Ветроэнергетическая установка

• у галузі генерування електроенергії та комбінованого виробництва електричної та теплової енергії — вітроенергетики, гідроенергетики, геотермальних ТЕС та ТЕЦ, ТЕЦ на базі вугільного метану, біогазу, біомаси, а також некондиційного природного газу, супутніх горючих газів нафтовидобування і нафтопереробки, горючих газів техногенного походження та інших місцевих нетрадиційних видів палива;
• у галузі виробництва теплової енергії — геліоенергетики та тепло-насосної техніки.

     На  рис. 1.2 та рис. 1.3 показано карти вітрів Україні, а саме швидкість вітру по областях України та кліматична карта України, відповідно. 

Рисунок 1.2 – Швидкість вітру в областях України 

Рисунок 1.3– Кліматична карта України

 

2 ВІТРОЕНЕРГЕТИКА 

     Вітрова електростанція (ВЕС) — електростанція, яка за допомогою вітрової турбіни перетворює механічну енергію вітру на електричну. Вітрові електростанції — це система відновлюваної енергетики, оскільки вітер — відновлюване джерело енергії, непередбачуване й непостійне.

     Вітроенергетика сьогодні перестала бути фантастикою і є самою швидкорослою галуззю серед альтернативних джерел енергії. Вітер є незвичайним енергоносієм, невичерпним, але який має безліч складних і слабо передбачених фізичних параметрів для кожного окремо взятого географічного місця. У опис вітру, окрім середньорічної і максимальної швидкостей, слід взяти до уваги характеристики що враховують внутрішню структуру повітряного потоку такі як: «троянда вітрів», поривчасту, щільність повітря, турбулентність, температуру і різновекторні течії по висоті. 

     2.1 Конструкція вітроенергетичної установки

     Вітроенергетичні  установки (ВЕУ) досягли сьогодні рівня  комерційної зрілості й у місцях зі сприятливими швидкостями вітру  можуть конкурувати з традиційними джерелами електропостачання. З  усіляких пристроїв, що перетворять енергію вітру в механічну роботу, у переважній більшості випадків використовуються лопатеві машини з горизонтальним валом, установлюваним по напрямку вітру. Набагато рідше застосовуються пристрої з вертикальним валом.

     Вітрове колесо, розміщене у вільному потоці повітря, може в кращому випадку теоретично перетворити в потужність на його валу 16/27=0,59 (критерій Бетца) потужності потоку повітря, що проходити через площу перетину, яке захоплюється вітровим колесом. Цей коефіцієнт можна назвати теоретичним КПД ідеального вітрового колеса. У дійсності КПД нижче і досягає для кращих вітрових коліс приблизно 0,45. Це означає, наприклад, що вітрове колесо з довжиною лопасті 10 м при швидкості вітру 10 м/с може мати потужність на валу в кращому випадку 85 кВт [1, 4].

     На  рис. 2.1 приведені основні компоненти ВЕУ. 

     Рисунок 2.1 - Основні компоненти ВЕУ 

     Є дві принципово різні конструкції  вітроустановок: з горизонтальною і  вертикальною віссю обертання. Більш  поширені вітроустановки з горизонтальною віссю (рис. 2.2). 

     Рисунок 2.2 - Принципова схема вітроагрегата 

     Основними елементами вітроенергетичних установок  є вітроприймальний пристрій (лопаті), редуктор передачі крутильного моменту до електрогенератора, електрогенератор і башта. Вітроприймальний пристрій разом з редуктором передачі крутильного моменту утворює вітродвигун. Завдяки спеціальній конфігурації вітроприймального пристрою в повітряному потоці виникають несиметричні сили, що створюють крутильний момент. Залежно від потужності генератора вітроустановки поділяються на класи, їхні параметри та призначення наведено в табл. 2.1.

     Оскільки  вітер може змінювати свою силу та напрямок, вітрові установки обладнуються спеціальними пристроями контролю та безпеки. Ці пристрої складаються з  механізмів розвертання вісі обертання  за вітром, нахилу лопатей відносно землі за критичної швидкості вітру, системи автоматичного контролю потужності й аварійного відключення для установок великої потужності.

