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

Из  недавно появившихся оригинальных проектов стоит назвать ВЭС принципиально  новой конструкции, состоящую из фундамента, трехопорного несущего основания и смонтированного на нем кольцеобразного генератора со встроенным подшипником и центральным ротором. Кольцо генератора может достигать в диаметре 120 м и более. Другой пример - многомодульная ветроустановка, состоящая из одного-двух десятков небольших ветроагрегатов.

 

3.4 Типы ветряных электростанций.

3.4.1 Наземная

Самый распространённый в настоящее время  тип ветряных электростанций. Ветрогенераторы устанавливаются на холмах или возвышенностях.

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7—10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветряной электростанции может занимать год и более.

Для строительства необходима дорога до строительной площадки, тяжёлая подъёмная  техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются  на высоте около 50 метров.

Электростанция  соединяется кабелем с передающей электрической сетью.

Крупнейшей  на данный момент ветряной электростанцией  является электростанция в городе Роско (Roscoe), штат Техас, США. ВЭС Роско была запущена 1 октября 2009 года немецким энергоконцерном E.ON. Станция состоит из 627 ветряных турбин производства Mitsubishi, General Electric и Siemens. Полная мощность — около 780 МВт. Площадь электростанции не менее 400 км².

3.4.2 Прибрежная

Прибрежные  ветряные электростанции строят на небольшом  удалении от берега моря или океана. На побережье с суточной периодичностью дует бриз, что вызвано неравномерным нагреванием поверхности суши и водоёма. Дневной, или морской бриз, движется с водной поверхности на сушу, а ночной, или береговой — с остывшего побережья к водоёму.

3.4.3 Шельфовая

Шельфовые ветряные электростанции строят в море: 10—60 километров от берега. Шельфовые  ветряные электростанции обладают рядом  преимуществ:

• их практически не видно с берега;
• они не занимают землю;
• они имеют большую эффективность из-за регулярных морских ветров.

Шельфовые электростанции строят на участках моря с небольшой глубиной. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров. Электроэнергия передаётся на землю по подводным кабелям.

Шельфовые электростанции более дороги в строительстве, чем их наземные аналоги. Для генераторов  требуются более высокие башни  и более массивные фундаменты. Солёная морская вода может приводить  к коррозии металлических конструкций.

В конце 2008 года во всём мире суммарные  мощности шельфовых электростанций составили 1471 МВт. За 2008 год во всём мире было построено 357 МВт шельфовых  мощностей. Крупнейшей шельфовой станцией является электростанция Миддельгрюнден (Дания) с установленной мощностью 40 МВ.

Для строительства и обслуживания подобных электростанций используются самоподъёмны суда.

3.4.4 Плавающая

Первый  прототип плавающей ветряной турбины  построен компанией H Technologies BV в декабре 2007 года. Ветрогенератор мощностью 80 кВт установлен на плавающей платформе в 10,6 морских милях от берега Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров.

Норвежская компания StatoilHydro разработала плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в сентябре 2009 года. Турбина под названием Hywind весит 5 300 тонн при высоте 65 метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой, неподалёку от юго-западного берега Норвегии.

Стальная  башня этого ветрогенератора уходит под воду на глубину 100 метров. Над водой башня возвышается на 65 метров. Диаметр ротора составляет 82,4 м. Для стабилизации башни ветрогенератора и погружения его на заданную глубину в нижней его части размещён балласт (гравий и камни). При этом от дрейфа башню удерживают три троса с якорями, закреплёнными на дне. Электроэнергия передаётся на берег по подводному кабелю.

Компания  планирует в будущем довести  мощность турбины до 5 МВт, а диаметр  ротора — до 120 метров.

 

 

4 КОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕРАТОРА ВЭС

В ВЭС используется бесщеточный многополюсный  синхронный генератор с постоянными  магнитами. Генератор выполнен из стандартных  конструктивных элементов в полностью  закрытом корпусе.

Полюсное  колесо генератора выполнено с выступающими полюсами, закрытыми постоянными  магнитами. Для увеличения КПД применена  трехфазная обмотка, класс изоляции F со специальной защитой. Магнитные материалы, использованные в конструкции полюсного колеса поддерживают напряженность магнитного поля постоянной, благодаря чему электрические характеристики этого генератора подобны характеристикам тахогенератора.

Отсутствие  редуктора исключает необходимость  в регулярной замене масла, а закрытые самосмазывающиеся подшипники обеспечивают надежную работу генератора.

