Ветроэнергетическая установка (ВЭУ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 строение ветроэнергетической установки.

 

2.4 Типы ветрогенераторов

 

Существуют два основных типа ветротурбин: с вертикальной осью вращения и с горизонтальной. Вертикальноосевые  турбины работают при низких скоростях  ветра, но имеют малую эффективность. Поэтому Вертикальноосевые системы встречаются достаточно редко и применяются, как правило, в домашних системах.

Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается. Уже сейчас за вполне умеренные деньги можно  приобрести ветряную установку и  на долгие годы обеспечить энергонезависимость  своему загородному дому. Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 9 м/с. Если местность не ветреная, Ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генераторном. Источники будут замечательно друг друга дополнять.

 

2.5   Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов

 

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

Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место  для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с  выносом стрелы более 50 метров, так  как гондолы устанавливаются  на высоте около 50 метров.

В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные  проблемы:

―неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть;

―обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и ротор останется неподвижным;

―удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы;

―отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП;

―нестабильность работы генератора. Из-за того что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП;

―пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветряных электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.

 

         2. 6  Перспективные разработки

 

Департамент Энергетики США (DoE) финансирует разработки и испытания  ветрогенераторов мощностью 5—8 МВт  как для наземного использования, так и для установки в море.

Норвежская компания StatoilHydro разработала плавающие ветрогенераторы  для морских станций большой  глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в cентябре 2009 года. Турбина под названием Hywind весит 5 300 тонн при высоте 65 метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой, неподалеку от юго-западного  берега Норвегии. Компания планирует  в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.

Компания Magenn разработала  аппарат легче воздуха с установленным  на нём ветрогенератором. Аппарат  поднимается на высоту 120—300 метров. Нет необходимости строить башню  и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра  от 1 м/с до 28 м/с. Аппарат может  перемещаться в ветряные регионы  или быстро устанавливаться в  местах катастроф.

Компания Windrotor предлагает новую  очень эффективную конструкцию  ротора мощной турбины, позволяющую  значительно увеличить его размеры  и коэффициент использования  энергии ветра. Предполагается, что  эта конструкция станет новым  поколением роторов ветровых турбин.

Департамент Энергетики США (DoE)в конце 2007 года объявил о готовности финансирования особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.

В мае 2009 года в Германии был запущен в эксплуатацию первый ветрогенератор, установленный на гибридной  башне компании Advanced Tower Systems (ATS). Нижняя часть башни высотой 76,5 метров построена  из железобетона. Верхняя часть высотой 55 метров построена из стали. Общая  высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет 180 метров. Увеличение высоты башни позволит увеличить выработку электроэнерии до 20%/2/.

 

          2. 7   Малые ветрогенераторы

 

К малой ветроэнергетике  относятся установки мощностью  менее 100 кВт. Установки мощностью  менее 1 кВт относятся к микро-ветряной энергетике. Они применяются на яхтах, с/х фермах для водоснабжения.

Малые ветрогенераторы могут  работать автономно, то есть без подключения  к общей электрической сети.

Считается, что применение малых ветрогенераторов в быту малоцелесообразно  из-за:

Высокой стоимости инвертора ~ 50 % стоимости всей установки (применяется  для преобразования переменного  или постоянного тока получаемого  от ветрогенератора в ~ 220В 50Гц (и  синхронизации его по фазе с внешней  сетью при работе генератора в  параллель))

Высокой стоимости аккумуляторных батарей ~ 25 % стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети)

Для обеспечения надёжного  электроснабжения к такой установке  иногда добавляют дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой.

В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость  электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину у основной массы  производств на фоне других затрат. Ключевым для потребителя остаётся надёжность и стабильность электроснабжения.

Основными факторами приводящими  к удорожанию энергии получаемой от ветрогенераторов являются:

Необходимость получения  электроэнергии промышленного качества ~ 220В 50 Гц (применяется инвертор)

Необходимость автономной работы в течение некоторого времени (применяется  аккумуляторы)

Необходимость длительной бесперебойной  работы потребителей (применяется дизель-генератор).

В настоящее время наиболее экономически целесообразно получение  с помощью ветрогенераторов не электрической  энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощю ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:

Отопление является основным энергопотребителем любого дома в России.

Схема ветрогенератора и  управляющей автоматики кардинально  упрощается.

Схема автоматики может быть в самом простом случае построена  на нескольких тепловых реле.

В качестве аккумулятора энергии  можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и  горячего водоснабжения.

Потребление тепла не так  требовательно к качеству и бесперебойности, температуру воздуха в помещении  можно поддерживать в широких диапазонах 19—25°С — в бойлерах горячего водоснабжения — 40—97°С без ущерба для потребителей.

