Ветрогенератор

ft403-pol wind energyЕще несколько лет назад ветрогенераторы казалась чем-то далеким, почти научной фантастикой. Поиск новых источников энергии, достижения в области технологии строительства этих электростанций и идеологической "пропускной способности" возобновляемых источников энергии, однако, может привести к тому, что ветрогенераторы в будущем станут в пейзаже чем-то почти столь же распространенным, как линии электропередач.

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка, ветряная турбина) представляет собой устройство, которое преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию турбины, а затем эта энергия преобразуется в электрическую. В разговорной речи также используются термины "ветряная электростанция", "ветровая турбина" или "ветряк". Ветрогенераторы на сегодняшний день являются, безусловно, наиболее важной формой использования энергии ветра. Движение воздушных масс вызывает вращение лопастей. Электроэнергия вырабатывается в генераторе, который расположен в гондоле - то есть, в "сердце" турбины. Рентабельность инвестиций основана на том факте, что мы производим собственное электричество и не зависим от сети. Выработка электроэнергии может осуществляться круглый год, в зависимости от атмосферных явлений.

Ветрогенераторы могут использоваться в любых климатических условиях. Они установлены на суше и в прибрежной зоне морей. Их могут устанавливать по одному или в группах, называемых ветряными электростанциями или ветропарками. Типичная мощность распространенных сегодня систем составляет от 2 до 5 МВт для береговых установок и от 3,6 до 6 МВт для морских. Даже небольшие установки в диапазоне мощностей от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт при автономной работе являются экономичными.

Технологические достижения в области энергии ветра очень динамичны.

Новые модели ветрогенераторов:

  • имеют большую мощность и эффективность, благодаря чему могут производить больше энергии при той же скорости ветра;
  • устанавливаются на все более высоких башнях и имеют очень длинные лопасти, что дает возможность эффективно использовать самые слабые ветры;
  • издают меньше акустического шума, генерируют более слабые электромагнитные поля.

Основные элементы ветрогенератора:

  • фундамент - в зависимости от параметров геологической поверхности, как правило, бетонный, в форме круга или восьмиугольника с радиусом примерно 20 м, вкопанный на глубину на 2-3 м или основанный на дополнительных бетонных сваях, вбитых в грунт;
  • башня - обычно коническая стальная конструкция, с круглым поперечным сечением, имеющая диаметр основания примерно 4-6 м (уменьшается к вершине) и общую длину около 80-150 м, состоящая из нескольких соединенных между собой стальных или бетонных сегментов;
  • гондола – со средними размерами около 10 м (длина) х 3 м (высота) х 3 м (ширина), в которой находиться генератор мощности. Гондола расположена на башне, устанавливается в направлении ветра;
  • ротор (крыльчатка) – в типичной установке содержит три лопасти, изготовленные, как правило, из стекловолокна или углерода, а его диаметр может достигать 40-100 м;
  • ступица - центральный элемент ротора, отвечающий за вращение лопастей.

Чаще всего используются трехлопастные ветрогенераторы с горизонтальной осью и ротором на наветренной стороне, чья гондола установлена на башне и поворачивается в зависимости от направления ветра. Ряд других конструкций, в частности, с различным устройством ротора, не пользуются особой популярностью.

История ветрогенераторов

Первая задокументированная ветровая система для выработки электроэнергии была создана в 1887 году шотландцем Джеймсом Блитом для зарядки батарей, освещающих его коттедж. Эта простая, надежная конструкция с вертикальной осью высотой десять метров и четырьмя парусиновыми лопастями в виде кругов, диаметром восемь метров, имела скромный коэффициент полезного действия. Почти одновременно Чарльз Френсис Браш в Кливленде, штат Огайо, разработал почти 20-ти метровую прогрессивную ветровую установку для выработки электроэнергии. Он использовал двухступенчатое передаточное отношение с ременным приводом для генератора на 12 кВт.

Датчанин Пол ла Кур в 1900 году с помощью систематических испытаний пришел к концепции, согласно которой лишь несколько лопастей достаточно для использования энергии потока. Во время Первой мировой войны более 250 устройств, учитывающих этот принцип, были в эксплуатации в Дании. В других странах ветрогенераторы для децентрализованного производства электроэнергии были построены в начале 20-го века. При всеобщей электрификации в межвоенный период, многие из этих устройств исчезли.

После Второй мировой войны, исследованием энергии ветра занимались в нескольких странах. Франция и Великобритания примерно до 1965 года инвестировали значительные средства в исследования ветровой энергии. На протяжении 1950-1960-х годов было разработано около 50 моделей ветрогенераторов с одной лопастью и улучшенной геометрией профиля. Ветрогенераторы с более чем двумя лопастями считались малоэффективными. Однако, учитывая низкие цены на энергоносители, за исключением нескольких прототипов, большинство разработанных моделей так и не построили.

Возрождение использования энергии ветра произошло, начиная с 1970-х годов в результате экологических и энергетических дискуссий и двух нефтяных кризисов. В 1970-е и 1980-е годы были испытаны несколько различных конструкций ветрогенераторов, в том числе модели с горизонтальной осью. В некоторых странах (в частности Германии и США) ставку делали на сложные промышленные проекты, но они имели серьезные технические проблемы и оказались неудачными. В Дании, в основном, строились многочисленные ветрогенераторы малой мощности, которые первоначально устанавливались мелкими предприятиями и любителями мастерить простые устройства.

В 1980-х годах в США функционировали уже тысячи ветрогенераторов с тремя жесткими лопастями и без частотного преобразователя. Ограничение мощности выполнялось разделением потока. Прообразом этой весьма успешной установки была ветротурбина сконструирована и сдана в эксплуатацию в 1957 году. Она работала до 1966 года, после временного простоя вновь начала функционировать в 1977 году для общей программы испытаний датских ученых и НАСА.

На основе этих маленьких по сегодняшним масштабам устройств происходило дальнейшее развитие технологий в направлении современных больших турбин с переменным числом оборотов и регулируемыми лопастями. С тех пор, Дания - страна с самой высокой долей энергии ветра в выработке электроэнергии.

Использование ветрогенератора

Спецификой ветра или горизонтального перемещения воздуха, возникающего за счет перепада давления, является то, что он дует с разной интенсивностью и с переменным направлением. Это существенно ограничивает использование ветрогенераторов, поскольку на одной территории ветер может дуть очень часто, а на другой - очень редко. Районы, где ветер дует постоянно или часто, являются потенциальными местами для строительства ветрогенераторов. Простейшие ветровые турбины имеют относительно несложную конструкцию и обеспечивают дешевую энергию, поэтому они часто используются в местах, где нет линии электропередачи или возникают проблемы с получением энергии другими способами.

