Глава 3 ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Обозначения:
А, В, С — коэффициенты;
d — диаметр; годовая норма дисконта;
D — диаметр;
Е — энергия потока ветра; объем выработки электроэнергии;
Е — часть энергии, передаваемой ветром со скоростью ν;
k — удельные капиталовложения;
К — коэффициент;
К — коэффициент простоя ВЭУ;
К* — коэффициент использования мощности;
М — вращающий момент аэродинамических сил; число участков рабочей скорости ветра;
N — мощность генератора установки;
П — повторяемость скорости ветра;
р — давление;
Р — мощность ветроколеса;
Р — повторяемость направления ветра;
С — стоимость ветроэнергетической установки;
Т — время; температура;
U — напряжение;
X — сопротивление;
F — сила;
h, Н — высота;
I — момент инерции; пусковое значение силы тока;
г, R — радиус;
s — скольжение ротора генератора;
S — площадь; стоимость электроэнергии;
q — скоростной напор;
Q — поток теплоты;
Ф — функция распределения вероятности скорости ветра;
Ζ — быстроходность ветроколеса;
α — угол атаки;
β — параметр распределения Вейбулла; коэффициент пропорциональности;
θ — коэффициент быстроходности;
μ — коэффициент динамической вязкости;
р — плотность;
τ — время.
Индексы·.
в — ветра;
вк — ветроколеса;
вг — ветрогенератора;
т.г — технической
готовности;генератора;
д — дифференциальный;
динамический;
и — интегральный;
м — мультипликатора;
ном — номинальный;
о — открытой местности;
п — проектный; подъемный;
пропорциональности;
с — системы;
л — лопасти;
Р — использования мощности;
у — силы Магнуса;
т — крутящий момент;
ц — цилиндра.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ
Причиной возникновения ветра является солнечное излучение, приводящее к неравномерному нагреву воздуха и появлению конвективных течений. На это термическое явление накладывается эффект вращения Земли. Кроме этих синоптических закономерностей имеют значения местные особенности, обусловленные географическими факторами. Определенную роль играет загрязнение атмосферы, приводящее к дополнительным течениям воздушной среды. Эти явления наблюдаются преимущественно вблизи городов и крупных промышленных центров.
Скорость ветра увеличивается с высотой, но ее горизонтальная составляющая существенно выше вертикальной. Такое неравномерное распределение полей скорости может являться причиной возникновения резких порывов ветра.
Энергия ветра уже тысячелетиями используется человечеством как на суше, так и на море. Первые ветродвигатели появились в Египте, Вавилоне, а возможно, и в других районах мира. В середине первого тысячелетия н.э. ветряные мельницы довольно широко использовались на территории нынешнего Ирана. В ΧΙ-ΧΙΙ веках ветроустановки стали распространяться на европейском континенте: сначала в Италии, Франции, Испании, а позже — в Англии и Голландии.
Примерно к концу XVII века ветродвигатели появились в России. Вскоре ветряные мельницы стали основным, а во многих местах единственным источником энергии в сельскохозяйственном производстве. В конце XIX века в России действовало около 250 тыс. ветряных мельниц общей мощностью около 600 МВт [1].
Массовое производство ветродвигателей, изготовленных из металла, началось в США в 70-х годах XIX века. Более совершенные ветроэнергетические агрегаты с малым числом (2-3) лопастей хорошо обтекаемой формы появились в США в 20-30 годы XX века.
В 1931 году в Крыму была построена самая крупная в то время ветроэлектростанция (ВЭС) мощностью 100 кВт. Ветроагрегат имел трехлопастное колесо диаметром 30 м.
Ветродвигатели мощностью в сотни киловатт были установлены в Великобритании, Германии, Франции. В 1941 году в США была сооружена ВЭС мощностью 1250 кВт.
Особое развитие ветроэнергетика получила в период энергетического кризиса середины 70-х годов прошлого столетия. Серийное производство ветроэлектроустановок (ВЭУ) организовано в Нидерландах, Дании, Великобритании, Германии, США и других странах. Так, в штате Калифорния (США) установлено более 17 тыс. ВЭУ суммарной мощностью 1500 МВт. В Дании установлено более 2000 ВЭУ общей мощностью 200 МВт [2].
О степени использования ветроэнергетических установок странами Объединенной Европы можно судить по диаграмме, приведенной на рис. 3.1 [3].
Валовой ветровой потенциал оценивается в 80-1015 кВт-ч/год, технический — в 6,2-1015, экономический — в 31-1012 кВт-ч/год.
Рис. 3.1. Динамика роста мощности ветродвигателей, изготовленных в странах ЕЭС
При этом длительность действия энергетического потока ветра составляет от 2000 до 5000 ч/год. Основной экономический потенциал сосредоточен на Дальнем Востоке, в Западной и Восточной Сибири, в Северном экономическом районе [7].