Электрический ток вырабатываемый генератором поступает на регулятор напряжения с выпрямителем и используется для зарядки аккумуляторных батарей. Диапазон рабочей температуры генератора ~ -60 +60 ºС.

4.1 Лопасти

Все ветротурбины ЛМВ комплектуются стандартными лопастями произведенными на основе высококачественного стекловолокна и эпоксидной смолы. Производство лопастей основано на запатентованном методе известном как "прессовая намотка". Поэтому каждая лопасть является цельнолитой, в отличие от других лопастей которые производятся путем склеивания двух частей вместе.

Лопасти диаметром 3 и 5 м полые внутри, а 7 м — монолитные. Ведущая кромка лопастей покрыта эластичным полиуретаном для защиты против эрозии.

4.2 Регулятор напряжения с выпрямителем (система контроля напряжения)

Предназначен для управления зарядкой аккумуляторных батарей и электрического торможения генератора. Контроль за током зарядки и напряжением аккумуляторных батарей осуществляется с помощью приборов (амперметра и вольтметра), расположенных на передней панели регулятора, там же расположен тумблер электрического торможения.

Для ВЭС ЛМВ 500, 1003, 2500, 3600 регулятор оснащается нагрузочным баластным сопротивлением (при полной зарядке аккумуляторных батарей происходит автоматическое переключение на нагрузочное балластное сопротивление).

Регулятор напряжения ВЭС ЛМВ 10000 при полной зарядке аккумуляторных батарей  производит автоматическое отключение генератора и зарядка прекращается.

4.3 Инвертор

С помощью инвертора постоянное напряжение с аккумуляторных батарей преобразуется  в стабилизированное переменное напряжение 220 или 380 В частотой 50 Гц. Диапазон рабочих температур инверторов от 0 до 40º С при влажности до 90% без кондиционирования.

Инвертор  имеет несколько видов защиты от перегрузки, короткого замыкания, перегрева и др. и работает в  автоматическом режиме.

4.4 Аккумуляторные батареи

В системе электростанций ЛМВ используются стартерные свинцово—кислотные аккумуляторные батареи импортного производства напряжением 12 В и емкостью от 100 до 230 А/ч каждая. По желанию заказчика электростанции могут комплектоваться щелочными или стационарными необслуживаемыми аккумуляторными батареями.

4.5 Комплектность поставки

Ежегодная выработка электроэнергии в большой  степени зависит от местных ветровых условий. Если они фиксируются и  анализируются, то возможно рассчитать количество и тип оборудования, которое  может быть поставлено и определить оптимальное место установки  ВЭС и др. ЛМВ может помочь Вам  в принятии правильного решения.

4.6 Структурная схема ВЭС

Структурная схема ВЭС приведена на Рисунке 4

Рисунок 4

1. Регулятор напряжения
2. Балластное сопротивление
3. Инвертор
4. Аккумуляторная батарея
5. Освещение, бытовые приборы, водяные насосы
6. Теле- и радиоаппаратура на 220В

 

5 НЕДОСТАТКИ ВЭС

Ветроэнергетика привлекательна не только тем, что не наносит вреда природе. ВЭС можно  достаточно быстро установить там, где  других источников энергии нет. Но работа ветроагрегатов сопровождается шумом. На уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭС мощностью 850 кВт уровень шума составляет 104 дБ. Система управления углом атаки способна уменьшить его, но очень незначительно. На расстоянии 300 м шум снижается до 42-45 дБ.

Помимо  шума, воспринимаемого человеческим ухом, вокруг ВЭС возникает опасный  инфразвук частотой 6-7 Гц, вызывающий вибрацию. От него дребезжат стекла в окнах и посуда на полках. Кроме  того, ВЭС могут затруднить прием  телепередач. Так было, например, на Оркнейских островах в Англии, когда  в 1986 году там установили экспериментальный  ветродвигатель. Тут же от жителей  ближайших населенных пунктов начали поступать жалобы на ухудшение телевизионного сигнала. Выяснилось, что помехи создавали  стальной каркас лопастей и имеющиеся  на них металлические полоски  для отвода ударов молний. Сами же лопасти, сделанные из стеклопластика, распространению  телесигнала не мешали. В подобных случаях около ВЭС стали возводить  ретрансляторы.

На  Западе проблемы, связанные с работой  ветроэлектростанций, успешно решены еще в середине 1990-х годов. Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Благодаря этим мерам уменьшился срыв концевых потоков, так называемых вихревых шнуров. Был найден способ борьбы с еще одним недостатком ВЭУ: чтобы птицы не попадали под вращающиеся лопасти, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом.

