Ветроэлектростанции (ВЭС): принцип работы, конструкция. Структура электросхемы ВЭС, описание электрогенератора. Недостатки ВЭС

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«Южно-Уральский  государственный университет» (НИУ)

Факультет «Энергетический»

Кафедра «Системы электроснабжения»

 

 

 

 

 

 

 

Ветроэлектростанции (ВЭС): принцип работы, конструкция. Структура электросхемы ВЭС, описание электрогенератора. Недостатки ВЭС.

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Общая энергетика»

 

 

 

 

 

Проверил, (старший преподаватель) 
_________/ Башмакова Н.Ю. / 
______________2013г. 
Выполнил 
Студент группы Э-224 
___________/ Назаров И.П/ 
_____________2013г.

Реферат   защищен с оценкой (прописью, цифрой)

__________ 2013г.

 

 

 

 

 

 

 

 

Цель  реферата – изложить принцип работы, конструкцию, виды , недостатки ВЭС.

Задачи  реферата – доложить о принципах  работы, конструкциях, видах и недостатках  ВЭС.

Рассмотрены основные принципы работы ветроэнергетических  установок, изложены принципы работы. Описаны наиболее известные виды ВЭС. Рассмотрены преимущества и  недостатки. Сделано заключение о  дальнейшем развитии и применении ветрогенераторов.

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ИСТОРИЯ ВЭС 5

2 ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЭС 8

3 КОНСТРУКЦИЯ ВЭС 9

3.1 Крыльчатые ВЭС 11

3.2 Карусельные (роторные) ВЭС. 13

3.4 Типы ветряных электростанций. 16

3.4.1 Наземная 16

3.4.2 Прибрежная 16

3.4.3 Шельфовая 16

3.4.4 Плавающая 17

4 КОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕРАТОРА ВЭС 19

4.1 Лопасти 19

4.2 Регулятор напряжения с выпрямителем (система контроля напряжения) 20

4.3 Инвертор 20

4.4 Аккумуляторные батареи 20

4.5 Комплектность поставки 21

4.6 Структурная схема ВЭС 21

5 НЕДОСТАТКИ ВЭС 22

6 НОВЫЕ РЕШЕНИЯ - НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ 23

7 ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ 25

8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 28

 

ВВЕДЕНИЕ

Как и за счет каких источников человечество собирается покрывать всё возрастающие затраты энергии? Даже если энергетического кризиса удастся избежать, мир рано или поздно столкнется с тем, что запасы невозобновляемых сырьевых ресурсов - нефти, газа и угля - будут исчерпаны. Чем активнее мы их используем, тем меньше их остается и тем дороже они нам обходятся. По расчетам специалистов, при нынешних объемах добычи угля на Земле хватит лет на 400-500, а нефти и газа - максимум на столетие. К тому же опустошение земных недр и сжигание топлива уродуют планету и год от года ухудшают ее экологию. Одним словом, перед человечеством стоит задача освоения экологически чистых, возобновляемых, или, как их еще называют, нетрадиционных, источников энергии. Среди них лишь энергия Солнца и ветра поистине неисчерпаема и не вносит практически никаких изменений в природу.

 

1 ИСТОРИЯ ВЭС

Первой  лопастной машиной, преобразующей  энергию ветра в движение, был  парус. Ему уже почти 6000 лет (под  парусом ходили еще древние египтяне), но до сих пор это древнее изобретение  обладает наивысшим коэффициентом  полезного действия среди всех известных  ветроагрегатов. Позже появились ветряные мельницы, которые служили человечеству несколько столетий, вплоть до середины прошлого века. Они качали воду, поднимали камни, вращали мукомольные жернова. Пришедшие им на смену ветродвигатели выполняют не только механическую работу, например, оснащенные электрогенератором ветроэнергетические станции (ВЭС) вырабатывают электрическую энергию.

Попытки использовать энергию ветра в  крупномасштабной энергетике, предпринятые в сороковых годах ХХ века, оказались  несвоевременными и потерпели неудачу. Нефть оставалась сравнительно дешевой, устойчиво сокращались капитальные  вложения в строительство тепловых электростанций, развитие гидроэнергетики, как тогда казалось, гарантировало  низкие цены на энергоносители и удовлетворительную экологическую чистоту. 
      За рубежом нетрадиционная энергетика начала всерьез развиваться после нефтяного кризиса середины 1970-х годов. По данным Международного энергетического агентства, сегодня производство электроэнергии за счет возобновляемых источников оценивается более чем в 200 млрд кВт.ч, или около 2% всей производимой энергии. Значительную ее часть дают ветроэнергетические станции, и роль их стремительно возрастает. Однако в 1960-1980-е годы ВЭС до прибыльности не дотягивали. Что же сделали развитые страны? Они дотировали отрасль на государственном уровне. Мировая ветроэнергетика вышла на самостоятельную прибыль и существует без каких-либо дотаций, но при активном госрегулировании. По последним сведениям, к концу 2003 года общая мощность всех установленных в мире ВЭС достигла 35 000 МВт, в том числе в Дании - 3400 МВт, в Германии - 14 500 МВт, и увеличивается на 500-800 МВт ежегодно (эти страны занимают лидирующее положение в ветроэнергетической отрасли).