Под руководством Министерства топлива и энергетики России и Национальной лаборатории РИСО (Дания) выполняется проект Ветрового атласа России. Предыдущие образцы Ветровых атласов России представляли карты ветровых ресурсов, построенные на основе статистических данных среднегодовых скоростей, полученных от метеостанций России [5]. При необходимости исходные данные корректировались в соответствии с визуальной классификацией открытой местности по Милевскому [6]. Метод, основанный на визуализации, не может быть в достаточной степени точным и объективным.
В разрабатываемом в настоящее время проекте построения Ветроатласа используются данные [7]:
- статистики распределения ветра по 8-16 направлениям в течение 10-15 лет от 320-360 метеостанций;
- цифровых карт местности достаточно крупного масштаба (1:50 000 или 1:100 000) в радиусе 5-10 км от каждой метеостанции.
Входные данные по каждой метеостанции обрабатываются специальным пакетом прикладных программ.
По результатам статистических расчетов получена следующая структура инвестиций, %, на сооружение ВЭУ [4]:
Оборудование 70
Подключение к электрическим сетям 10
Проектные работы 10
Строительно-монтажные работы 10
В России разработкой и внедрением ВЭУ занимаются несколько десятков организаций и предприятий, в том числе и ряд заводов [8,9]. Одним из них является завод «Ветроэнергомаш» в г. Астрахань. НПО «Южное» (г. Днепропетровск) разработало конструкторскую документацию и изготовило опытный образец ветроагрегата мощностью 1250 кВт.
Наиболее перспективными являются системы, в которых ветроэнергетические установки сочетаются с другими возобновляемыми источниками энергии [10]. Заслуживают внимания гибридные ветряные и фотоэлектрические установки. В Мексике в 1996 году сооружены шесть таких установок. Они производят в сутки от 120 до 350 кВт-ч [11]. Подобные установки разработаны и исследованы в России.
Ветроэнергетические установки классифицируют по двум основным признакам — геометрии ветроколеса и его положению относительно направления потока ветра. Схемы ветроколес основных типов приведены на рис. 3.2 [12].
Ветродвигатели с горизонтальной осью, как правило, крыльчатого или пропеллерного типа. Плоскость вращения ветроколеса такой установки перпендикулярна к направлению воздушного потока. Основной вращающей силой является подъемная сила. Направление ветра может изменяться, поэтому ВЭУ мощностью более 50 кВт оборудованы электрическими серводвигателями. Чтобы удержать ветроколесо в рабочем положении, ветродвигатель должен иметь аэродинамический стабилизатор.
Рис. 3.2. Типы ветроприемных устройств:
а — с горизонтальной осью вращения: 1 — однолопастное колесо: 2 — двухлопастное; 3 — трехлопастное; 4 — многолопастное; 5 — многолопастное велосипедного типа; 6 — барабанное; 7 — ветроколесо, направленное навстречу потоку; 8 — ветроколесо, расположенное по потоку (за башней); 9 — ветроколесо с пневматической передачей мощности; 10 — парусное крыло; 11 — ветроколесо с диффузором; 12 — ветроколесо с концентратором энергии; 13 — многоветряковое с несколькими ветроколесами; 14 — ветроколеса встречного вращения; 15 — ротор Савониуса; 16 — ветроколесо, использующее энергию свободных вихрей; б— с вертикальной осью вращения с использованием силы сопротивления: 1 — ротор Савониуса, 2 — ротор Савониуса многолопастный; 3 — ротор пластинчатый; 4 — ротор чашечный; в — с вертикальной осью вращения с использованием подъемной силы: 1 — ротор Дарье 0-образный; 2 — ротор Дарье Δ-образный; 3 — ротор с прямыми крыловыми лопастями (Giromill); 4 — ветротурбина; г — с вертикальной осью вращения комбинированного типа: 1 — роторы Дарье 0-образный и Савониуса; 2 — ротор Савониуса щелевой; 3 — ротор с использованием эффекта Магнуса; 4 — с несущими поверхностями; д — с усилителем потока: 1 — ветроколесо с дефлекторным устройством; 2 — солнечно-ветровое устройство; 3 — ветроколесо с вихревым устройством; 4 — с вихревым усилителем потока
Ветроколесо обычно состоит из двух или трех лопастей. Многолопастные колеса развивают большой крутящий момент при слабом ветре и используются в тех случаях, когда не требуется высокой частоты вращения.
Ветродвигатели с вертикальной осью вращения находятся в рабочем положении при любом направлении ветра. К недостаткам этих установок следует отнести: пульсации крутящего момента, что приводит к пульсации выходных параметров генератора; меньшая надежность работы из-за возникновения автоколебательных процессов во время работы.
Чашечный ротор и ротор Савониуса вращаются силой сопротивления. В чашечном роторе частота вращения линейно зависит от скорости ветра. В роторе Савониуса вращающий момент создается вследствие различного сопротивления, которое оказывают воздушному потоку вогнутая и выпуклая лопасти ротора.
