1.2 Производство электроэнергии с помощью ветроэнергетических установок
Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра. Эффективность преобразования механической энергии в электрическую в электрогенераторе составляет обычно 95%, а потери электрической энергии при передаче не превышают 10%.
Из (1.2) видно, что энергия или мощность потока пропорциональна кубу скорости. Однако в механическую работу можно превратить только часть энергии потока, протекающего через ветротурбину. Другая часть энергии теряется на трение воздушных частиц и различные потери, так как ветротурбина оказывает сопротивление движению воздушных частиц. Кроме того, значительная часть энергии содержится в воздушном потоке, уже прошедшем через ветротурбину. Это объясняется тем, что поток за ветротурбиной также имеет некоторую скорость (рис.1.2).
Рисунок 1.2 – Действие силы ветра на ветротурбину
На рис. 1.2 A1 – площадь, ометаемая ветротурбиной, А0 и А2 – площади поперечных сечений проходящего через ветротурбину ветрового потока соответственно до и за ним. Причем сечение А0 расположено за пределами возмущенной ветротурбиной области, а сечение А2 – в месте наименьшей скорости потока. Положение площади сечений А0 и А2 можно определить по результатам экспериментальных измерений поля скоростей в окрестности ветротурбины. Непосредственно в сечении А1 провести такие измерения невозможно из-за вращения ветротурбины.
Скорость потока за ветротурбиной не может быть равна нулю и наилучший режим работы ветродвигателя имеет место, когда скорость непосредственно за ветротурбиной составляет 2/3 от первоначальной скорости потока, набегающего на ветротурбину.
Число, показывающее, какая часть мощности воздушного потока полезно используется ветротурбиной, называется коэффициентом мощности или коэффициентом использования энергии ветра СР.
Тогда мощность воздушного потока за ветротурбиной будет равна:
(1.5)
В лучших промышленных аэрогенераторах коэффициент мощности достигает 0,4. Коэффициент мощности СР характеризует эффективность использования ветрогенератором энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую ветротурбиной площадь А1.
Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии. Эти требования жесткие при работе ветроустановок в рамках единой энергосистемы и достаточно мягкие при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках. К настоящему времени разработано много проектов ветроэлектрических установок, включая и генераторы к ним, но в будущем с превращением ветроэнергетики в самостоятельную отрасль энергетики, несомненно, появятся принципиально новые конструкции ВЭУ.
При проектировании ветроэлектрических установок надо учитывать следующие их особенности:
1) для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности, в то же время для максимально эффективной работы электрогенератора необходима практически постоянная частота вращения;
2) механические системы управления частотой вращения ветротурбины достаточно сложны и дороги. Гораздо эффективнее и дешевле управлять частотой его вращения, изменяя электрическую нагрузку электрогенератора;
3) оптимальная частота вращения ветротурбины тем меньше, чем больше его радиус, поэтому только очень малые ветроколеса (радиусом не более 2 м) удается соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветротурбины приходится использовать повышающие редукторы, удорожающие ветроустановку и ее обслуживание. Альтернативой редукторам могут стать новые типы многополюсных генераторов, работающих при меньших частотах вращения;
4) в конструкции ветроэлектрической установки предусматривается, как правило, возможность отключения генератора от ветротурбины и вращения его от химического или механического аккумулятора энергии, поэтому систему управления генератором не связывают с работой ветротурбины. При отсутствии такой связи даже при “мягком” соединении генератора с ветротурбиной необходимы специальные демпфирующие устройства, дли того чтобы исключить механические удары, перегрузки и броски напряжений на выходе генератора.
Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ВЭУ. а именно:
а) наиболее благоприятные ветровые условия существуют, как правило, в малонаселенных районах, на островах и в море. Требования к электроэнергии в таких районах весьма специфичны, но почти наверняка ее здесь требуется гораздо меньше, чем в развитых промышленных районах;
б) анализ парка потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5 – 10% из них предъявляют определенные требования к ее параметрам (например, к частоте). Это в основном электродвигатели, электронные устройства и осветительные установки. Поэтому целесообразно так строить систему электроснабжения, чтобы она могла обеспечивать потребителей как дешевой электроэнергией с нестабилизированными параметрами (например, для отопления), так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами;
в) энергосистемы в сельской местности обычно маломощные и относительно низковольтные (менее 33 кВ), при передаче энергии на большие расстояния возникает много проблем, связанных с ее потерями, поэтому подключение ВЭУ к таким системам нецелесообразно;
г) так
как периоды безветрия неизбежны, то для исключения
перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы
энергии или быть запараллеленными электроэнергетическими установками других
типов.