В то время как в развитых странах  ветроэнергетическая отрасль быстро и мощно развивается, в России ее незаслуженно обходят вниманием. А ведь в свое время отечественная  ветроэнергетика занимала передовые  позиции в мире. Как и в других странах, она начиналась много веков  назад с ветряных мельниц, которых  к середине 20-х годов прошлого века в стране насчитывалось более 800 тысяч.

В 1918 году ветряками заинтересовался  профессор В. Залевский. Он создал теорию ветряной мельницы и вывел несколько положений, которым должна отвечать ветроустановка. В 1925 году другой наш выдающийся соотечественник - профессор Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя и организовал отдел ветряных двигателей в Центральном аэрогидродинамическом институте. Отрасль начала стремительно развиваться. В 1931 году в СССР заработала крупнейшая в мире ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, вслед за ней на юге страны были установлены десятки подобных ветрогенераторов. В 1938-м в Крыму развернулось строительство ветроэлектростанции мощностью 5 МВт. С 1950 по 1955 год страна производила до 9 тысяч ветроустановок в год единичной мощностью до 30 кВт. На целине впервые была сооружена многоагрегатная ветроэлектростанция, работавшая в паре с дизелем, общей мощностью 400 кВт - прообраз современных европейских ветропарков и систем "ветро-дизель". В 1960-1980-е годы энергетическая отрасль нашей страны была ориентирована на строительство крупных ТЭС, ГЭС и АЭС. Естественно, развитие малой энергетики, в том числе и ВЭС, затормозилось. И только к началу 1990-х годов, значительно позже, чем в других странах, в СССР вновь заговорили о практическом использовании ветроэнергетических установок (ВЭУ), и встал вопрос об организации их производства.

К работам в порядке конверсии  были привлечены МКБ "Радуга" Минавиапрома СССР и НПО "Южное" Минобщемаша СССР. В 1990 году эти предприятия организовали производство ВЭУ мощностью 200, 250 и 1000 кВт. Проектные институты приступили к созданию первых крупных системных ветроэлектростанций: Восточно-Крымской, Ленинградской, Калмыцкой, Магаданской и Заполярной (в Воркуте). Но очень скоро в стране начался экономический кризис, и работы на всех объектах ветроэнергетики практически остановились. Кончилось все это тем, что сегодня Россия значительно отстает от развитых стран как в эффективности энергоснабжения и энергосбережения, так и в развитии малой нетрадиционной энергетики, основанной на использовании экологически чистых возобновляемых энергоресурсов, в том числе и ветра. У нас сейчас действуют всего три-четыре десятка небольших ветроэлектростанций. Об их вкладе в энергетику страны говорить не приходится, поскольку возобновляемые источники энергии все вместе дают менее 0,1% вырабатываемой в стране энергии.

 

2 ПРИНЦИП РАБОТЫ  ВЭС

Что же представляют собой ветроэлектростанции, которым отводится серьезное место в энергетике XXI века? Они мало чем напоминают своих древних собратьев - парус и ветряную мельницу, хотя принцип работы ветроагрегатов практически не изменился.

Автономные  ветрогенераторы состоят из генератора, хвостовика, мачты, контроллера, инвертора и аккумуляторной батареи. У классических ветровых установок – 3 лопасти, закреплённых на роторе. Вращаясь ротор генератора создаёт трёхфазный переменный ток, который передаётся на контроллер, далее ток преобразуется в постоянное напряжение и подаётся на аккумуляторную батарею. Ток проходя по аккумуляторам одновременно и подзаряжает их и использует АКБ как проводники электричества. Далее ток подаётся на инвертор, где приводиться в наши привычные показатели: переменный однофазный ток 220В, 50 Гц. Если потребление небольшое то сгенерированного электричества хватает для электроприборов и освещения, если тока с ветряка мало и не хватает - то недостаток покрывается за счёт аккумуляторов. Такой же принцип в автомобилях: когда мы едем, генератор в машине заряжает аккумуляторы  и снабжает электричеством все приборы в машине, когда машина останавливается, то аккумулированный ток идёт из АКБ. Ничего сверхсложного в ветряках нет, в них используются все те изобретения которые мы постоянно используем каждый день, не подозревая об этом.

