Ветроэнергетическая установка

     У ВЕУ першої групи коефіцієнт використання енергії вітру значно нижчий, ніж  в установках другої групи. Вони тихохідні, тому що вітроприймальний пристрій не може рухатися з швидкістю, що перевищує швидкість вітру. А найголовніший недолік цих ВЕУ – непридатність до чіткого й ефективного регулювання. Кожний тип вітроагрегатів характеризується певним коефіцієнтом потужності, тобто величиною, що визначає обсяг енергії, який можна отримати з вітрового потоку конкретним вітроприймальним пристроєм. Для ВЕУ першого типу коефіцієнт використання енергії, або коефіцієнт потужності, зазвичай не перевищує 0,1. Для установок другого типу він дорівнює 0,3-0,45 [5].

     До  ВЕУ другої групи відносять вертикально-осьові ротори Дар’є та класичні горизонтально-осьові вітроустановки. Попри незаперечні переваги роторів Дар’є (силову трансмісію та електрогенератор встановлюють, як правило, на землі; відсутність механізму орієнтації на вітер), їм властиві й істотні недоліки, що обмежують можливості їх широкомасштабного використання. Серед недоліків – відносно низьке значення коефіцієнта використання енергії вітру та концентрація маси лопатей на периферії охоплюваної площі, що призводить до руйнувань від утомлюваності елементів ВЕУ і передусім їх опорних підшипників. Крім того, вітряки такого типу, як правило, регулюють підключеним навантаженням, зі зникненням якого ротор стає некерованим. Тому нині для виробництва енергії найширше застосовують горизонтально-осьові трилопатеві ВЕУ. 

     3.1 Швидкість вітру

     Швидкість вітру є визначальним показником для розрахунку потужності вітроустановки. Однак яке її значення потрібне для  обчислення потужності ВЕУ?

     На  основі науково-практичного досвіду [5] підраховано, що розрахункова (номінальна) швидкість вітру повинна коливатися в межах добутку середньорічної швидкості вітру на коефіцієнт 1,25-2. Характерно, що нижнє значення цього діапазону (1,25) типове для вітроустановок, які використовуються у сільському господарстві для механічної роботи або беруть участь у якихось технологічних процесах. Бажано, щоб такі вітряки функціонували якнайбільше днів у році. Перевага віддається гарантії, хоч і не на всі 100 %, неперервності технологічного процесу.

     Головне завдання ВЕУ, призначених для виробництва електроенергії, а тим більше з накопичувачем енергії у вигляді АБ, – «зняти» якнайбільше енергії з вітрового потоку за певний період часу.

     Тому  в таких вітроагрегатах значення коефіцієнта наближене до 2. До значення розрахункової швидкості вітру необхідно ставитися дуже уважно. Припустимо, ви придбали ВЕУ потужністю 5 кВт, але не уточнили, за якої швидкості вітру вона цю потужність розвиває. В такому випадку «5 кВт» означає лише те, що встановлено електрогенератор такої потужності й нічого більше. Приймемо за розрахункову швидкість вітру 10 м/с. Якщо ж насправді вона дорівнює 8 м/с, то ВЕУ, яка у нашому прикладі розвиває потужність 5 кВт при 10 м/с, за швидкості вітру 8  м/с розвиватиме удвічі меншу потужність.

     Розрахунок  річного виробітку – досить складний процес, що базується на статистичних даних повторюваності певних швидкостей вітру в певному регіоні, а також на умінні прогнозувати. Іноді роблять простіше: застосовують поняття «коефіцієнт використання встановленої потужності». Якщо вітроагрегат для конкретного місця вибраний правильно, то значення цього коефіцієнта відповідатиме 0,25-0,3. Тоді кількість електроенергії, яку буде виробляти ВЕУ за рік, можна розрахувати, перемноживши кількість годин у році на показник встановленої потужності й коефіцієнт використання встановленої потужності [5].

     3.2 Технічні особливості малих ВЕУ

     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.

     Турбіни з горизонтальною віссю і високим  коефіцієнтом швидкохідності мають  найбільше значення коефіцієнта  використання енергії вітру (0,46-0,48). Вітротурбіни з вертикальним розташуванням осі менш ефективні (0,45), але мають ту перевагу, що не вимагають настроювання на напрямок вітру.

