Производство электроэнергии с помощью ветроэнергетических установок

Характерные особенности ветроэлектрогенераторов (ВЭГ). Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра. Эффективность преобразования механической энергии в электрическую в электрогенераторе составляет обычно 95%, а потери электрической энергии при передаче не превышают 10%. Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии. Эти требования жесткие при работе ветроустановок в рамках единой энергосистемы и достаточно мягкие при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках.

При проектировании ветроэлектрических установок надо учитывать их особенности.

1. Для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности. В то же время для максимально эффективной работы электрогенератора необходима практически постоянная частота вращения.

2. Механические системы управления частотой вращения ветроколеса достаточно сложны и дороги. Гораздо эффективнее и дешевле управлять частотой его вращения, изменяя электрическую нагрузку электрогенератора.

3. Оптимальная частота вращения ветроколеса тем меньше, чем больше его радиус, поэтому только очень малые ветроколеса (радиусом не более 2 м) удается соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветроколеса приходится использовать повышающие редукторы, увеличивающие стоимость ветроустановки и затраты на ее обслуживание. Альтернативой редукторам могут стать новые типы многополюсных генераторов, работающих при меньших частотах вращения.

4. В конструкции ВЭГ предусматривается, как правило, возможность отключения генератора от ветроколеса и перехода на выработку электроэнергии от химического или механического аккумулятора энергии. В связи с этим, систему управления генератором не связывают с работой ветроколеса. При отсутствии такой связи даже при «мягком» соединении генератора с ветроколесом необходимы специальные демпфирующие устройства, для исключения механических ударов, перегрузки и скачков напряжений на выходе электрогенератора.

Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ВЭГ [6].

1. Наиболее благоприятные ветровые условия существуют, как правило, в малонаселенных районах. Требования к электроэнергии в таких районах весьма специфичны, но почти наверняка ее здесь требуется гораздо меньше, чем в развитых промышленных районах.

2. Анализ парка потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5-10% из них предъявляют определенные требования к ее параметрам, например, к частоте тока. Это в основном электродвигатели, электронные устройства и осветительные установки. Поэтому целесообразно так строить систему элекроснабжения, чтобы она могла обеспечивать потребителей как дешевой электроэнергией с нестабилизированными параметрами, например, для отопления, так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами.

3. Энергосистемы в сельской местности обычно маломощные и относительно низковольтные (менее 35 кВ). При передаче энергии на большие расстояния возникает много проблем, связанных с ее потерями. В связи с этим подключение ВЭУ к таким системам нецелесообразно.

4. Так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии или резервные электроэнергетические установки других типов.

Использование ВЭУ целесообразно:

- на вновь осваиваемых территориях, где полностью отсутствует центральная электросеть;

- в брошенных деревнях, где инфраструктура энергоснабжения разрушена;

- в регионах с устаревшим и изношенным оборудованием, где из-за аварий возможны длительные перебои с энергоснабжением;

- в районах, где из-за плохих погодных условий (сильный ветер, снегопад и т.д.) возможны длительные перерывы с энергоснабжением;

- на островах и других трудно доступных районах.

Сравнительно невысокое удельное потребление электроэнергии
в сельской и пригородной местности - 0,905 МВт·ч/ год, по сравнению
с городом - 1,7 МВт·ч/год, связанное с отсутствием централизованного электротранспорта, кондиционирования и тепловодоснабжения,
в сочета­нии с наличием приусадебных участков и малой этажностью, создает в России благоприятные предпосылки для установки индивидуаль­ных ветроэлектрогенераторов.

Применение ветроэлектрогенераторов (ВЭГ) не вызывает технических трудностей при скорости ветра, начиная с 3,5 м, что приемлемо для значительной части (60-65%) территории России. Благоприятными для использования энергии ветра являются Центральный, Северо-Западный и Поволжский регионы, где, при средней скорости ветра 3,5 м и выше, количество безветренных дней не превышает 10-15%.

Применение ВЭГ целесообразно на Дальнем Востоке, острове Диксон, Камчатке, Сахалине, Курильской гряде, где средняя скорость ветра превышает 8 м [4]. Отсутствие тепловых выбросов, экологическая чистота и возможность использования без подведения органи­ческих энергоносителей делают его применение еще более привлекательным.

В то же время, необходимость аккумулирования электрической энергии или установки резервной вспомогательной электрогенерирующей установки на базе органического топлива (солярка, бензин, сжиженный и сетевой газы) резко снижает экономичность использования ВЭГ.

Стоимость аккумуляторных батарей колеблется от 1/4 до 1/2 об­щей стоимости установки [6]. В этом случае аккумуляторные батареи обеспечивают электроснабжение в течение 3-6 безветренных суток и их применение предпочтительнее резервной электрогенерирующей установки.

В России за последние годы применение ветроэлектрогенераторов получает все большее распространение. В настоящее время на базе предприятий оборонной и авиационной промышленности, для целей электроснабжения малых промышленных, сельскохозяйственных потребителей и ма­лых населенных пунктов, серийно выпускаются ветроэлектрогенераторы типа АВЭ, ВТН и ВВУ установочной мощностью от 1,0 до 30 кВт.

Конструкция ветроэлектрогенератора типа ВТН включает (рис. 16) генератор с ветроколесом 2 , разборную мачту 3 с растяжками 4, кабель с токосъемником, предохранитель от сверхдопустимых скоростей ветра, контур заземления.

Техническая характеристика низкоскоростных ветроэлектроге­нераторов марки ВТН8-4, рассчитанных на применение
в маловетренных районах России, со среднегодовой скоростью ветра 3,5 м/с и более, приведена в табл. 3.

Ветрогенераторы этой марки по своим характеристикам соответствуют лучшим зарубежным образцам, сравнительно дешевы (500 дол/кВт) и в наибольшей степени удовлетворяют запросам индивидуальных потребителей.

В комплект поставки входят двухлопастное ветроколесо диамет­ром 8 м, мачта высотой 12 м (состоит из трех трубчатых секций диаметром 219 мм, соединенных между собой болтовыми фланцевы­ми соединениями), четыре растяжки, кабель с токосъемником, находящийся внутри ствола мачты, автовыключатель, рукоятка управления тормозной системой, предохранитель сверхдопустимых скоростей ветра, контур зазем­ления.

Подъем и спуск генератора и ветроколеса осуществляются одним человеком с помощью ручной лебедки, натяжение растяжек - с помощью талрепов.

Применение ветроэлектрогенераторов в сельской местности, для нормы потребления электроэнергии, равной 0,905 МВт·ч/год на одного человека, обеспечивает экономию газового топлива в размере 10% в общем балансе энергопотребления жилого здания приусадебного типа.

Рис. 16. Схема ветроэлектрогенератора

Таблица 3.

Технические характеристики ветроэлектрогенератора ВТН 8-4