Типичный ветрогенератор, независимо от модели и производителя состоит из четырех основных модулей: ротора, гондолы, башни и фундамента + система управления.

Принцип действия ветрогенератора

Принцип действия ветрогенератора основан на том, что энергия ветра преобразуется в электрический ток. Лопасти устройства приводятся в движение ветром, вызывая вращение ротора, то есть далее передается механическая энергия. Затем, механическая энергия передается на генератор, где преобразуется в электричество. Ветрогенератор подключен непосредственно к электросети, или аккумулятору, куда отдает произведенную энергию. Как правило, для движения лопастей ротора необходима скорость ветра приблизительно 2 м / с (7 км / ч). Самые маленькие устройства могут работать при более низких скоростях ветра. Когда скорость ветра находится в диапазоне от 5 до 100 км / ч, ветрогенератор вырабатывает энергию.

Современные ветрогенераторы имеют встроенные системы безопасности. В теории, они могут работать при огромной скорости ветра, однако существует риск поломки. Поэтому коммерчески доступные ветрогенераторы оснащены механизмом, который прерывает работу при чрезмерной скорости ветра. Когда ветер достигает более 100 км / ч, ротор отключается и автоматически устанавливается в положение, в котором лобовое сопротивление минимальное. Таким образом, ветрогенератор становится устойчивым к скорости ветра до около 150-200 км / час. В нашей стране, по правде говоря, нет таких сильных ветров, как, например, в Шотландии, но средней силы вполне достаточно, чтобы ветрогенераторы выполняли свою задачу и считались выгодными с финансовой точки зрения, а не только охраны окружающей среды. В то же время в Украине редкие ветры ураганной силы, которые мешают использованию небольших ветровых турбин. Ветер не слишком сильно зависит от времени года, нет длительных безветренных периодов. В целом, можно констатировать, что ветрогенератор производит энергию около 90% дней в году. Широко используется принцип установки башен на расстоянии более 500 метров от жилых домов. На самом деле стандарты шума соблюдены уже на расстоянии 250-300 м от установки.

Как и любая электростанция, ветрогенератор занимается выработкой электроэнергии, но не ее хранением. Тем не менее, можно легко выбрать соответствующие аккумуляторы, которые заряжаются во время сильного ветра и позволяют использовать электричество в безветренную погоду. Производители часто изготавливают и аккумуляторы и предлагают потребителям набор ветрогенератор + аккумулятор. Ветрогенератор также может использоваться для зарядки аккумулятора, предназначенного первоначально для другой установки.

Лопасти ветрогенератора расположены под определенным углом, называемым углом атаки. Под воздействием ветра аэродинамическая сила вызывает движение лопастей ветрогенератора вокруг оси. Воздух, который проходит через поле лопастей с определенной скоростью, теоретически может выполнять работу, равную своей кинетической энергии. Вся кинетическая энергия, тем не менее, не используется. Отношение кинетической энергии, используемой ветрогенератором, к полной энергии, называется коэффициентом использования ветра, и в среднем составляет от 0,3 до 0,4, максимальное значение равно 0,6 .

Каждый ветрогенератор предназначен для преобразования энергии ветра в аэродинамический момент, который вызывает вращение вала. Ветер проталкивает лопасти за счет использования аэродинамического сопротивления. Мы легко можем использовать аэродинамическое сопротивление, но, к сожалению, его эффективность невелика, поскольку большая часть энергии ветра уменьшается при прохождении через ротор.

Энергия производится ветрогенератором следующим образом:

  • во время вращения ротора турбины создается крутящий момент;
  • коробка редуктора увеличивает число оборотов, а вал приводит в движение генератор;
  • сгенерированный электрический ток проходит через контроллер и автоматические переключатели;
  • напряжение повышается до промежуточного значения в трансформаторе;
  • система управления передает электрическую энергию в трансформатор;
  • в трансформаторе напряжение подвергается корректировке до величины, используемой в электрических сетях, на которой работает электростанция;
  • кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию, а она, в свою очередь, в полезную электроэнергию, которую можно отправить в пункт назначения.

Рентабельность

Работа ветрогенератора зависит от погодных условий. Он может быть единственным источником электрической энергии, если оснащен подходящим аккумулятором. Несколько безветренных дней подряд могут привести к истощению запасов. Чаще всего ветрогенератор используется в сочетании с другим источником электроэнергии или потребитель обеспечивается доступом к сети. Такая установка также позволяет продавать излишки электроэнергии. Ветрогенератор имеет смысл объединить с другими установками возобновляемых источников энергии, такими как солнечный коллектор или тепловой насос. Использование обеих установок дополнительно влияет на снижение стоимости энергии.

Установка ветрогенератора окупается в течение 9-12 лет. Если не считать экологические издержки, энергия, произведенная силой ветра немного дороже, чем полученная с использованием ядерной энергии и ископаемого топлива. Это связано с высокими затратами на установку ветровой электростанции, однако производство электроэнергии становится практически бесплатным. Из-за технического прогресса, а также ожидаемого роста цен на энергоносители, предусматривается выравнивание цен энергии, получаемой от ветра и ископаемого топлива.

Придомовые ветрогенераторы, устройства малой мощности могут работать около 20 лет без необходимости выполнения ремонта. Примерно через. 20 лет эксплуатации подвижные элементы необходимо заменить. Другие составляющие имеют еще более длительный срок службы. Башни, на которых установлены генераторы, могут эксплуатироваться до 40 лет. Производители, как правило, дают от 5 до 10 лет гарантии, что очень хорошо свидетельствует о доверии, которое они имеют к своим продуктам.

Преимущества ветрогенераторов

Ветрогенераторы широко используются в Соединенных Штатах, Великобритании, Германии, Скандинавии, Японии, Испании и Китае. В нашей стране они в последнее время также набирают популярность.

Основные преимущества ветрогенераторов - защита окружающей среды и возможность энергетической независимости. Эти устройства предназначены для непрерывной работы. Инвестируя в ветрогенераторы, мы способствуем сокращению загрязнений окружающей среды. Одно из главных преимуществ ветрогенераторов является то, что они не влияют на окружающую среду в такой степени, как это делают нефть, уголь и даже дрова. Они не выбрасывают CO2, не сливают сточных вод, не требует постоянной подачи сырья. Однако влияние ветрогенератора на окружающую среду, тем не менее, до сих пор остается под открытым вопросом. Продолжаются исследования о влиянии ветрогенераторов на популяции птиц и микроклимат. Конечно же, ветрогенераторы гораздо безопаснее для живой природы, чем обычные электростанции, но они могут оказаться не столь идеальными, как солнечные батареи.