 

6 НОВЫЕ РЕШЕНИЯ - НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

В современных ВЭС воплощено множество технических идей, отвечающих последним достижениям науки. Вот далеко не полный перечень уникальных систем и механизмов, обеспечивающих эффективную и безопасную работу ветроэлектростанций:

• система динамического изменения угла атаки (изменяет угол заклинивания лопастей, удерживая тем самым нужный угол атаки);
• система динамического регулирования скорости вращения ветроколеса в зависимости от нагрузки и скорости ветра (выбирает оптимальный режим работы);
• система управления рысканием - электронный флюгер (поворачивает гондолу с ВЭУ по особому закону с учетом доминирующего направления ветра, его порывов и турбуленции);
• система оперативного регулирования магнитного скольжения асинхронного генератора (используются усовершенствованные асинхронные генераторы с ротором "беличья клетка").

Совсем  недавно запущена в производство совершенно новая ВЭУ, в которой использован высоковольтный синхронный генератор со статором, имеющим обмотки из кабеля, и многополюсным ротором на постоянных магнитах. Получаемый переменный ток низкой частоты выпрямляется, а затем преобразуется инвертором в переменный ток сетевой частоты. Редуктор генератору не нужен, поскольку он низкооборотный. Такие установки можно использовать на ВЭС мощностью от 500 кВт до 5 МВт и выше.  
     За состоянием ВЭС и режимами их работы следит бортовой компьютер, куда по модемным каналам поступает вся текущая информация. Если, например, во время работы возникают кратковременные всплески напряжения (так называемый фликкерный эффект), происходящие при коротких, сильных порывах ветра либо при резком изменении нагрузки, их гасят с помощью специальных электронных устройств. Электроника и автоматика надежно защищены от постороннего излучения (в том числе от электромагнитного излучения самой сети и переключающих сетевых устройств) радиотехническим заземлением и экранированием. Важную роль здесь играют современные изоляционные материалы.  
     Несколько слов о конструкционной безопасности. Ветроагрегаты отключаются и останавливаются при скорости ветра 25 м/с (10 баллов по шкале Бофорта) с помощью двухуровневой тормозной системы. В отключенном виде они выдерживают порывы ветра до 50 м/с. Серьезные аварии практически исключены, поскольку системы дублируют одна другую, а вся механика, особенно лопасти, проходит серьезные испытания на прочность.  
     Обслуживают станции всего раз в полгода при сроке эксплуатации 20 лет (порядка 180 000 часов). ВЭС известных европейских производителей сертифицированы Международной организацией по сертификации (ISO), а также независимыми экспертными компаниями (государственными и частными).

 

7 ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ  В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ

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.

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. Производство электроэнергии в настоящее время за счет возобновляемых источников оценивается в 0,1 % .

Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд кВт·ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями России.

В большинстве регионов России среднегодовая  скорость ветра не превышает 5 м/с, в  связи с чем привычные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения практически не применимы — их стартовая скорость начинается с 3-6 м/с, и получить от их работы существенное количество энергии не удастся. Однако на сегодняшний день все больше производителей ветрогенераторов предлагают т. н.роторные установки, или ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Принципиальное отличие состоит в том, что вертикальному генератору достаточно 1 м/с чтобы начать вырабатывать электричество. Развитие этого направления снимает ограничения по использованию энергии ветра в целях электроснабжения. Наиболее прогрессивная технология — сочетание в одном устройстве генераторов двух видов — вертикального ветрогенератора и ФЭМ (фото-электрические модули) — солнечные панели.  

8 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нет сомнения, что большие и малые  ВЭС могли бы работать на огромных пространствах России высокоэффективно, ведь наша страна обладает мощным ветроэнергетическим  потенциалом, оцениваемым в 40 млрд кВт.ч электроэнергии в год. Такие районы, как Обская губа, Кольский полуостров, большая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по мировой классификации относятся к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на высоте 50-80 м, где располагаются ветроагрегаты современных ВЭС, составляет 11-12 м/с. (Заметим, что "золотым" порогом ветроэнергетики считается скорость ветра 5 м/с - это связано с окупаемостью станций.)

Существуют  также аномальные локальные зоны, в которых ветер значительно  сильнее. Это, например, район Владивостока, где воздушные массы устремляются из Приханкайской равнины в разрыв между Северо-Корейскими горами и хребтом Сихотэ-Алинь и далее - по акватории Амурского залива. На островах близ Владивостока среднегодовая скорость ветра на высоте 150 м (50-метровая ВЭС на холме высотой 100 м) не бывает ниже 11 м/с (для континентальной Европы параметр недосягаемый).