Ветроэнергетика в системе альтернативных способов получения энергии

Рис. 1.3. Роторный ветродвигатель

Рис. 1.4. Барабанный ветродвигатель

Разновидностью двигателей карусельного типа являются роторные двигатели, у которых рабочие поверхности выполнены не плоскими, а криволинейными. Поэтому давление на них при движении по направлению действия потока и против него разное, что и обусловливает возникновение вращающего момента. Двигатели с плоскими рабочими поверхностями, вращающимися относительно горизонтальной оси, получили название барабанных.

Все перечисленные типы двигателей работают в результате наличия разности сил лобового давления, образуемых относительно оси вращения. При этом нетрудно показать, что наибольшую мощность двигатель развивает в том случае, когда рабочая плоскость, воспринимающая давление ветра, движется по направлению потока со скоростью, примерно равной 1/3 его скорости. Большинство из указанных типов двигателей имеет весьма простую конструкцию, но тем не менее они не нашли широкого распространения из-за своей тихоходности, громоздкости, малого значения коэффициента использования энергии ветра  (в лучших условиях он не превышает 0,18), больших трудностей, возникающих при необходимости оборудования их системами автоматического регулирования развиваемой мощности и частоты вращения.

В последние годы в ряде зарубежных стран (США, Канаде, Аргентине, Великобритании и др.) большое внимание привлекли к себе ветродвигатели с вертикальной осью вращения, предложенные в 30-х годах французским изобретателем Дарье. Этот ветродвигатель отличается тем, что его ветроприемное устройство — ротор состоит из двух-четырех изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении аэродинамический профиль. Лопасти, закрепленные в точках А и Б на оси вращения, изогнуты так, что образуют пространственную конструкцию, вращающуюся под действием подъемной силы, возникающей на лопастях от ветрового потока. Это позволяет повысить величину £ до 0,3—0,32. Преимуществами такого ветродвигателя являются его меньший относительный вес на единицу мощности, чем у других типов двигателей с

риc. 1.5. Ветродвигатель (ротор) системы Дарье:

1 - лопасти; 2 - вал; 3 - растяжки; 4 - опора; 5 - привод

вертикальной осью вращения, большая быстроходность. Кроме того, в отличие от двигателей с горизонтальной осью система Дарье не нуждается в механизме ориентации по направлению ветрового потока.

Более совершенными двигателями являются так называемые крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения ветроколеса, рабочий момент на котором создается за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях, которые в простейших конструкциях представляют собой плоскости. В современных агрегатах применяют лопасти, имеющие специальный аэродинамический профиль. Они появились примерно в IV—III в. до н. э. в Александрии.

Рис. 1.6. Принципиальная схема ветродвигателя крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения:

/ - редуктор; 2 - генератор; 3 - вертикальный вал

Рис. 1.7. Принцип работы ветроколеса:

а - подъемная сила крыла Ру; б - план скоростей воздушного потока и сил, действующих на лопасть

Такие ветродвигатели более быстроходные, имеют меньшую относительную массу, снабжены устройствами, автоматически регулирующими развиваемую мощность, ограничивающими частоту вращения и ориентирующими ось вращения ветроколеса по направлению вектора скорости потока. Коэффициент использования энергии ветра у них примерно в 3 раза выше, чем у двигателей карусельного, роторного и барабанного типов.

В большинстве стран производят и применяют только крыльчатые ветродвигатели. Двигатели других типов изготовляют обычно кустарным путем или производят в очень небольших количествах. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только агрегаты и установки с двигателями крыльчатого типа. Основным рабочим органом такого двигателя является ветроколесо с лопастями, расположенными по радиусам и под некоторым углом tp к плоскости вращения. Число лопастей может быть различным и зависит от назначения двигателя. При обтекании воздушным потоком крыла под ним создается зона повышенного давления, а над ним, напротив, пониженного. Это обусловливает возникновение подъемной силы Pv, которая создает вращающий момент на ветроколесе