Мы жалуемся на сильные ветры, а ими нужно пользоваться и зарабатывать деньги. Учитывая погодные условия, ветрогенератор работает 90% дней в году. Установленные ветрогенераторы полностью безопасны. Даже птицы быстро учатся обходить их, как и в случае вновь возведенного здания. Самые маленькие ветрогенераторы устанавливаются в любом месте, где будет сохраняться правильное расстояние от земли, так чтобы вращающиеся лопасти не могли ударить проходящего человека или проезжающее транспортное средство. Ветрогенераторы с номинальной мощностью от 500 Вт до 1 кВт предназначены для установки на крышах, ограждениях и промышленных сооружениях.

Конструкция и подъездная дорога до самого большого ветрогенератора занимает не более 0,2 га. Большинство микро ветрогенераторов требует площадь 10 х 10 м или еще меньше, и обеспечения подъездного пути. Самым маленьким моделям они не нужны вообще, поскольку устройства устанавливаются на крышах или выносных опорах. Обязательным условием для монтажа является необходимость поддержания расстояния между двумя ветрогенераторами, или между устройством и жилым домом.

На расстоянии примерно 200-300 м шум от работы лопастей ротора полностью неслышен, поэтому ближайшие здания по стандартам могут располагаться уже на расстоянии 500 м. Как следствие, они не оказывают никакого влияния на наше здоровье. Небольшие ветровые турбины могут быть легко установлены на зданиях, в результате чего возникает шум не громче, чем подгоняемые ветром листья.

Для здорового человека ветрогенератор, работающий в пределах установленных норм шума, совершенно безвреден. До сих пор исследования, проводимые независимыми центрами, не принесли обратного ответа. Работа ветрогенераторов не приведет к потере здоровья жителей местности. Сейчас во многих странах проводятся исследования возможного влияния ветрогенераторов на людей, страдающих эпилепсией или вестибулярными расстройствами.

Эксплуатация ветрогенератора не требует поставок топлива. Выброс диоксида углерода, а также других вредных веществ, равен нулю. Процесс преобразования кинетической энергии в электрическую энергию, чистый. Установка также не заполнена какой-либо жидкостью или газом, утечка которых может произойти в случае повреждения турбины. На самом деле, ветровые турбины практически химически нейтральные и не влияют на состав воздуха.

Каждая конструкция и каждое проявление человеческой деятельности влияет на экосистему. Некоторые экологи утверждают, что ветрогенераторы вызывают возникновение мертвой зоны, а другие, наоборот, считают, что устройство имеет только положительное влияние на экосистему. Исследования проводятся постоянно. В настоящее время мы можем быть уверены, что:

  • Перелетные птицы (например, гуси, аисты) боятся ветряных электростанций и, следовательно, обходят их. Таким образом, ветрогенератор не вредит им непосредственно. Крупные устройства заставляют птиц выбирать окольные пути во время сезонных перелетов.
  • Хищные птицы не боятся ветрогенераторов. Известны случаи нападений на вращающиеся лопасти, которые закончилась трагически для птиц, свивания гнезд непосредственно на гондолах ветрогенераторов.
  • Летучие мыши, как и домашние животные с очень чувствительным слухом, держатся подальше от ветрогенераторов.
  • Наземным животным ветрогенератор не мешает.

На стадии планирования крупных ветряных электростанций проводятся консультации с орнитологами. Вполне возможно, что в будущем будет введена система безопасности, отключающая устройства во время миграции птиц. Например, в Гибралтаре это сократило число столкновений птиц с роторами на 80%, с едва заметным уменьшением количества выработанной энергии.

Стройные башни ветрогенераторов украшают ландшафт, иногда становятся символами регионов. Самыми красивыми считаются традиционные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения и несколькими лопастями. Все чаще встречаются генераторы с вертикальной осью вращения или футуристические, оснащенные диффузором.

Придомовые ветрогенераторы

Придомовые ветрогенераторы все еще в новинку для многих людей. Тем не менее, ветрогенераторы, которые используют возобновляемые источники энергии, может построить практически каждый и в полной мере насладиться экологически чистой электроэнергией. Убедитесь, кому выгодно наличие приусадебного ветрогенератора на заднем дворе, и где его можно установить.

С каждым годом потребность в большем количестве электроэнергии в мире увеличивается и все больше ее производят. Часть энергии вырабатывается силой ветра. Если вы хотите использовать энергию ветра для потребностей одной семьи, необходимо тщательно рассмотреть вопрос о рентабельности таких инвестиций и технические возможности.

Придомовые ветрогенераторы – для кого они выгодны?

BLZ3000AB 1Любителей собственных приусадебных ветрогенераторов постоянно прибывает, хотя довольно трудно надеяться обрести с их помощью полную энергетическую независимость от сети. Однако когда вы живете вдали от электросети, и подвержены частым перебоям в подаче электроэнергии, то должны подумать о своем собственном генерирующем устройстве. Придомовые ветрогенераторы могут служить в качестве дополнительного источника энергии, что в некоторой степени снижает зависимость от сети местного поставщика электроэнергии. Идеально подходят в качестве источника питания для энергосберегающих домов - очень хорошо изолированных, которые нуждаются в малом количестве электрической энергии. В будущем, интерес к ветрогенераторам может повыситься, поскольку вопрос об использовании энергии в новых зданиях из возобновляемых источников на сегодня является актуальным. Так как, ветряные турбины могут работать практически в любом месте, то идеально подходят для удовлетворения этих потребностей.

Сколько электроэнергии будет производить ветрогенератор?

Из-за очень высоких цен на профессиональные ветрогенераторы, тем, кто мечтает о маломощной приусадебной установке на заднем дворе, можно скорее подумать о самостоятельном строительстве. Полученную энергию лучше использовать для нагрева воды в электрическом нагревателе (бойлере) или для обогрева помещений в дополнение к твердотопливному котлу. Также можно поместить нагреватель в контур центрального отопления, если такой есть у вас в доме. Хорошо подобранный и расположенный в правильном месте ветрогенератор, может производить ежегодно количество электроэнергии соответствующее 10-20% от своей номинальной мощности на протяжении 24 часов 365 дней в году. При таком расчете величины учитываются как безветренные периоды, так и те, когда скорость ветра меньше или больше той, при которой ветрогенератор производит номинальную мощность. Полученный результат, несмотря на то, что приблизительный, безусловно, поможет в более полном представлении о возможностях и реальных ожиданиях.