По данным Американской Ассоциации Ветряной Энергетики (AWEA) в США в 2006 г. было продано 6807 малых ветряных турбин. Их суммарная мощность 17 543 кВт. Их суммарная стоимость $56 082 850 (примерно $3200 за кВт мощности). В остальном  мире в 2006 г. были проданы 9502 малых турбины (без учёта США), их суммарная мощность 19 483 кВт.

Наиболее перспективными регионами для развития малой  ветроэнергетики считаются регионы  со стоимостью электроэнергии более $0,1 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии, производимой малыми ветрогенераторами в 2006 г. в США составляла $0,10—$0,11 за кВт·ч. AWEA ожидает, что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до $0,07 за кВт·ч.

AWEA прогнозирует, что к  2020 году суммарная мощность малой  ветряной энергетики США вырастет  до 50 тыс. МВт, что составит  около 3 % от суммарных мощностей  страны. Ветряные турбины будут  установлены в 15 млн. домах и на 1 млн. малых предприятий. В отрасли малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем $1 млрд.

Ниже приводится схема  и основные расчёты ветрогенераторной  системы, разработанной и изготовленной  автором.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ВЫБОР СХЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБЪЕКТА ЭНЕРГИЕЙ

 

 Схема работы ветрогенераторной системы с потребителем.

На рисунок 3.2 показана схема электроснабжения потребителя от ветрогенератора(с аккумуляторами) и его коммутация с сетью.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.2Ветрогенератор (с аккумуляторами) и его коммутация с сетью.

Данная система состоит  из приборов:

1. Генератор
2. Контроллер
3. Аккумуляторы
4. Коммутационный аппарат
5. Предохранители
6. Инвертор
7. АВР

 

Данная схема предусматривает  бесперебойное снабжение потребителя  электроэнергией при перебоях в централизованной системе электроснабжения. При отключении основного источника питания, т.е централизованной электросети, АВР производит переключение с основного источника питания на резервный.

Резервным источником питания  является альтернативный источник энергии- ВЭУ., которая преобразует энергию  ветра в электроэнергию. Полученная энергия через контролер  поступает  на заряд АКБ. С АКБ напряжение поступает на инвертор, который в  свою очередь преобразует постоянное напряжение 12В в переменное 220В  с частотой 50Гц, тем самым обеспечивая потребителя электроэнергией. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ВЫБОР ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

 

4.1Работу всего комплекса определяют три основные величины.

 

1) Выходная мощность ветроустановки (кВт), определяется только мощностью преобразователя (инвертора) и не зависит от скорости ветра, емкости аккумуляторов. Ещё её называют «пиковой нагрузкой». Этот параметр определяет максимальное количество электроприборов, которые могут быть одновременно подключены к моей системе. Я не смогу одновременно потреблять больше электроэнергии, чем позволяет мощность моего инвертора. Для увеличения выходной мощности возможно одновременное подключение нескольких инверторов.

 2)Время непрерывной работы при отсутствии ветра или при слабом ветре определяется емкостью аккумуляторных батарей (А*ч или кВт) и зависит от мощности и длительности потребления.

3)Скорость заряда аккумуляторных батарей (кВт/час) зависит от мощности самого генератора. Также этот показатель прямо зависит от скорости ветра, а косвенно от высоты мачты и рельефа местности. Более мощный генератор следует брать в том случае, если ветра в месте установки слабые или вы потребляете электроэнергию постоянно, но в небольших количествах. Для увеличения скорости заряда аккумуляторов возможна установка нескольких генераторов одновременно и подключение их к одной аккумуляторной батарее.

4.2 Условия подбора ветрогенератора и сопровождающего оборудования.

1) Количество электроэнергии, необходимое  объекту ежемесячно (измеряется в кВт*час). Эти данные необходимы для подбора генератора. Их можно взять из коммунальных счетов на оплату электроэнергии или рассчитать самостоятельно.

2) Желаемое время автономной работы  энергосистемы в безветренные периоды или периоды, когда моё потребление энергии из аккумуляторов будет превышать скорость зарядки аккумуляторных батарей генератором. Данный параметр определяет количество и емкость аккумуляторных батарей.

3) Максимальная нагрузка на  сеть в пиковые моменты (измеряется в кВт). Необходимо для подбора инвертора переменного тока.

 

4.3 Выбор генератора

 

Для примера взят частный дом в городе Ростов на Дону. По

предварительным расчётам дом будет потреблять не больше 150 кВт*ч электроэнергии ежемесячно с учётом использования энергосберегающих технологий. Затраты электроэнергии не очень высокие, т.к. хозяева будут использовать для отопления и нагрева воды газовый котёл, а ветрогенератор необходим только для полного обеспечения  бытовых приборов электроэнергией (холодильник, освещение).