Электрические зарядные ветроагрегаты, предназначенные для зарядки аккумуляторов с целью освещения жилищ чабанов, полевых станов, юрт оленеводов, палаток и домиков различных экспедиций, а также для питания сигнальных устройств, радиоузлов, приемников и телевизоров, обычно имеют мощность 1 кВт и используются в неэлектрифицированных, удаленных от линий электропередачи и малонаселенных районах, где vv > 3,5 м/с. Агрегаты мощностью от 50 Вт до 1,5 кВт применяют также в качестве энергоустановок для питания устройств катодной защиты магистральных нефте- и газопроводов, морских эстакад, питания автоматических метеостанций и опреснительных установок индивидуального пользования. Агрегаты снабжены аккумуляторными батареями низкого напряжения (6—24 В), которые работают в буферном режиме.

Агрегат АВЭУ-2 (прежняя марка — АВЭС-0,1) имеет следующие узлы: ветроколесо  диаметром 2 м, головка, хвост, стойка и электрический щиток с аккумуляторной батареей. Стойка головки прикреплена к опорному столбу  и растяжками, на котором укреплен рычаг ручного управления, с помощью которого, тормозя вал генератора, останавливают агрегат.

Ветроколесо имеет две металлические лопасти, поворачивающиеся в подшипниках втулки, закрепленной на валу генератора. Центробежный регулятор работает по такому же принципу, как и агрегат «Беркут». В зависимости от скорости ветра и величины нагрузки частота вращения изменяется в диапазоне от 300 до 800 об/мин.

На стойке, несущей ферму с хвостовым оперением, закреплен генератор с возбуждением от постоянных магнитов. В нем расположены трехфазная неподвижная статорная обмотка и ротор в виде восьмиполюсного постоянного магнита. Они размещены в корпусе из алюминиевого сплава. В зависимости от способа соединения обмоток генератор вырабатывает ток напряжением 26 или 15 В.

Полезная мощность и подача агрегата «Сокол», м3/чупорном шарикоподшипнике и направляющей втулке. Щиток имеет один-два селеновых выпрямителя, собранных по трехфазной двухполу-периодной схеме, амперметр для контроля работы агрегата, выключатели, предохранитель и зажимы для присоединения нагрузки к аккумуляторной батарее. Транзисторный преобразователь используется для питания телевизора.

Рис.1.9. Электрическая схема агрегата АВЭУ-2:

/ - ветроэлектроагрегат; 2 — электрощит; 3 - преобразователь; 4 - телевизор; 5 - радиоприемник; 6 - аккумуляторные батареи; 7 - электрическое освещение

Рис. 1.10. Электрический агрегат Д-4 для зарядки аккумуляторных батарей

 

Для предохранения батарей от перезаряда и выкипания электролита предусмотрена релейная автоматика, которая подключает к генератору дополнительную нагрузку при достижении напряжения аккумулятора 15 В и избытке мощности. Этим снижаются напряжение и ток заряда до 0,5 - 1 А.

Агрегат работает с аккумуляторными батареями 6СТ-128 или ЗСТ-84 напряжением 6,12 или 24 В.

Агрегат Д-4 представляет интерес, как пример весьма простого по конструкции и устойчивого в работе устройства для получения электрической энергии. Он имеет ветроколесо с регулятором частоты вращения, редуктор, генератор, опору с хвостом, опорный столб с растяжками и рычагом механизма ручного пуска и останова, а также электрический щиток. Простейший по конструкции редуктор и генератор постоянного тока мощностью 750 Вт составляют головку Колесо и регулятор по принципу действия такие же, как у агрегата «Беркут».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 4. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

 

 

 

 

А)                                               Б)                                               В) 

На примере совершенствования модели ветра можно показать что углубление знаний в этой области позволило приблизиться к адекватной модели преобразования энергии На рис. показаны: использование упрощенной модели ветра с осредненными параметрами по времени и в пространстве до 70 годов, учет изменения скорости ветра по высоте в 75 годы, использование турбулентной модели ветра в 85 годы.