Количество электроэнергии

С помощью ветрогенератора мощностью 5 кВт, в течение года можно получить:

  • 5 [кВт] х 0,1 х 24 [ч] х 365 [дней] = 4380 [кВт*ч],
  • 5 [кВт] х 0,2 х 24 [ч] х 365 [дней] = 8760 [кВт*ч],

или в среднем от 12 до 24 кВт*ч в сутки. Это примерно столько, сколько нужно для питания электрического бойлера мощностью 2 кВт для нагрева воды соответственно от 6 до 12 часов или освещения среднего частного дома. Данные расчеты следует рассматривать как приблизительные. Детальную оценку количества произведенной электроэнергии можно осуществлять только после учета ветровых ресурсов в той или иной области и свойств выбранного типа ветрогенератора.

Ветрогенератор позволяет хранить электричество

Мощность и количество энергии, вырабатываемой ветрогенератором, изменяется с течением времени, поскольку в значительной степени зависит от скорости ветра. Ветер, необходимый для старта устройства, должен дуть с нужной скоростью, как правило, не менее 4 м / с. Производительность оптимизируется при скорости около 14 м / с. Когда скорость превышает 25 м / с, ветрогенератор должен быть остановлен, поэтому электричество, из возобновляемых источников энергии необходимо сохранять. В большинстве случаев с этой целью используются аккумуляторы. Более эффективным, но менее универсальным решением является использование устройств, вырабатывающих энергию при напряжении 230/400 В и питающих электрические приборы без предварительного накопления энергии в батареях.

Таким образом, могут быть запитаны потребители, которые получают энергию, периодически и в любое время, и могут сами ее аккумулировать, например, различные типы отопительных приборов - плиты, обогреватели, водонагреватели для ванн, кабели или нагревательные маты, уложенные на полу, и так далее. Еще один способ потребления энергии, производимой ветряком - накапливание ее в аккумуляторных батареях и извлечение для питания осветительных устройств, работающих при постоянном низком напряжении, например, низковольтных галогенных или светодиодных ламп.

Полезно знать

В нашей стране существуют зоны различной интенсивности ветров, более или менее благоприятные для установки ветрогенераторов. Они требуют высокой средней скорости ветра на уровне 5,5-7 м / с, то есть класса I и II. Меньшее значение, однако, не исключает возможность установки небольших ветровых турбин.

На большей части территории нашей страны среднегодовая скорость ветра составляет 3,5 м / с, и только на некоторых территориях этот параметр превышает 5 м / с (7 регионов: Карпатский, Причерноморский, Приазовский, Донбасский, Западно-Крымский, Восточно-Крымский и 2 зоны: Харьковская и Полтавская), что является абсолютным минимумом для установки ветрогенератора. Только в регионах, расположенных на возвышенностях, можно говорить о благоприятных условиях с точки зрения расположения ветрогенераторов большой мощности. Придомовые установки, как правило, могут работать при силе ветра 2 м / с, что позволяет их установку по всей территории страны. Специалисты утверждают, что роль ветровой энергии в энергетическом балансе страны и в будущем будет незначительной.

Карта дает лишь общую ориентацию. Для каждой локализации следует проводить отдельный анализ. Энергия ветра изменяется как в течение года, так и в течение дня. Она возрастает в середине дня и в зимние месяцы. Эффективность ветрогенератора во многом зависит от его расположения на местности. Основные значение имеет рельеф (продольные холмы, отдельные холмы и горы, склоны, впадины и перевалы) и препятствия (здания, деревья). Изменчивость ветра зависит от высоты и возрастает с увеличением расстояния от поверхности Земли. Чем выше, тем ветер имеет более постоянный характер (турбулентность, вызванная рельефом местности, становятся меньше). С увеличением высоты относительно уровня моря, также уменьшает плотность воздуха, что означает, соответственно, более низкую силу ветра. Препятствия - здания, ряды и отдельно стоящие деревья на пути перемещения воздушных масс - вызывают резкое падение скорости ветра и увеличивают турбулентность в непосредственной близости. Поэтому, лучшей для использования энергии ветра является область с равномерным рельефом.

Использование энергии ветра

До принятия решения о выборе места для ветровых турбин следует проводить подробное исследование силы ветра в выбранном месте. Исследования и измерения должны длиться не менее одного года, а отдельные измерения должны проводиться в течение этого периода с частотой каждые 10 минут. Исходя из этого, в отношении ветрогенераторов, которые будут установлены, можно достаточно точно определить размер производства энергии.

Энергия ветра зависит от его третьей степени скорости, поэтому, очень важным аспектом является место расположения ветрогенераторов. Самые удобные места там, где распространенность сильных ветров 10-20 м / с является самой высокой. Высокотехнологичные ветрогенераторы работают при скорости ветра от 3 до 30 м / с. Для ветрогенератора мощностью 1 МВт минимальная средняя скорость ветра, гарантирующая рентабельность инвестиций, составляет 5 м / с. Для получения 1 МВт мощности, в дополнение к соответствующей силе ветра, ротор ветрогенератора должен иметь диаметр около 50 метров.

Мощность обычной электростанции достигает даже 1 ГВт. Получение такой же мощности требует работы 1000 ветряных генераторов. Для оптимальной эксплуатации мест с благоприятными условиями для использования ветровой энергии строят ветряные электростанции, состоящие из нескольких ветрогенераторов, расположенных близко друг к другу.

Решения для дома

Небольшие придомовые ветрогенераторы часто используются для зарядки бытовых аккумуляторных батарей в сочетании с энергосистемой. Если вы живете в ветреной местности, ваш дом может оказаться отличным местом для ветрогенератора.

Придомовые ветрогенераторы, как правило, используются в качестве автономных ветроэлектростанций. Их основной задачей является зарядка батарей. Мощность домашних ветрогенераторов обычно находится в пределах от 300 Вт до 5 кВт, но иногда используются установки 10 и 20 кВт. Если в данном месте существуют подходящие условия ветра и другие благоприятные факторы, ветрогенераторы могут быть одними из наиболее экономически эффективных отечественных систем получения энергии из возобновляемых источников, при этом не вызывая выбросов или загрязнений окружающей среды.

