые трудно транспортировать;
- для сооружения промышленных ВЭУ большой мощности
требуются
специализированное
оборудование
и
высококвалифицированные сотрудники, поэтому производство таких
ВЭУ осуществляется в ограниченном количестве стран;
- из-за размеров ВЭУ наблюдаются помехи в радиосигналах и
связи;
- необходимость в установках системы направления оси на
ветер.
10

11.

Достоинства ВЭУ с вертикальной осью:
- возможность применения конструкций меньших размеров;
- отсутствие механизмов ориентации по ветру;
- рабочие элементы расположены близко к земле, что облегчает
их обслуживание;
- невысокая минимальная рабочая скорость ветра (система
начинает работать при скорости 2-2,5 м/с);
- строительство можно вести в местах, где невозможно
возведение высоких сооружений;
- меньше шума во время работы, чем у систем с горизонтальной
осью.
Недостатки ВЭУ с вертикальной осью:
- часть системы работает против набегающего потока воздуха,
поэтому эффективность работы большинства таких ВЭУ почти вдвое
ниже, чем с горизонтальной осью;
- некоторые элементы системы находятся внизу, под весом
конструкции, и их ремонт или замена не всегда возможны без демонтажа
11
всей конструкции.

12.

Ветроэнергетику можно разделить на малую (ВЭУ мощностью
менее 100 кВт) и промышленную (мощность 100 кВт и выше).
Характеристики ВЭУ различных классов
12

13.

2.3 Основные конструктивные элементы ВЭУ
Общая структурная схема ВЭУ
В мировой практике производства ВЭУ предпочтение отдается
агрегатам с горизонтально расположенной осью вращения, основными
узлами и системами которых являются:
- ветроколесо;
- редуктор;
- электрический генератор;
- поворотная гондола;
13
- башня.

14.

Строение промышленной ВЭУ
14

15.

Продольный разрез гондолы (ветроагрегата) ВЭУ
15

16.

2.4 Промышленная ветроэнергетика
Промышленная ветроэнергетика представляет собой
совокупность многоагрегатных ветроэлектрических станций (ВЭС)
или ветропарков, которые объединяет отдельные ветроагрегаты в
единый
энергетический
комплекс,
способный
обеспечивать
электроэнергией небольшие населенные пункты или действует
совместно с национальной энергосистемой.
Объединение отдельных ВЭУ в ВЭС предоставляет следующие
преимущества:
- стабильность (устойчивость) выработки электроэнергии;
- отсутствие необходимости аккумулирования вырабатываемой
электроэнергии каждой отдельной ВЭУ в составе ВЭС;
- снижение капитальных затрат на строительство каждой ВЭУ
в составе ВЭС.
16

17.

ВЭС возле Палм-Спрингс
(Калифорния, США)
ВЭС в прибрежной зоне
Дании
17

18.

Особенности подключения ВЭС к электрическим сетям
энергосистемы:
- в Беларуси подключение ВЭС или отдельной ВЭУ к сети
допускается, если её мощность не ниже 10 кВт;
- как правило, максимальная подключаемая к сети мощность
ВЭС не должна превышать 20% от мощности энергосистемы (с целью
обеспечения устойчивости работы энергосистемы, поддержания
стабильности частоты и напряжения в сети);
- строительство ВЭС в местах с большим ветропотенциалом, но
низким спросом на электроэнергию, может привести к значительным
колебаниям частоты и напряжения в сети;
- ВЭС требуют резерва мощности в энергосистеме, а также
механизмов
сглаживания
неравномерности
выработки
ими
электроэнергии.
18

19.

Система сбора и
распределения энергии ВЭС
19

20.

2.5 Малая ветроэнергетика
Малые ветрогенераторы могут работать автономно, без
подключения к общей электрической сети.
В качестве малых ветроустановок (МВЭУ) обычно
используются ВЭУ на основе:
- ротора Савониуса;
- ротора Масгроува;
- парусного ВК.
ротор
Савониуса
четырёхлопастной ротор
Масгроува
(АВЭУ мощностью 3 кВт)
парусный
ветрогенератор 20

21.

Основные элементы МВЭУ:
- ветротурбина, состоящая из ротора и лопастей;
- мачта с растяжками;
- генератор;
- аккумуляторные батареи;
- контроллер режимов работы (поворот лопастей, заряд
аккумуляторов, защитные функции и т.д.);
- инвертор;
- анемометр и датчик направления ветра;
- автоматический переключатель источника питания.
Генераторы, в зависимости от типа, могут выдавать
переменное или постоянное напряжение.
Инвертор обеспечивает:
- питание электроприёмников на переменном или постоянном
напряжении;
- преобразование переменного напряжения от генератора в
постоянное напряжение для заряда аккумулятора.
21

22.

Инверторы классифицируют по:
- входному постоянному напряжению (12, 24 и 48 В);
- мощности (от 500 Вт до 5 кВт и более);
- форме выходного напряжения (квадратичная, трапециевидная и
синусоидальная).
Аккумуляторные батареи (АБ) необходимы для:
- накапливания электроэнергии, которая будет использоваться в
безветренные часы;
- выравнивания и стабилизации напряжения с выхода генератора
(на входе инвертора).
В МВЭУ автономного исполнения используют свинцовокислотные и щелочные аккумуляторы.
Свинцово-кислотные АБ имеют следующие разновидности:
- стартерные (с жидким электролитом);
- AGM-батареи (герметизированные необслуживаемые);
- GEL-батареи (гелевые);
- тяговые (обычно с жидким электролитом);
- заливные с намазными пластинами (серия OPzS);
22
- герметичные с намазными пластинами (серия OPzV).

23.

К щелочным АБ относят:
- никель-кадмиевые (Ni-Cd) с жидким электролитом или
герметичные;
- никель-металлогидридные (Ni-MH) (никель-железные) с
жидким электролитом или герметичные.
Существуют несколько вариантов подключения МВЭУ к
потребителям электроэнергии:
1) автономная ВЭУ (периодическое электроснабжение,
потребление на постоянном напряжении);
23

24.

2) автономная ВЭУ + АБ (бесперебойное электроснабжение,
потребление на постоянном напряжении);
3) автономная ВЭУ + АБ + инвертор (бесперебойное
электроснабжение, потребление на переменном напряжении 220 В / 50
Гц);
24

25.

4) автономная ВЭУ + АБ + инвертор + дизель-генератор
(бесперебойное электроснабжение, потребление на переменном
напряжении 220 В / 50 Гц);
5) автономная ВЭУ + АБ + инвертор + дизель-генератор + сеть
(бесперебойное электроснабжение, потребление на переменном
напряжении 220 В / 50 Гц);
25

26.

6) параллельная работа ВЭУ с трёхфазной сетью напряжением
380 В / 50 Гц (ВЭУ подключается к шинам распределительного
устройства ближайшей подстанции или потребителя).
26