А) Б) В)

Модели ветра. а) Осреднение по времени и пространству, б) Изменение скорости ветра по высоте, в) Турбулентная модель ветра

 

Ветер дует почти всегда неравномерно. Значит, и, генератор будет работать неравномерно, отдавая то большую, то меньшую мощность, ток будет вырабатываться переменной частотой, а то и полностью прекратится, и притом, возможно, как раз тогда, когда потребность в нем будет наибольшей. итоге любой ветроагрегат работает на максимальной мощности лип малую часть времени, а в остальное время он либо работает на пониженной мощности, либо просто стоит.

Для выравнивания отдачи тока применяют аккумуляторы, но это как уже отмечалось, и дорого, и мало эффективно.

Интенсивности ветров сильно зависят и от географии. ВЭС выгодно использовать в таких местах, где среднегодовая скорость ветра выше 3,5—4 м/с для небольших станций и выше 6 м/с для станций большой мощности. В нашей стране зоны с V S: 6 м/с расположены, в основном на Крайнем Севере, вдоль берегов Ледовитого океана, где потребности в энергии минимальны (табл. 1).

 

Таблица 1. Возможности использования энергии ветра

Район	Средняя скорость ветра, м/с	Возможные типы ВЭС
Побережье Ледовитого океана, отдельные места у берегов Каспийского моря	>6	Крупные ВЭС по 3—4 МВт
Европейская часть СНГ, Западная Сибирь, Казахстан, Дальний Восток, Камчатка	3,5-6	ВЭС средней мощности
Юг Средней Азии, Восточная Сибирь	<3,5	Мелкие ВЭС для решения локальных задач

 

Как следует из приведенных выше цифр, мощность одной ветроустановки не превышает в исключительных случаях 4 МВт, а в серийных установках — 200-250 кВт. Но и при столь малых мощностях, ветроагрегаты — довольно громоздкие сооружения. Даже сравнительно небольшой ветроагрегат "Сокол" мощностью 4 кВт состоит из мачты высотой 10 м (с трехэтажный дом) и имеет диаметр трехлопастного ротора 12м (который принято называть "колесом", хотя это вовсе и не колесо). ВЭС на большие мощности и размеры имеют соответствующие. Так, установка на 100 кВт имеет ротор диаметром 37 м с массой 907 кг, а ротор установки "Гровиан" обладает размахом лопастей 100 м при высоте башни тоже 100 м, т.е. выше 30-этажного дома. И при этом такая башня должна быть достаточно массивной и прочной, чтобы выдержать и массу громадного ротора, и вибрации, возникающие при его работе. Развивает вся эта махина сравнительно небольшую мощность — всего 3-4 МВт, а с учетом простоев из-за штилей и работы на пониженной мощности при слабом ветре, средняя мощность оказывается и того ниже — порядка 1 МВт (такое соотношение между номинальной и средней мощностями ВЭС подтверждает следующий факт: в Нидерландах на долю ВЭС приходится 0,11 % всех установленных мощностей, но вырабатывают они только 0,02% электроэнергии). Таким образом, для замены только одной АЭС мощностью 4 млн. кВт потребовалось бы соорудить около четырех тысяч таких монстров с соответствующим расходом стали и других материалов (табл. 2). Если бы мы не захотели связываться с такими уникальными гигантами и решили развивать ветроэнергетику на серийных ветроагрегатах мощностью 4 кВт (средняя мощность 1 кВт), то их бы потребовалось для такой замены около 4 млн. штук. При таких масштабах количество, как говорится, переходит в качество, и возникают проблемы совсем иного рода.