Благодаря использованию ветрогенераторов, вы можете:

  • уменьшить суммы счетов за электроэнергию в диапазоне от 50 до 90%;
  • избежать высоких затрат на проведение линии электропередачи в удаленное место;
  • наслаждаться непрерывным наличием энергии во время длительных перебоев в подаче электроэнергии, поставляемой энергетической компанией.

Решения для ферм

Ветрогенераторы от 10 до 100 кВт обладают мощностью и свойствами больших ветровых установок, благодаря чему отлично зарекомендовали себя в сельском хозяйстве.

Использование ветрогенераторов в сельском хозяйстве - это идеальное решение, потому что:

  • энергия ветра - экологически чистая, не вызывает выбросов, и является возобновляемым источником энергии;
  • ферма не зависит от поставок электроэнергии;
  • вложенные инвестиции позволяют экономить деньги.

Фермеры имеют возможность производить собственную энергию из ветра, как это делали их предшественники в 30-х и 40-х годах XX века. Небольшие ветряные генераторы мощностью от 5 до 100 киловатт могут удовлетворить потребности всего фермерского хозяйства или использоваться для определенной цели.

Например, в Соединенных Штатах многие фермеры использует ветряные мельницы для перекачки воды, предназначенной для крупного рогатого скота. Кроме того, их установка может оказаться дешевле, чем подведение линий электропередач, и они более практичны и дешевле, чем агрегаты с дизельными двигателями. Если количество энергии, вырабатываемой генератором, превышает потребность сельского хозяйства в данный момент, избыток энергии направляется в энергетическую систему и может использоваться другими потребителями. В случае если в течение данного периода возникает избыток энергии, энергетическое предприятие выплатит деньги за электроэнергию, введенную пользователем в сеть.

Гибридные системы

HOUSE620 1776421aСистемы, использующие энергию ветра и солнца, благодаря имеющимся технологическим решениям в настоящее время используются все чаще. Два независимых источника энергии объединяются в целях повышения надежности энергоснабжения, снижения расходов, получения дохода или поддержания поставки энергоресурсов за пределы сети. Гибридные системы с легкостью могут интегрироваться с большинством зданий, и часто связаны с системой накопления энергии в комплектах батарей - это решение обеспечивает безопасность в случае энергетического кризиса. Существует естественная обратная корреляция между генерацией солнечной и ветровой энергии, когда солнечной энергии вырабатывается много, ветровой, скорее всего, мало. Наиболее очевидным отличием является генерация энергии днем и ночью. Тем не менее, в долгосрочной перспективе, сезонные изменения также играют важную роль. Короткие дни и высокие средние скорости ветра ограничивают производство солнечной энергии в зимние месяцы, в то время как более длинные дни в летнее время работают ей на пользу.

Эти факторы приобретают больший вес, когда применяются системы хранения энергии. В гибридной системе, энергия, накопленная в комплекте аккумуляторов значительно чаще пополняться от солнечной системы. Это особенно важно в местах с высокими сезонными колебаниями климата.

Еще одним преимуществом гибридных систем является оптимизация участка, предназначенного для установки. В случае солнечных систем область установки увеличивается пропорционально мощности. Например, 4-киловаттная установка требует вдвое большей площади, чем 2-киловаттная. В случае установки ветрогенераторов, необходимая площадь увеличивается незначительно.

Для мест, где пространство ограничено, требования к площади могут определять окончательную форму и конфигурацию установки.

Энергия ветра

Энергия ветра является одним из старейших возобновляемых источников энергии, используемых человеком. Ее история начинается более чем 2500 лет назад, с устройств, орошающих земли сельскохозяйственного назначения, а затем ветряных мельниц и лесопилок, приводимых в действие силой ветра. Современные использование энергии ветра заключается в преобразовании скорости воздушного потока в электрическую энергию с помощью ветрогенераторов с длинными, чаще всего, тремя лопастями.

Общественность иногда неблагоприятно относиться к таким инвестициям, потому, что они изменяют ландшафт, создают неприятный акустический шум и представляют угрозу для птиц (механические повреждения и нарушение птичьей навигации). Поэтому будущее электростанций такого типа является неопределенным. Тем не менее, маленькие одиночные ветрогенераторы могут быть хорошим источником энергии в местах, удаленных от центров цивилизации, где нет подключения к национальной электросети.

Ветроэлектростанция представляет собой совокупность ветрогенераторов, производящих электроэнергию. Электрическая энергия, получаемая от ветра считается экологически чистой, поскольку помимо энергозатрат, связанных со строительством этой электростанции, ее производство не предполагает сжигание любого топлива.

Мировым лидером в потреблении энергии ветра является Германия (около 40% производства в глобальном масштабе).

Оценка энергии ветра производятся в глобальном масштабе на основе результатов измерений и численных моделей. Локально оценка ветра производиться с использованием цифровых моделей, которые принимают во внимание местную топографию.

Тем не менее, в 2003 году летнее тепло на большей части территории Европы привело к тишине ветра, что имело негативные последствия: ветровые электростанции стояли, и если бы не традиционные источники энергии, многие районы остались бы без электричества. Проблема стихания ветра, до сих пор является препятствием для планов по использованию его энергии – например, в Германии насчитывается более 16 тысяч ветрогенераторов, которые могут обеспечивать до 15% спроса на электроэнергию, однако феномен молчания ветра не позволяет поднять этот параметр выше 3%.

Воздействие на климат

Ветровые электростанции могут повлиять на местный климат – большие скопления ветрогенераторов могут стать причиной снижения скорости ветра. Некоторые ученые считают, что очень большое количество энергии, вырабатываемой ветряными электростанциями, влияет на климат в континентальном масштабе, однако влечет минимальное изменение температуры.

Полемика

По мнению противников установки ветрогенераторов, в зависимости от погодных условий, традиционная энергетика все равно вырабатывает электричество для поддержания резерва мощности, чтобы в любой момент заменить или пополнить потери подаваемой энергии ветра. Инерция тепловых электростанций, а также технические условия требуют, чтобы они работали с некоторой силой, несмотря на отсутствие необходимости в выработке энергии. Когда ветер дует, и ветровые установки генерируют электроэнергию, это приводит к сжиганию меньшего количества угля, а, следовательно, более низкому уровню выбросов парниковых газов. В общей сложности, количество ископаемого топлива сожженного для создания системы ветряных электростанций и использования в процессе работы не меньше, чем при строительстве и эксплуатации современной электростанции.