Таблиця 2.1 - Класифікація вітроустановок

Клас  установки	Потужність, кВт	Діаметр колеса, м	Кількість лопатей	Призначення
Малої потужності	15-50	3-10	3-2	Зарядження  акумуляторів, насоси, побутові потреби
Середньої потужності	100-600	25-44	3-2	Енергетика
Великої потужності	1000-4000	>45	2	Енергетика

 

     Вітроенергетичні  установки з вертикальною віссю обертання мають перевагу перед установками з горизонтальною віссю, яка полягає насамперед в тому, що зникає необхідність у пристроях для орієнтації на вітер, спрощується конструкція та знижуються гіроскопічні навантаження, які зумовлюють додаткову напругу в лопатях, системі передач та інших елементах установки.

     Різновидом  вітроустановок з вертикальною віссю  є так звана вітрова гребля, де сконцентрований повітряний потік  спрямовується на установку за допомогою  напрямлювачів у вигляді лісосмуг, штучних перегородок у вигляді панелей, надувних конструкцій, солом'яних блоків тощо. Схему вітрової греблі наведено на рис. 2.3.

 

     Рисунок 2.3 - Вітрова гребля 

     Вітроенергетичні  установки являють собою досить складний виріб. Багато хто з раніше розроблених зразків виявилися ненадійними. Наприклад, фотоелектричний модуль, на відміну від ВЕУ, від початку є більш надійним (немає рухомих елементів), але й значно дорожчим джерелом енергії. Вітрогенератор складається з безлічі механізмів, і надійність кожного окремого з них залежить від професіоналізму його розробників та виробників.

     Вітрогенератори, потужністю від 5 до 50000 і вище кіловат, складаються з наступних блоків.

• Ротор – це лопаті, з’єднані з центральним валом. Центральний вал пов’язаний з ведучим валом приводу через коробку передач – трансмісію (у деяких системах вал ротора напряму з’єднаний з приводом генератора).
• Трансмісія і привід необхідні для передачі кінетичної енергії через ведучий вал на генератор, який і виробляє електроенергію.
• Електроніка. Всі системи вітроенергетичної установки контролюються та управляються за допомогою комп’ютера. Система контролю кута нахилу лопатей розгортає лопаті під кутом, потрібною для ефективної роботи за будь-якої швидкості вітру. Система контролю напрямку осі ротора розгортає ВЕУ у напрямку до вітру в горизонтальній площині.
• Контролер. Електронна система контролю підтримує постійну напругу на генераторі при зміні швидкості вітру. Генератор, що працює при різних швидкостях вітру, є важливою складовою частиною ефективної роботи ВЕУ.

     Конструкція малих вітрогенераторів, призначених  для приватного використання, значно простіше. Трансмісія у них практично  відсутня, а часто не потрібна. Ротор  з’єднується безпосередньо з генератором. Однак, якщо ви плануєте придбати вітрогенератор для забезпечення приватного будинку, слід звернути увагу на те, що до нього будуть потрібні блок з інвертора та акумуляторів. 

     2.2 Принцип роботи  ВЕУ

     Принцип дії всіх вітродвигунів один: під  натиском вітру обертається вітроколесо  з лопатями, передаючи момент, що крутить, через систему передач валу генератора, що виробляє електроенергію, водяному насосу або електрогенератору. Чим більше діаметр вітроколеса, тим більший повітряний потік воно захоплює і тим більше енергії виробляє агрегат. Принципова простота дає тут винятковий простір для конструкторської творчості, але лише недосвідченому погляду вітроагрегат представляється простою конструкцією.

     Крім  того, кінці лопатей крупної установки, рухаючись з великою швидкістю  створюють шум. Головна перешкода  на дорозі використання енергії вітру все ж економічна – потужність агрегату залишається невеликою і доля витрат на його експлуатацію виявляється значною. У результаті собівартість енергії не дозволяє вітрякам з горизонтальною віссю надавати реальну конкуренцію традиційним джерелам енергії. 