Ротор Дарье вращается подъемной силой, возникающей на тонких изогнутых аэродинамических профилях.
Лопасти ротора Масгрува в рабочем положении расположены вертикально, чем увеличивается их эффективность при воздействии ветра.
Ветроэлектрические системы классифицируют по отношению мощности ветроустановки к полной мощности энергосистемы, к которой она подключена. По этому отношению различают три класса ветроэнергетических систем [13].
Класс А: мощность ветроэлектрогенератора в энергосистеме являлись определяющей, т.е. Р > Р, где Р и Р — мощности соответственно ветроэлектрогенератора и электросистемы. К этому классу относятся отдельно стоящие одногенераторные ветроустановки, не подключенные к какой-либо энергосистеме. Такие ветроустановки предназначены для освещения в отдельных районах, для водяных насосов и т.п. Они имеют небольшую мощность. При минимальном управлении генератором напряжение на его выходе будет наибольшим. В этом случае электроэнергию можно использовать непосредственно в нагревательных элементах или в выпрямителях для последующего использования.
Относительно небольшие потребности в электроэнергии можно удовлетворить специальными преобразователями, питающимися от аккумуляторных батарей.
Для стабилизации частоты всей вырабатываемой генераторами электроэнергии используется один из следующих способов:
а. При изменении скорости ветра шаг лопастей ветроколеса изменяют так, чтобы частота его вращения оставалась постоянной. Это приводит к большим потерям энергии ветрового потока. Кроме того, этот способ сложен и малонадежен.
б. Применяется электрическое управление, при котором постоянство частоты вращения ветроколеса обеспечивается изменением электрической нагрузки на выходе генератора. Такой способ стабилизации частоты значительно эффективней, так как лопасти ветроколеса работают в оптимальном режиме.
Класс В: мощность ветроэлектрогенератора примерно равна мощности других генераторов системы, т.е. Рвг ≈ Рс. Подобные ситуации характерны для небольших энергосистем, расположенных, как правило, в отдаленных районах. Чаще всего в качестве энергосистем служит дизельный электрогенератор, а ветроустановка позволяет сэкономить дизельное топливо.
Класс С: ветроэлектрогенератор подключен к значительно более мощной энергосистеме, т.е. Рвг < Р . Это характерно для ветроэлектростанции в районах, где имеются коммунальные и другие системы большой мощности. При этом энергия ВЭУ используется непосредственно по назначению, а ее излишки подаются в энергосистему. В этом случае для ВЭУ рекомендуется асинхронный генератор переменного тока, подключенный непосредственно в энергосистему.
Одним из существенных недостатков коаксиальных и ортогональных ВЭУ является то, что они работают при скоростях ветра более 4 м/с. Поэтому их можно применять на территории России, где среднегодовая скорость ветра выше указанного значения.
Ветроагрегаты традиционного типа, т.е. с горизонтальной осью вращения, имеют лопасти сложной в аэродинамическом отношении формы, изготовление которых доступно предприятиям с высокой технологией производства, в том числе в научно-техническом отношении. Изготовление лопастей требует наличия соответствующего оборудования и материалов.
Этих недостатков лишены ветроустановки, в которых используется эффект Магнуса' [14]. В таких установках (ВЭУ-М) используется более широкий диапазон скоростей. Это обусловлено тем, что пусковые скорости ветра для них составляют 1,5...2 м/с.
Исследования Н.М. Бычкова [15] показали, что для лопастных ветроагрегатов при скорости ветра vb > 5 м/с суммарная продолжительность работы установки составляет около 7 часов в сутки, в то время как для ВЭУ-М при vb > 2 м/с — 20 часов в сутки, т.е. примерно в три раза больше.
Ветроэнергетические установки, в которых используется эффект Магнуса, могут работать при скоростях ветра вплоть до штормовых. При этом возможны две системы регулирования установки:
а) аэродинамическое саморегулирование при постоянной частоте вращения цилиндров [16];
б) регулирование путем изменения частоты вращения цилиндра.
Схематически ВЭУ-М изображена на рис. 3.3.
Рабочее колесо ВЭУ-М приводится во вращательное движение под действием силы Магнуса F . Для одного ротора [14]
* Магнуса эффект — возникновение поперечной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке жидкости (газа).
Рис. 3.3. Схема установки
ВЭУ-М
Рис. 3.4. Аэродинамическая схема рабочего колеса
При расчете ВЭУ-М следует учитывать сопротивление вращающегося цилиндра. Как показали исследования Л. Прандтля, оно может быть весьма существенным [16].
Достоверных данных опыта эксплуатации ВЭУ-М нет и поэтому трудно дать оценку степени точности результатов, полученных на основе приведенного выше метода расчета.