Одним из аргументов в пользу строительства ветряных электростанций в мире стала проблема необходимости сокращения выбросов углекислого газа в атмосферу. Однако последние отчеты Гринписа показывают, что развитие ветровой энергии, на данный момент, является одним из самых дорогих способов, и вовсе не самым эффективным для решения этой проблемы. Гораздо дешевле сократить выбросы углекислого газа, заменив часть угольных электростанций атомными. Таким образом, приходиться выбирать между более дорогой в производстве электроэнергией из возобновляемых источников и ее низких экологических издержках, или более дешевой электроэнергией из угля, обремененной значительными экологическими загрязнениями, или ядерной энергетикой, имеющей нулевой уровень выбросов парниковых газов и токсичных соединений, но не решенной до конца проблемой хранения отходов, и угрозой выброса радиации в результате повреждения реактора.

Проблема также заключается в том, что, согласно некоторым исследованиям, ветрогенераторы представляют собой серьезную угрозу для птиц. На эту проблему также обращают внимание мировые экологи, в частности из Шотландии и США. Было установлено, что шотландские ветряные электростанции способствуют исчезновению находящихся под угрозой исчезновения видов птиц (в том числе соколов и орлов). В США неправительственная организация Центр биологического разнообразия подсчитала, что установки только одна местной ветряной электростанции ежегодно убивают до 1,3 тысяч летающих хищных птиц. Другие исследования (в том числе датские, немецкие и голландские), однако, показывают, что птицы способны полностью адаптироваться к отдельным ветрогенераторам, а также мощным ветряным электростанциям. Если на пути миграции птиц, появляются новые ветроэлектростанции (или другие предметы, которые могут представлять потенциальную угрозу), птицы обходят их по широкой дуге, исключая возможность столкновения или значительно снижая вероятность его возникновения. Также известны случаи, что птицы некоторых видов создавали гнездо на гондолах ветрогенераторов, которые является убедительным доказательством того, что не происходит столкновения этого вида с лопастями ротора ветряной турбины.

Кроме того, ветряные электростанции делают местность не привлекательной для зеленого туризма. На самом деле, занятые ветрогенераторами территории используются только для сельского хозяйства или промышленности. В зонах, которые охраняются законом (заказники, заповедники, ландшафтные парки) установка ветрогенераторов запрещена.

Ветрогенераторы также издают шум. Шум в настоящее время считается загрязнением, поэтому ветряные электростанции не позволяют застройку местности в непосредственной близости.

Помимо типичного шума (в слышимом диапазоне), некоторые компоненты конструкции, особенно лопасти (но только более старые модели) часто порождают инфразвук, то есть звуковые волны в диапазоне с частотой ниже уровня восприятия человеческим ухом. В начальный период развития ветрогенераторов это было действительно обременительным для соседства. Тем не менее, ужесточение требований к оборудованию и быстрое развитие в этой области привели к получению конструкций, почти не излучающих инфразвук.

Было также отмечено, что людей, живущих вблизи ветряных электростанций очень раздражают предупредительные огни в ночное время и солнечные блики, отражающиеся днем от лопастей генераторов (так называемый "эффект диско"). Именно поэтому современные ветрогенераторы изготавливают из непрозрачных материалов, минимизирующих отражение солнечного света.

Проблемы использования энергии ветра еще более усугубляются политикой энергетических компаний-потребителей. Они стремятся обеспечить постоянные объемы поставок. Развитию ветровой энергии в стране не способствует и законодательство.

В одном из докладов Гринпис представлены расчеты, которые показывают, что к 2020 году ветряные электростанции будут производить около 12% от общего объема электроэнергии.

Устройство ветрогенератора

Основной элемент ветрогенератора - ротор, преобразующий энергию ветра в механическую энергию, с которой, в свою очередь, генератор вырабатывает электроэнергию. Установленный на низкоскоростной вал, ротор, как правило, имеет три лопасти, изготовленные из армированного полиэфирного стекловолокна. Большинство роторов вращается со скоростью от 15 до 30 оборотов в минуту. Эта скорость впоследствии увеличивается через редуктор до 1500 оборотов в минуту. Трансмиссия соединена с высокоскоростным валом, а тот, в свою очередь, с генератором.

Генератор, трансмиссия, а также анемометр, системы смазки, охлаждения и тормоз расположены в гондоле, установленной вместе с ротором на стальной башне высотой от 30 до 100 м. На вершине башни находится двигатель и зубчатая передача, задача которых заключается во вращении ротора и гондолы в направлении ветра. Устройство ветрогенераторов малой мощности намного проще. Например, у них нет механизмов настройки лопастей, а их конструкция позволяет отключить установку через вертикальное положение ротора.

Ветрогенераторы оснащены системой управления, которая позволяет избежать механических повреждений установки, и позволяет максимально эффективно использовать ее потенциал. Например, ветрогенераторы на ферме Кроквелл в австралийской провинции Новый Южный Уэльс (кстати, это была первая австралийская ветряная электростанция, подключенная к сети) отключаются, когда скорость ветра превышает 72 км / ч. Компьютерная система управления, используя данные о скорости и направлении ветра, всегда обеспечивает их ориентацию в правильном направлении.

Аэродинамика ротора

Современные ветрогенераторы используют передовые технологии известные с авиационной промышленности, потому что они должны работать в очень разных условиях, на разных скоростях и направлениях ветра.

Формы крыла самолета приводят к тому, что воздух, скользя вдоль верхней поверхности, движется быстрее, чем вдоль нижней. Это означает, что давление на верхней поверхности меньше, чем на нижней. В результате возникает подъемная сила, которая действует на крыло и держит самолет в воздухе. Она перпендикулярна направлению ветра. Та же сила, которая держит самолет в воздухе, вынуждает ротор ветровой турбины вращаться на ветру.

Рассмотрим теперь ситуацию, когда крыло наклоняется назад. Если оказывается, что скорость воздушного потока на верхней части крыла увеличивается, то возрастает и подъемная сила. Тем не менее, после превышения угла атаки (угол между продольной осью крыла и направлением воздушного потока), называемого критическим, происходит отрыв воздуха на верхней части крыла, что приводит к потере аэродинамической подъемной силы. Такое явление называется «срыв». Это может быть вызвано не достаточно однородной и гладкой поверхностью крыла самолета или лопасти ротора ветровой турбины. Выемки в крыле или лопасти несущего винта, либо куска чувствительного к давлению адгезива может быть достаточно, чтобы вызвать турбулентность в задней части крыла, даже если угол атаки относительно мал.