     2.3 Переваги та недоліки  вітроенергетичних  установок 

     2.3.1 Переваги ВЕУ

     Вітроенергетична  техніка порівняно з іншими джерелами  енергії володіє очевидними перевагами. Серед них:

• відсутність витрат на видобуток і транспортування палива;
• низькі питомі трудовитрати на спорудження вітроенергетичних установок (ВЕУ) — ці витрати менші, чим для теплових і атомних електростанцій;
• широкий технологічний діапазон прямого використання енергії ВЕУ (зокрема, автономність і робота в централізованих мережах, сумісність з іншими джерелами енергії);
• короткі терміни введення потужностей в експлуатацію;
• порівняна відсутність шкідливої дії вітроустановок на довкілля (в цьому відношенні вітротехніка поступається лише геліоелектростанціям).

 

     2.3.2 Недоліки ВЕУ

     Вітер дує майже завжди нерівномірно. Отже генератор буде працювати нерівномірно, віддаючи то більшу то меншу потужність, струм буде вироблятися перемінної потужності, а то й цілком припиниться, і можливо, саме тоді, коли потреба  в ньому буде найбільшою. Будь-який вітроагрегат працює на максимальній потужності лише певний час, а в інші години він або працює не на повну потужності, або взагалі простоює. Значну невідповідність між номінальною і середньою потужностями вітроелектростанцій підтверджує наступний факт: у Нідерландах на частку вітрових електростанцій на початку 90-х років 20 ст. припадало 0,11 % усіх встановлених потужностей, але лише 0,02 % виробленої електроенергії [2].

     Для вирівнювання віддачі струму застосовують акумулятори, але це як уже відзначалося, і дорого, і мало ефективно.

     Відповідно  вітрові електростанції не можуть самі по собі бути надійною основою енергетики. Вони або доповнюють основні потужності роблячи певний внесок у виробництво  необхідної електроенергії, або ж  є джерелом електрики у віддалених чи ізольованих місцях де складно чи неможливо забезпечити постачання електроенергії іншим чином.

     Також через невисоку потужність вітряків, вітроелектростанції вимагають  значних територій для розміщення вітрових установок.

     Робота вітроелектростанцій впливає на роботу телевізійної мережі, виникають викривлення сигналу. Іншою несподіваною особливістю установок виявилася в тому, що вони начебто стали джерелами досить інтенсивного інфразвукового шуму, який негативно впливає не тільки на людський, але й на організм тварин. Тобто території поблизу вітрових електростанцій є непридатними для життя людей, тварин і птахів. Але це ще повністю не доведено й суперечки з цього приводу точаться до сих пір.

 

3 МАЛІ  ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНІ УСТАНОВКИ 

     Вітрова енергетична установка (ВЕУ) може виробляти електроенергію лише тоді, коли дме вітер. Тому, щоб забезпечити себе енергією і в періоди затишшя, потрібен буфер або, інакше кажучи, накопичувач енергії. Зазвичай для цього використовують електрохімічний акумулятор (АБ) або теплоізольовану ємність з теплоносієм, що нагрівається електричними нагрівачами (ТЕНами), а для вітропомпових установок – ємність, у якій накопичується видобута із глибини вода. За таких умов користуватися накопиченою енергією можна в будь-який час – тільки-но буде в цьому необхідність. Таким можна отримати доступ до власної енергії та можливість використовувати її на власний розсуд: у місцях, де немає централізованого електропостачання або ж як резервне джерело енергії, що дає змогу заощаджувати електрику від централізованої мережі та забезпечувати електропостачання у разі її відсутності. Крім того, у другому випадку ще й відпадає проблема з високовартісним обладнанням, яке часто виходить з ладу через незадовільну якість енергії в мережі, особливо у сільській місцевості.

     Малі  ВЕУ можна поділити на дві великі групи:

• вітроустановки, що використовують силу лобового тиску (барабанні, багато-лопатеві горизонтально-осьові, карусельні, ротори Савоніуса, вітрильні тощо);
• вітроустановки, що використовують аеродинамічну піднімальну силу (ротори Дар’є, швидкохідні горизонтально-осьові вітроустановки).