     Сьогодні  запропоновано безліч варіантів  механізмів для переробки вітру  в електричну енергію. Основним його елементом є вітроколесо. За принципом роботи та схемою будови вітроколеса вітрові електростанції поділяються на 3 класи:

1. Крильчасті (пропелерні) — мають вітроколесо з лопатями, розташованими перпендикулярно до валу.
2. Карусельні або роторні.
3. Барабанні.

     В карусельних та барабанних вал вітроколеса встановлюється вертикально. Воно обертається під дією вітру на лопаті, розташованій з одного боку осі колеса, у той час як інші лопаті прикриваються ширмою або повертаються з допомогою спеціального пристрою ребром до вітру. Ці обидва класи є громіздкими і менш ефективними порівняно з крильчастими. Виходячи з цього вся сучасна вітроенергетика базується в основному на крильчастих типах вітродвигунів. Пропелерні вітродвигуни досконалі, відносно мало матеріалоємні, забезпечують досить високий коефіцієнт використання енергії вітру.

     Слід  враховувати, що при розташуванні поруч  кількох вітряків вони мають розташовуватися  не ближче ніж за три висоти один від одного аби не перехоплювати  «чужий» вітер.

     3.3 Загальний опис крильчастої вітрової електростанції

     Вітроколесо установки закріплюється на горизонтальному  валу, що обертається в двох підшипниках, змонтованих у головці вітродвигуна. Обертання вітроколеса передається електрогенераторові через дві циліндричні шестерні. Голівка вітродвигуна монтується на башті, висота якої визначається з розрахунком виносу вітроколеса вище від усіх оточуючих перешкод, що можуть впливати на потоки повітря. Вона може обертатися навколо вертикальної осі. Позаду голівки закріплюється хвіст для встановлення вітроколеса на вітер. Потужність вітродвигуна без регулюючого пристрою збільшується або зменшується пропорційно до кубу швидкості вітру, наслідком чого є нерівномірність роботи електрогенератора. Щоб усунути цю ваду у вітродвигуні застосовано автоматичне регулювання швидкості обертання електрогенератора. Напруга, яка знімається з електрогенератора, стабілізується в стабілізаторі напруги. Через це вихідна напруга залишається сталою, вона коливається від 210 В до 230 В і не залежить від швидкості вітру. 

     3.4 Перелік існуючих малих ВЕУ

     Запропонований  ряд ВЕУ допоможе організувати автономну систему електропостачання для будинку невеликого чи середнього розміру, а також для об’єктів, де необхідна значна потужність вітрогенератора. Дані взяті з каталогу компанії: ООО «Українська Альтернативна Енергетика» (УАЕ) [6]. Ця компанія спеціалізується на розробках та розповсюдженні альтернативних джерел енергії. Вони займаються поставками та установкою вітроенергетичного обладнання на території України та СНД. Вся їхня продукція сертифікована та екологічно безпечна.

     Перелік малих ВЕУ наведено у табл. 3.1. ВЕУ відрізняються між собою конструкцією, максимальною потужністю, на яку вони розраховані, діаметром ротора, кількістю акумуляторів. 

Таблиця 3.1 – Перелік малих ВЕУ із каталогу ООО «УАЕ»

Тип	Макс. потужнітькВт	Швидкість вітру  м/с	Діаметр ротора, м	Висота башти,  м	Кількість акумуляторних блоків 12 В, шт
EuroWind 300	0,5	2,5-45	1,5	6	2
EuroWind 500	0,7	2-45	2,5	17	2
EuroWind 1	1,6	2-45	2,7	17	4
EuroWind 2	3	2-45	3,2	17	10
EuroWind 3	4	2-45	4,5	12	20
EuroWind 5	6,4	2-45	6,4	12	40
EuroWind 10	13	2-45	8	12	40

 

     Компоненти вітроустановки:

     До  основних компонентів системи, без яких робота вітряка неможлива, відносять наступні елементи:

     1. Генератор – необхідний для заряду акумуляторних батарей. Від його потужності залежить як швидко заряджатимуть ваші акумулятори. Генератор необхідний для вироблення змінного струму. Сила струму і напруга генератора залежить від швидкості і стабільності вітру.

     2. Лопати – приводять в рух вал генератора завдяки кінетичній енергії вітру.

     3. Башта – зазвичай, чим вище щогла, тим стабільніше і сильніше сила вітру. Звідси слідує – чим вище щогла, тим більше виробітку генератора. Щогли бувають різних форм і висот.