 

Таблица 2. Параметры ВЭС для замены одной АЭС мощностью 4 млн. кВт

 

Параметр	Номинальная мощность агрегата
	4 кВт	4 МВт
Средняя мощность агрегата	1 кВт	1МВт
Необходимое количество агрегатов	4 млн.	4 тыс.
Высота агрегата	>м	150м
Расстояние между агрегатами	30м	500м
Площадь занимаемой территории	3600 км2	900км2

 

Казалось бы, раз ветер дует бесплатно, значит, и электроэнергия от него должна быть дешевой. Но это далеко не так. Дело в том, что строительство большого числа ветроагрегатов требует значительных капитальных затрат, которые входят составной частью в цену производимой энергии. При сравнении различных источников, удобно сопоставлять удельные капиталовложения, т.е. затраты на получения 1 кВт установленной мощности. Для АЭС эти затраты равны примерно 1000 руб/кВт. В то же время, наша ветроустановка АВЭ-100/250, способная при скорости ветра б м/с развивать мощность 100 кВт, стоит 600 тыс руб. (в ценах 1989 г.), т.е. для нее капзатраты составляют 6000 руб./кВт. А если учесть, что ветер не всегда дует с такой скоростью, и что поэтому средняя мощность оказывается в 3-4 раза меньше максимальной, то реальные капзатраты составят порядка 20 тыс.руб./кВт, что в 20 раз выше, чем для АЭС.

 

ВЭС с точки зрения экологии.

 

Совершенно ясно, что даже к одному работающему ветряку близко подходить не желательно, и притом с любой стороны, так как при изменениях направления ветра направление оси ротора тоже изменяется. Для размещения же сотен, тысяч и тем более миллионов ветряков потребовались бы обширные площади в сотни тысяч гектаров. Дело в том, что ветроагрегаты близко друг к другу ставить нельзя, так как они могут создавать взаимные помехи в работе, "отнимая ветер" один от другого. Минимальное расстояние между ветряками должно быть не менее их утроенной высоты.

При этом необходимо иметь в виду, что уже ничего другого на этой площади делать будет нельзя. Работающие ветродвигатели создают значительный шум, и что особенно плохо — генерируют неслышимые ухом, но вредно действующие на людей инфразвуковые колебания с частотами ниже 16 Гц. Кроме этого, ветряки распугивают птиц и зверей, нарушая их естественный образ жизни, а при большом их скоплении на одной площадке — могут существенно исказить естественное движение воздушных потоков с непредсказуемыми последствиями. Неудивительно, что во многих странах, в том числе в Ирландии, Англии и других, жители неоднократно выражали протесты против размещения ВЭС вблизи населенных пунктов и сельскохозяйственных угодий, а в условиях густо населенной Европы это означает — везде. Поэтому было выдвинуто предложение о размещении систем ветряков в открытом море. Так, в Швеции разработан проект, согласно которому предполагается в Балтийском море недалеко от берега установить 300 ветряков. На их башнях высотой 90 м будут вращаться двухлопастные пропеллеры с размахом лопастей 80 м. Стоимость строительства только первой сотни таких гигантов потребуется более 1 млрд. долл., а вся система, на строительство которой уйдет минимум 20 лет, обеспечит производство всего 2% электроэнергии от уровня потребления в Швеции в настоящее время. Но это — пока только проект. А тем временем в той же Швеции начато строительство одной ВЭС мощностью 200 кВт на расстоянии 250 м от берега, которая будет передавать энергию на землю по подводному кабелю. Аналогичные проекты были и у нас: предлагали устанавливать ветряки и на акватории Финского залива, и на Арабатской стрелке в Крыму. Помимо сложности и дороговизны подобных проектов, их реализация создала бы серьезные помехи судоходству, рыболовству, а также оказало бы все те же вредные экологические воздействия, о которых говорилось ранее. Поэтому и эти планы вызывают движения протеста. Например, шведские рыбаки потребовали пересмотра проекта строящейся в море ВЭС, так как, по их мнению, подводный кабель, да и сама станция будут плохо влиять на рыб, в частности — на угрей, мигрирующих в тех местах вдоль берега.