Результирующие направление потока воздуха через лопасти отличается от направления ветра в поле, за исключением того, когда ротор находится в неподвижном состоянии. Это происходит потому, что сами лопасти двигаются. Большинство ветрогенераторов работают на постоянной скорости. Типичная скорость кончика лопасти составляет 64 м / с, в то время как скорость в центре ступицы равна нулю. На одной четверти длины лопасти скорость составит около 16 м / с. Если лопасть ротора принять за точку отсчета то, идя по ней от центра до вершины, мы видим, что ветер будет течь над крылом с увеличением угла. Таким образом, лопасти должны быть закручены, чтобы поддерживать оптимальные углы атаки по всей длине.

Генераторы

Генератор ветроэлектростанции предназначен для преобразования механической энергии в электрическую. Его конструкция несколько отличается от типичных генераторов. Одной из причин является то, что источник энергии (ротор ветровой турбины) обеспечивает изменяющийся, в зависимости от ветровых условий, крутящий момент.

Ветрогенераторы используют энергию ветра в диапазоне скоростей от 4 до 25 м / с. При скорости менее 4 м / с силы ветра недостаточно, а выше 25 м / с по соображениям безопасности электростанция останавливается.

Генераторы для ветроэнергетических установок должны отвечать следующим требованиям и рекомендациям:

  • конструкция генератора должна обеспечивать длительную эксплуатацию без замены и технического обслуживания частей,
  • для более эффективного использования энергии ветра более выгодным является вариант генератора, работающего с переменной скоростью вращения,
  • коэффициент мощности должен быть близок к единице (во избежание загрузки реактивной мощности генератора),
  • следует свести к минимуму доли гармонического тока, подаваемого в сеть,
  • необходимо придерживаться параметров сети.

В крупных установках (мощностью более 100-150 кВт), используются трехфазные генераторы переменного тока, как правило, с напряжением 690 В. Энергия передается к трансформатору рядом с турбиной (или в башне), который повышает напряжение до значения, необходимого в сети.

В большинстве современных ветряных электростанциях используются асинхронные генераторы с постоянной частотой вращения. Преимуществом электростанций этого типа является легкость подключения к энергетической сети, в то время как недостаток - необходимость применения передачи с высокой степенью передаточного числа – наибольшую полезную мощность асинхронные генераторы вырабатывают на скорости, намного превышающей скорость ротора. Еще один минус таких решений - снижение общей эффективности электростанции, вызванное постоянной скоростью вращения ротора, не зависящей от скорости ветра, а также тот факт, что зубчатые колеса с высокой степенью передаточного числа являются наиболее аварийными и шумными частями ветрогенератора.

Коробка передач не требуется при использовании генераторов с переменной скоростью вращения, которые обеспечивают полезную мощность на низких оборотах и могут подключаться непосредственно к ротору. Благодаря малым рабочим скоростям, этот тип конструкции более простой, механизмы не изнашиваются так быстро, и не производят так много шума. Переменные обороты одновременно повышают КПД электростанции и ее энергоэффективность. Слабой стороной таких решений, однако, является необходимость применения преобразователей напряжения и частоты, без которых подключение электростанции к сети было бы невозможным. Ибо параметры электроэнергии, вырабатываемой генераторами с переменной скоростью вращения, отличаются от параметров энергетической сети.

Башни

1 Screen Shot 2014-02-18 at 10.16.48 2В связи с тем, что скорость ветра возрастает с высотой, ветрогенераторы устанавливают на опорах. Как правило, чем выше башня, тем больше энергии может произвести данный ветрогенератор.

Относительно небольшие инвестиции в башню большей высоты могут гарантировать высокий уровень доходности с точки зрения производства энергии. Например, размещение генератора с мощностью 10 кВт на башне высотой 30 м вместо 18 м увеличивает на 10 процентов стоимость всей системы, но в результате, может привести к увеличению количества производимой на энергии на 25%.

Существуют четыре основных типа башен для ветрогенераторов, предназначенных для бытовых и сельскохозяйственных нужд: вантовые, вантовые решетчатые, решетчатые и самонесущие.

Вантовая башня: в основном этот тип башен является самым дешевым. Такого рода башни чаще всего устанавливают с помощью стрелы и лебедки. Вантовые башни, как правило, поддерживаются 4 тросами. Работы по техническому обслуживанию турбины осуществляется путем наклона башни. Высота башни ограничивается массой ветрогенератора. Как правило, вес самого большого ветрогенератора, который можно установить на такой башне, составляет около 10 кВт. Вантовые башни требуют большего пространства из-за необходимости монтировать тросы и подъема либо наклона конструкции. Информацию о рекомендуемом типе башни для конкретной модели ветрогенератора можно получить у его изготовителя.

Вантовая решетчатая башня, как правило, дороже, чем вантовая. Их конструкция, однако, позволяет монтаж более крупных ветрогенераторов на больших высотах. Башни этого типа обычно устанавливают с помощью стрелы и лебедки. Преимуществом использования вантовой решетчатой башни с оттяжками является то, что ее можно наклонить или относительно легко подняться на нее для проведения периодического технического обслуживания (подъем - с помощью соответствующих мер безопасности и оборудования обученным персоналом - гораздо безопаснее, чем наклон башни каждый раз, когда это необходимо для выполнения работ по техническому обслуживанию). Вантовые решетчатые опоры требуют большого пространства из-за возможности их подъема и наклона и необходимости натягивания тросов. Как упоминалось ранее, информацию о рекомендуемом типе башни для конкретной модели ветрогенератора можно получить у его изготовителя.

Решетчатые башни, как правило, требуются для ветрогенераторов с мощностью более 20 кВт. Стоимость установки башни такого рода выше, чем стоимость монтажа вантовой решетчатой башни. Это связано с необходимостью использования крана для подъема башни и ветрогенератора с целью размещения их в нужном месте. Чтобы провести работы по техническому обслуживанию, необходимо подняться на башню. Если необходимо выполнение комплекса работ, может понадобиться использование крана для снятия ветрогенератора с башни.

В целом, считается, что самонесущие башни являются наиболее эстетичными, но, как правило, они также самые дорогие. Следовательно, чаще всего они используются только в случае ветрогенераторов мощностью 10 кВт и более. Все ветрогенераторы, используемые в коммерческих целях поставщиками электроэнергии, устанавливаются на самонесущих башнях. Информацию о рекомендуемом типе башни для конкретной модели ветрогенератора можно получить у его изготовителя.