 

3 КОНСТРУКЦИЯ  ВЭС

Основной  частью ветроэлектростанции является ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока, в механическую энергию вращения ротора и преобразования этой энергии, в электрическую.

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и бытовые (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 7,5 МВт (см. Enercon E-126).

Мощность  ветрогенератора зависит от скорости ветра и ометаемой площади

 

 

где – плотность воздуха;

 – ометаемая площадь;

   V – скорость ветра.

Существуют  классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта.

Существуют  два основных типа ветротурбин:

• с вертикальной осью вращения (карусельные, роторные, лопасные, ортогональные);
• с горизонтальной (крыльчатые).

 

Промышленная  ветряная установка (Рисунок 3.1) состоит из :

1. Фундамент
2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления
3. Башня
4. Лестница
5. Поворотный механизм
6. Гондола
7. Электрический генератор
8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
9. Тормозная система
10. Трансмиссия
11. Лопасти
12. Система изменения угла атаки лопасти
13. Колпак ротора
• Система пожаротушения

 

 

Рисунок 3.1

 

Сегодня в мире широко распространены ветродвигатели двух типов: крыльчатые и карусельные. Встречаются еще барабанные и некоторые другие оригинальные конструкции.

3.1 Крыльчатые ВЭС

Крыльчатые ВЭС - их еще называют ветродвигателями традиционной схемы - представляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. Ветроагрегат вращается с максимальной скоростью, когда лопасти расположены перпендикулярно потоку воздуха. Поэтому в конструкции предусмотрены устройства автоматического поворота оси вращения: на малых ВЭС - крыло-стабилизатор, а на мощных станциях, работающих на сеть, - электронная система управления рысканием. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую (без мультипликатора), мощные станции оснащают редуктором. Крыльчатые ветрогенераторы работают значительно эффективнее карусельных. Коэффициент использования энергии ветра достигает ξ= 0,42

Мощность  ВЭС зависит от скорости ветра  и размаха лопастей ветроколеса(Рисунок 3.2).

Рисунок 3.2

 

Крыльчатый ветродвигатель состоит из следующих элементов (Рисунок 3.3): 
1. Ветряк может иметь от 2 до 24 лопастей. Ветряки с числом лопастей от 2 до 4 называются малолопастными; если у ветроколеса более 4 лопастей, то оно называется многолопастным. 
2. Головка ветродвигателя представляет опору, на которой монтируется вал ветроколеса и верхняя передача (редуктор). 
3. Хвост крепится к головке и поворачивает ее около вертикальной оси, устанавливая ветроколесо на ветер. 
4. Башня ветродвигателя служит для выноса ветроколеса выше препятствий, нарушающих течение воздушного потока. Маломощные ветродвигатели, работающие на генератор, обычно монтируются на столбе или трубе с растяжками. 
5. У основания башни вертикальный вал приключается к нижней передаче (редуктору), которая передает движение рабочим машинам.  
6. Регулирование оборотов ветроколеса представляет приспособление или механизм, ограничивающий обороты ветроколеса с увеличением скорости ветра.

Рисунок 3.3

3.2 Карусельные (роторные) ВЭС.

Карусельные, или роторные, ВЭС с вертикальной осью вращения, в отличие от крыльчатых, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Когда ветровой поток усиливается, карусельные ВЭС быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения ветроколеса стабилизируется. Ветродвигатели этой группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра.

ВЭС новой конструкции: лопасти вращаются внутри колеса с подшипником, установленного на трехопорном основании (Рисунок 3.4)

Рисунок 3.4

Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает. Подобные ветродвигатели с лопастями разной формы строят в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде, Финляндии. Идея карусельного ветродвигателя в виде так называемого роторного паруса была реализована на знаменитом исследовательском судне "Калипсо", построенном по заказу Жака Ива Кусто. По данному типу спроектирована и одна из ВЭС в Белоруссии номинальной мощностью 250 кВт.

Существуют  роторные ВЭУ с лопастями того же профиля, что и у крыльев "дозвуковых" самолетов, которые, прежде чем опереться  на подъемную силу, должны разбежаться. С ветроагрегатами происходит то же самое. Чтобы раскрутить и довести их до определенных аэродинамических параметров, сначала нужно подвести энергию извне, и только после этого ВЭУ начнут работать в режиме генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при 14-16 м/с. Предварительные расчеты показывают, что ортогональные установки смогут вырабатывать электроэнергию мощностью от 50 до 20 000 кВт.