Совершенно очевидно, что развитие ветроэнергетики будет стимулировать прогресс во всей электроэнергетике.
1.3 Классификация ВЭУ
Современные ВЭУ – это комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, которые преобразуют энергию ветра в механическую энергию вращающейся ветротурбины, а затем в электрическую энергию.
Основными классификационными признаками структур ВЭУ являются:
- соотношение мощности ВЭУ и мощности энергосистемы;
- тип применяемой ветротурбины;
- тип применяемой электромашины.
1.3.1 Классификация по соотношению мощности ВЭУ и мощности энергосистемы
Согласно этой классификации ВЭУ делятся на три класса.
Класс А. К этому классу относятся ВЭУ, неподключенные к единой энергосистеме. В зависимости от применения, такие ВЭУ обычно комплектуются небольшими аккумулирующими (электроаккумулирующими) устройствами. Частота выходного напряжения, как правило, не стабилизирована. Они применяются в основном для освещения, электропитания сигнальных устройств и средств связи. Мощность таких ВЭУ не более 5 – 10 кВт.
Класс В. Мощность этих ВЭУ соизмерима с мощностью сети. Как правило, такие ВЭУ входят в состав локальных энергосистем отдельных районов, например, островных, отрезанных от основной энергосистемы естественными препятствиями: морем, болотистой местностью и т. д. Наиболее экономично в этом случае комбинированное применение ВЭУ с дизельэлектростанциями. При этом ВЭУ рассматриваются как средство экономии дизельного топлива. Параметры выходного напряжения в таких системах достаточно стабильны. В системах класса В более эффективно применение больших аккумулирующих устройств и сооружений, таких как водородные аккумуляторы и небольшие гидроаккумулирующие станции.
Класс С. Мощность сети значительно превышает установленную мощность ВЭУ. Такие ВЭУ относятся к системной ветроэнергетике. Они способны оказать влияние на состояние энергетического баланса большого региона или даже страны. В классе С целесообразно применение ВЭУ с установленной мощностью от 100 кВт до нескольких мегаватт. При этом обостряются проблемы, связанные с геометрическими размерами, возникают напряженные режимы работы механических частей.
В этом классе возможно достижение наилучших технико-экономических показателей. При случайном характере скорости ветрового потока и потребления электрической энергии необходимо соблюдение баланса мощности. В классах А и В для этой цели необходимы аккумулирующие, либо дополнительные генерирующие устройства, а их стоимость соизмерима со стоимостью ВЭУ. В классе С баланс мощности осуществляется за счет энергосистемы, что значительно экономичнее. Таким образом, наименьшей удельной стоимости ВЭУ можно достичь именно на пути развития системной ветроэнергетики.
1.3.2 Классификация по типу применяемой ветротурбины
В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов (рис. 1.3): горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа. Мощность ВЭУ может быть от сотен ватт до нескольких мегаватт.
Рисунок 1.3 – Основные виды ветродвигателей
В состав ветродвигателя обоих типов входят следующие основные части:
- ветроколесо (ветротурбина, ротор) – преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна. Для автономных систем с выпрямителем и инвертором – обычно переменная. Ветроколесо содержит лопасти, которые закрепляются в ступице ветроколеса;
- мультипликатор (редуктор) – промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;
- башня или мачта (ее иногда укрепляют стальными растяжками) – служит для размещения головки с ветроколесом и мультипликатора на ветер на некоторой высоте относительно уровня земли, что необходимо для производительной работы ветродвигателя и соблюдения требований техники безопасности. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни;
- основание (фундамент) – предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре. [1]
Ветротурбина с горизонтальной осью (рис. 1.4, а). Рассмотрим горизонтально-осевые ветротурбины пропеллерного типа. Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветротурбина должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров ветроустановки. Направление ветра может изменяться довольно быстро, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
