Макроскопическая ветроэнергетика: Схемы построения и параметры ветровых турбин
Классификация ветровых турбин. Энергия ветра может превращаться с помощью ветрогенераторов в электрическую энергию с последующим использованием ее для работы электрических машин и оборудования.
рис. 4.3, a. b
Структурная схема преобразования кинетической энергии молекул воздуха в электрическую энергию показана на рис. 4.3, a. Воздушный поток, состоящий из большого количества элементарных частиц воздуха, движущегося с определенной скоростью над поверхностью Земли. Кинетическая энергия частиц воздуха при взаимодействии с лопастями ветродвигателя путем их обтекания вызывает подъемную силу лопастей и, таким образом, вызывает вращение ротора турбины навкруг оси, превращая кинетическую энергию воздуха в кинетическую энергию ветровой турбины. Соединенный с ветровой турбиной ротор электрогенератора также получает кинетическую энергию и преобразует ее при вращении его проводящих обмоток в магнитном поле в электрическую энергию.
На рынке используется несколько видов ветроэнергетических установок. Наибольшее распространение нашли два из них - установки с горизонтальной и вертикальной осями вращения.
Ветровые турбины с горизонтальной осью вращения. Ветровая энергетическая установка с горизонтальной осью вращения, имеющий две или три лопасти, закрепленные на роторе - наиболее распространенный тип ВЭУ.
Базовая схема ветровой энергетической установки (ВЭУ) с горизонтальной осью вращения показана на рис. 4.3, b. ВЭУ состоит из башни, турбины, трансмиссии и электрогенератора. Ее принцип работы основан на преобразовании кинетической энергии движущегося воздуха в кинетическую механическую энергию громоздкого подвижного элемента - ветровой турбины, сформированной из нескольких лопастей. Вращательное движение турбины посредством трансмиссии превращается в вращательную кинетическую энергию ротора электрогенератора. Ротор электрогенератора состоит из проводящих обмоток. Двигаясь в магнитном поле постоянных магнитов или электромагнитов, проводники формируют электрический ток. В дальнейшем параметры электрического тока доводятся до значений, пригодных для потребления (получения тепла, освещения, питания бытовых приборов и промышленного оборудования).
Часть турбины, соединяющей лопасти с генератором, называется осью машины. В турбин с горизонтальной осью вращения ведущий вал ротора расположен горизонтально. В рабочем состоянии относительно направления воздушного потока ротор турбины может находиться перед опорой - (наветренную ротор) или опорой (подветренную ротор). Чаще всего, турбины с горизонтальной осью вращения имеют три или две лопасти, хотя известны модели и с большим количеством лопастей. Такие ВЭУ выполняются в виде диска с большим количеством лопастей и получили название монолитных установок, работающих при низких скоростях вращения и используются как правило, в качестве водяных насосов для создания высокого стартового крутящего момента. ВЭУ с большим количеством лопастей менее эффективны, так как лопасти создают помехи друг другу. В то же время установки с двумя и тремя лопастями эффективно работают на больших скоростях вращения, когда они максимально используют имеющиеся ветряные потоки, проходящие через площадь ротора.
По способу взаимодействия с ветром ВЭУ делятся на установки с жестко закрепленными лопастями (без регулировки наклона) и установки с регулировкой угла наклона лопастей. Последние ВЭУ имеют более высокую эффективность использования ветра и они, соответственно, производят больше электроэнергии. В то же время эти агрегаты должны быть оснащены специальными подшипниками, которые являются причиной частой поломки механизмов. Установки с жестко закрепленными лопастями более просты в обслуживании, но эффективность использования ими ветрового потока ниже.
Лопасти турбины изготавливают из стекловолокна, полистирола, эпоксидного полимера или углеродного пластика. Длина лопастей современных ВЭУ изменяется в пределах 25 ... 60 м. Важным требованием к лопастей является непрепятствование прохождению телевизионных сигналов.
Центральный вал установки связан с ведущим валом привода через коробку передач - трансмиссию (в некоторых случаях вал ротора напрямую соединен с приводом генератора). Трансмиссия и привод необходимы для передачи кинетической энергии через ведущий вал на генератор, который вырабатывает электроэнергию.
Все системы ВЭУ контролируются компьютером, который может находиться на расстоянии от ВЭУ. Система контроля угла наклона лопаток "возвращает" лопатки на величину угла, необходимую для эффективной работы при всякой скорости ветра. Система управления разворачивает ось ротора ВЭУ в направлении ветра, а также поддерживает постоянное напряжение на генераторе при изменении скорости ветра.
Чем больше воздушная масса, тем больше ее кинетическая энергия. Соответственно, энергия ветра зависит от удельного веса воздуха. Удельный вес, в свою очередь, зависит от числа молекул в единице объема. При нормальном атмосферном давлении при температуре 150С удельный вес воздуха составляет 1,226 кг/м3, но с повышением влажности удельный вес воздуха несколько снижается. Из-за того, что зимой воздух имеет большую плотность, ветровой генератор вырабатывает больше энергии, чем летом, при одинаковой скорости ветра. На территории, расположенной высоко над уровнем моря, например в горах, атмосферное давление меньше, соответственно, меньше и плотность воздуха.
