Ветроэнергетические установки. Первоначально энергия ветра использовалась для получения механической энергии в сельском хозяйстве (ветряные мельницы)

Первоначально энергия ветра использовалась для получения механической энергии в сельском хозяйстве (ветряные мельницы). Позднее воздушный винт стали использовать для привода судовых механизмов. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.

В России к началу нынешнего века вращалось около 2500 тыс. ветряков общей мощностью 1 млн. кВт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились.

Новейшие исследования в области ветроэнергетики направлены преимущественно на эффективное получение электрической энергии с помощью разного рода ветроэнергетических установок (ВЭУ), которые служат основой ветроэлектрических станций (ВЭС).

ВЭС преимущественно являются электростанциями постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо–машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

В небольших масштабах ВЭС применялись еще несколько десятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сеть электроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 год.

В СССР первая ВЭС мощностью 100 кВт была построена в 1931 году у города Ялта в Крыму. Тогда это была крупнейшая ВЭС в мире. Среднегодовая выработка станции составляла 270 МВт∙ч. В 1942 году станция была разрушена.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования. Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы заставить его работать, обходятся слишком дорого.

Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.

В проектировании установки самая трудная проблема состоит в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом периодов в секунду, т.е. со стандартной частотой 50 или 60 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

При использовании ветра возникает серьезная про­блема – избыток энергии в ветреную погоду и недоста­ток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранять впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, кото­рый накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие во­дяную турбину и генератор постоянного или перемен­ного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнета­ния сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Элек­трический ток от ветроагрегата разлагает воду на кис­лород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Ветродвигатель – устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат – колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.

Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю.С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже давно построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 5.1. Они делятся на две группы:

1) ветродвигатели с вертикальной осью вращения: карусельные лопастные (см. рис. 5.1, а) и карусельные ортогональные (см. рис. 5.1, е);

2) ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, т.е. крыльчатые (см. рис. 5.1, б–д).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей–крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло–стабилизатор.

Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения.

Ортогональные ветродвигатели, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.

Рис. 5.1. Типы ветродвигателей

В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. 5.1, е). Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей (с горизонтальной осью вращения) намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных (с вертикальной осью вращения) намного больше момент вращения. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Горизонтальные ВЭУ среднего и мегаваттного класса имеют быстроходное колесо обычно с 2–3 лопастями, которое вместе с капсулой агрегата с помощью автоматической системы ориентации поворачивается на башне по направлению ветра. В настоящее время в ряде стран осуществляется серийное производство таких ВЭУ с диаметром колеса 20–40 м и мощностью 100–500 кВт, построены опытные горизонтальные ВЭУ с диаметром колеса до 70–100 м и мощностью 3–4 МВт.

Для вертикальных ВЭУ не нужна система ориентации, что является их преимуществом. Кроме того, карусельные ветродвигатели тихоходны, это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра, однако тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов не эффективно из-за низкого КПД последних. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

В России же одним из возможных направлений развития ветроэнергетики стало создание многомодульных ветроэнергетических установок (МВЭУ), состоящих из 1–2 десятков небольших ветроколес диаметром до 2 м. В программе МВЭУ участвуют несколько предприятий. Среди них Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), занимающийся вопросами аэродинамики, испытанием моделей и изготовлением опытных образцов; НИИ электрификации сельского хозяйства (испытания на полигоне) и Московский государственный открытый университет, где на кафедре электроприводов разрабатывают и изготавливают электрическую часть МВЭУ. Производством наиболее сложных элементов конструкций – легких и прочных углепластиковых профилированных лопаток и кольцевого обтекателя – на стадии изготовления опытных образцов занимается ЗАО «Мельников». Совместными усилиями они разработали и приступили к созданию модульной ветроэнергетической установки оригинальной конструкции, в которой недостатки ВЭУ сведены к минимуму. Усовершенствованная конструкция ветродвигателя получила название «Модуль». Несмотря на то, что потери мощности в нем по сравнению с ВЭУ традиционной схемы возрастают за счет трения с 7 до 20 % (пропорционально увеличению площади обтекаемых поверхностей), суммарные потери мощности снижаются примерно в два раза. Этого удалось достичь благодаря применению более совершенной аэродинамической схемы (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Конструкция одного модуля ветродвигателя

«Модуль»: а – сбоку; б – со стороны ветрового потока

На данном этапе проектируются модули с кольцевым обтекателем диаметром 1 м («Мини–модуль») и 2 м («Макси–модуль»). При скорости ветра 10 м/с мощность первого составляет 0,25 кВт, а второго – 1 кВт. Естественно, большую мощность и наибольший экономический эффект дают многомодульные установки.

Разработчики предлагают МВЭУ в двух компоновках. Первая из них – «Венец» – предназначена для обеспечения электроэнергией в основном индивидуальных домов. Установка представляет собой усеченное осесимметричное центральное тело, вокруг которого по окружности смонтировано несколько ветроэнергетических модулей. «Венец» устанавливают на крышах зданий. Вторая компоновка – МВЭУ «Башня» – может вырабатывать электроэнергию для небольших поселков. Она состоит из группы МВЭУ «Венец», определенным образом расположенных на возвышенности (башне).