     Список  додаткових необхідних компонентів:

     1. Контролер – управляє багатьма процесами вітроустановки, такими, як поворот лопатей, заряд акумуляторів, захисні функції і ін. Він перетворює змінний струм, який виробляється генератором в постійний для заряду акумуляторних батарей.

     2. Акумуляторні батареї – нагромаджують електроенергію для використання в безвітряні години. Також вони вирівнюють і стабілізують напругу, що виходить, з генератора. Завдяки ним ви отримуєте стабільну напругу без перебоїв навіть при поривчастому вітрі. Живлення вашого об'єкту йде від акумуляторних батарей.

     3. Анемоскоп і датчик напряму вітру – відповідають за збір даних про швидкість і напрям вітру в установках середньої і великої потужності.

     4. АВР – автоматичний перемикач джерела живлення. Виробляє автоматичне перемикання між декількома джерелами електроживлення за проміжок в 0,5 секунд при зникненні основного джерела. Дозволяє об'єднати вітроустановку, суспільну електромережу, дизель-генератор і інші джерела живлення в єдину автоматизовану систему. Увага: АВР не дозволяє працювати мережі одного об'єкту одночасно від двох різних джерел живлення!

     5. Інвертор – перетворює струм з постійного, який накопичується в акумуляторних батареях, в змінний, який споживає більшість електроприладів.

     Інвертори бувають чотирьох типів:

     1. Модифікована синусоїда – перетворює струм в змінний з напругою 220 В з модифікованою синусоїдою (ще одна назва: квадратна синусоїда). Придатний лише для устаткування, яке не чутливе до якості напруги: освітлення, обігрів, заряд пристроїв і тому подібне.

     2. Чиста синусоїда - перетворює струм в змінний з напругою 220 В з чистою синусоїдою. Придатний для будь-якого типа електроприладів: електродвигуни, медичне устаткування та ін.

     3. Трьохфазний – перетворює струм в трифазний з напругою 380 В. Можна використовувати для трифазного устаткування.

     4. Мережний – на відміну від попередніх типів дозволяє системі працювати без акумуляторних батарей, але його можна використовувати лише для виведення електроенергії в суспільну електромережу. Їх вартість, зазвичай, у декілька разів перевищує вартість немережевих інверторів. Інколи вони стоять дорожче, ніж всі останні компоненти вітроустановки разом узяті.

     Комплектація  вітроустановок:

     В комплект вітроенергетичних установок входить:

     1. Турбіна.

     2. Башта (не входить в комплект Eurowind 300).

     3. Лопати.

     4. Кріплення.

     5. Троси щогли.

     6. Поворотний механізм (лише з вітрогенераторами Eurowind 3 і вище).

     7. Контролер.

     8. Анемоскоп і датчик вітру (лише з вітрогенераторами Eurowind 3 і вище).

     9.Хвост  (лише з вітрогенераторами Eurowind 2 і молодше).

     Акумулятори, інвертор і додаткове устаткування підбираються індивідуально і в базову комплектацію не входять. Незалежно від комплектації вітрогенератор завжди автоматично позиціює за вітром.

 

4 ВИКОРИСТАННЯ  ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК У СВІТІ 

     Загальна  встановлена потужність світової вітроенергетики  у 2008 р. досягла 93,8 ГВт [7,8]. Частка електроенергії, що виробляється на ВЕС, становить 1,3 % від світового виробництва. У вітроенергетичному секторі сьогодні задіяні понад 70 країн світу.

     Успішна історія розвитку вітроенергетики  продовжується у всьому світі. У 2008 році вітроенергетика знов продемонструвала найбільш динамічний розвиток серед всіх енергоресурсів. Починаючи з 2005 року, встановлена потужність світової вітроенергетики збільшилася більш ніж в два рази, досягнувши на кінець 2008 років 121188 МВт в порівнянні з 59024 МВт в 2005 році, 74151 МВт в 2006 році, і 93927 МВт в 2007. У 2008 році товарообіг світового вітроенергетичного сектора склав 40 млрд. євро.

     Темп  зростання ринку нових вітротурбін  склав 42 %, в цілому за рік було встановлено нових 27261 МВт в порівнянні з 19776 МВт в 2007 році і 15127 МВт в 2006 році. Десять років тому об'єм ринку нових вітротурбін складав всього 2187 МВт, тобто менш однією десятою ринку 2008 років. Для порівняння, за даними Міжнародного агентства по атомній енергетиці протягом 2008 року не було введено в експлуатацію жодного нового атомного реактора [7,8].