Ротор ветровой турбины захватывает энергию ветряного потока, который находится у него. Чем больше площадь ротора, тем больше энергии он может производить. Так как площадь ротора увеличивается пропорционально квадрату диаметра ротора, ветроэнергетическая установка, что вдвое больше по своему размеру, может производить в четыре раза больше энергии. Но процесс увеличения площади ротора нельзя свести к простому удлинения лопастей. Ведь увеличивая размер площади, охвачуеться лопастями при вращении, мы тем самым увеличиваем нагрузку на систему при той же скорости ветра. Для того, чтобы система выдержала нагрузки, необходимо укрепить все ее компоненты. Подобное решение требует дополнительных финансовых затрат.
Скорость ветра является наиболее важным фактором, который обуславливает количество энергии, ветроэнергетическая установка может преобразовать в электроэнергию (рис. 4.3, с). При увеличении скорости ветра увеличивается объем воздушных масс, проходящих через ротор турбины. Энергия ветра изменяется пропорционально кубу скорости ветра. В связи с тем, что масса воздуха m пропорциональна скорости ветра v, площади поперечного сечения A и плотности воздуха ρ, формула для расчета количества энергии (в Вт/м2) выглядит следующим образом: Е = 0,5 mv2 = 0,5 ( ρAv) v2 = 0,5 ρAv3. Приведенный график (рис. 4.3, с) показывает значения энергии ветра в стандартных условиях (сухой воздух, плотность 1,226 кг/м3, атмосферное давление над уровнем моря 760 мм.рт.ст.). Поэтому с ростом скорости ветра растет и количество электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ.
Неровность рельефа, леса и здания на поверхности Земли к уменьшению скорости ветра и увеличивают его турбулентность. С удалением от земной поверхности воздушные потоки растут, а на высоте 1 км над поверхностью Земли рельеф практически не влияет на скорость ветра. С другой стороны, на морских акваториях и на территориях, расположенных в районе аэропортов, скорость ветра практически не меняется. При проектировании ветровой турбины необходимо также учитывать разный по силе влияние ветра на верхнюю и нижнюю лопасти. Асимметрия сил может привести к разрушению конструкции турбины.
Конструкция современной ВЭУ с горизонтальной осью вращения показана на рисм. 4.3, d. Размеры ВЭУ колеблются в широком диапазоне - от малых установок мощностью 100 кВт, до огромных установок мощностью более 5 МВт, диаметр лопастей которых превышает 60 м. Чаще всего подобные ВЭУ устанавливаются группами на одной территории, образуя ветровые электростанции (ВЭС), вырабатывающие электроэнергию для электросети. Для предотвращения взаимному влиянию турбулентных потоков, отдельные ВЭУ устанавливаются на расстояниях, не меньших, чем 5 ... 15 диаметров ротора.
Современные крупные ВЭУ в основном вырабатывают электроэнергию напряжением 690 В. Трансформатор, который устанавливается рядом или в башне ВЭУ, повышает напряжение до 10 ... 30 кВ. Теоретическое значение коэффициента полезного действия ВЭУ может колебаться в пределах 0 ... 100%, но практически составляет 20 ... 70%, среднее значение коэффициента полезного действия равен 25 ... 30%.
Ветровые турбины с вертикальной осью вращения. В Н-подобных турбин с вертикальной осью вращения, изобретенных французским инженером Darieus, ведущий вал расположен вертикально (рис. 4.3, e). Лопасти такой турбины, обычно, дугообразные и прикреплены к верхней и нижней частей башни. Благодаря вертикальному расположению ведущего вала ротора, Н-образные ВЭУ захватывают ветер, дует в любом направлении, и при этом отпадает необходимость менять расположение ротора при изменении направления ветровых потоков.
Оффшорные ветряные. Успех первых оффшорных ветровых турбин вызвал огромный интерес к использованию ветрового потенциала прибрежных зон, тем более, что свободных зон на суше остается все меньше. Капитальные затраты на сооружение оффшорных ветроэлектростанций превышают расходы на строительство наземных, но и производство энергии на офшорных ВЭС значительно выше.
Первые две офшорные ветряные в мире построены в Дании: одна, состоящая из 11 ВЭУ мощностью 450 кВт каждая, введена в эксплуатацию в 1991 г. у острова Лолленд, вторая, состоящая из 10 горизонтально-осевых ВЭУ мощностью 500 кВт каждая из изменяемым наклоном лопаток, - между полуостровом Ютландия и островом Туна. Затраты на строительство ВЭС Туна Кноб оцениваются на уровне 12 млн. евро. Ротор каждой машины имеет диаметр 39 м, состоит из 3-х лопастей и является наветренных. Турбины установлены на специальных бетонных фундаментах с кессонами. Работа каждой турбины контролируется дистанционно из центра управления. Производство электроэнергии на этих ВЭС на 20% превышает показатели аналогичных наземных станций. Себестоимость 1 кВтхг. электроэнергии оценивается на уровне 7 центов США при годовом производстве в 15 ГВтхг.