Лопасти

Проектирование лопастей является очень сложной задачей. Они должны обладать следующими характеристиками:

  • соответствующая жесткость (чтобы при более сильных порывах ветра не произошло столкновение с башней);
  • минимальный вес;
  • долговечность (они должна выдержать весь жизненный цикл ветрогенератора, то есть, по крайней мере, 20 лет);
  • низкий уровень шума (решающее значение имеет форма кончика аэродинамического профиля, поскольку он движется быстрее);
  • устойчивость к грязи и льду (лопасти проектируются, чтобы выдержать возможную дополнительную нагрузку в результате этих факторов или добавляется противообледенительное оборудование);
  • форма, обеспечивающая необходимые аэродинамические свойства,
  • устойчивость к молнии.

Большинство современных лопастей ветрогенераторов изготовлены из усиленного стекловолокном полиэстера или эпоксидной смолы. В качестве армирующего материала также используется углеродное волокно или кевлар, но это решение очень дорогое, особенно для больших лопастей. Существуют также варианты, связанные с применением древесины, армированной эпоксидной смолой или другими пластмассами, но они не приобрели большую популярность. В очень маленьких ветрогенераторах иногда используются лопасти из стали и алюминия. Однако они очень тяжелые и подвержены износу материала.

Ветрогенераторы из-за своей высоты являются естественной мишенью для разрядов молнии. Особенно уязвимы к таким событиям кончики лопастей. Как правило, лопасти очень тонкие и чувствительные к повреждениям элементы, и при отсутствии защиты от молнии, каждый разряд будет означать их уничтожение. Таким образом, в каждом крупном ветрогенераторе требуется использование защитных элементов.

На наиболее подверженных ударам кончиках лопастей монтируются специальные рецепторы, изготовленные из нержавеющей стали, которые принимают на себя разряд молнии. Ток отводиться через медный провод к ступице, а затем к земле. Установка может отводить ток до 200 000 ампер. Важным элементом установки является карта регистрации параметров разряда, которая используется производителем для исследовательских целей. Размеры лопастей современных ветрогенераторов достигают нескольких десятков метров. Это означает серьезные трудности в организации их транспортировки к месту монтажа. Из- за технологии производства, лопасти невозможно разделить на части, их приходиться транспортировать в полном объеме. Задача возлагается на специализированные компании располагающие соответствующими длинномерными прицепами.

Регулировка мощности

Переход от изменчивости ветра к мощности определяется кривой электрической мощности в зависимости от скорости ветра. Ход кривой зависит от конструкции турбины (в частности, лопастей ротора) и ее системы управления. Характеристиками этой кривой являются:

  • точка отсчета - стартовая скорость ветра, при которой лопасти начинают вращаться и возникает механический импульс. В зависимости от конструкции турбины точка отсчета составляет от 3 м / с до 5 м / с;
  • точка отключения - скорость, при которой турбина останавливается из-за угрозы механического повреждения. Значение точки отключения находиться в диапазоне от 23 до 27 м / с;
  • точка номинальной скорости - скорость ветра, при которой турбина достигает своей номинальной мощности. Это, как правило, скорость от 11 до 16 м / с.

Ветрогенераторы предназначены для производства дешевой электроэнергии. Как правило, они разработаны таким образом, чтобы достигать максимальной мощности при скорости ветра 15 м / с. Не стоит изготавливать ветрогенераторы, которые будут достигать максимальной мощности при более сильном ветре, так как он встречается крайне редко. Как это ни парадоксально, более высокие скорости ветра для нормальной мощности неблагоприятны. Тогда необходимо сводить к нулю избыток энергии ветра, чтобы защитить установку от повреждений. Поэтому каждый ветрогенератор должен иметь какой-то контроль мощности.

Регулировка угла атаки лопастей (шаг под контролем). В ветрогенераторах с регулировкой типа "шаг", электронный контроллер проверяет выходную мощность установки несколько раз в секунду. Когда она становится слишком высокой, то он посылает сигнал на механизм регулировки угла лопасти, который немедленно корректирует угол, чтобы уменьшить вращающий момент ротора. Когда ветер ослабевает, имеет место ситуация с точностью до наоборот. Следовательно, у лопастей должна быть возможность вращаться вокруг своей оси (регулировка угла атаки). Системы регулирования типа "шаг" требуют чрезвычайно высокоразвитой технологии для гарантии, что угол атаки лопастей точно приспособлен к условиям ветра. Контроллер будет поворачивать лопасть на несколько градусов каждый раз при изменении скорости ветра, чтобы поддерживать постоянную выходную мощность. Механизм регулировки угла атаки, как правило, осуществляется с помощью гидравлических цилиндров, расположенных в ступице ротора.

Пассивная регулировка. При пассивной регулировке лопасти крепятся к ступице под фиксированным углом. Геометрия профиля лопасти настолько усовершенствована аэродинамически, что в момент, когда ветер становится слишком сильным, обеспечивает возникновение турбулентности, которая ограничивает крутящий момент ротора. Лопасти сконструированы таким образом, что состояние срыва прогрессирует от оси вращения аэродинамического профиля. Чем выше скорость ветра, тем большая часть лопасти участвует в пробуксовке. При более внимательном рассмотрении лопасти ротора, приспособленной к этому типу регулирования, можно увидеть, что она характерно закручена. Это делается, в числе прочего, для того, чтобы ротор буксировал постепенно и не реагировал бурно на сильные порывы ветра. Наиболее очевидным преимуществом этого метода является отсутствие сложного механизма регулирования угла лопастей и всей системы управления, связанной с ним. С другой стороны, эта регулировка связана с проектированием невероятно сложной аэродинамической конструкции. Большой проблемой также является структура всего ветрогенератора, который должен выдержать колебания, связанные с турбулентностью. Примерно две трети турбин в мире используют этот метод регуляции.

Активная регулировка. С технической точки зрения она напоминает регулирование с помощью изменения угла наклона лопастей. Различие заключается в том, что, когда генератор подвергается перегрузке, то механизм переключает лопасти в противоположном направлении, чем при регуляции "шаг". Другими словами, увеличивается угол атаки лопасти, чтобы убрать излишки энергии ветра, который может повредить турбину. Преимуществом активной регулировки является возможность более точно контролировать выходную мощность, чем при пассивной регулировке, чтобы не допустить превышения номинальной мощности генератора при экстренных порывах ветра. Еще одно преимущество - способность работать с мощностью очень близкой к номинальной при высоких скоростях ветра. При пассивной регулировке происходит падение произведенной мощности, поскольку увеличивается сопротивление лопастей.

Регулирование путем изменения направления. Эта корректировка заключается в повороте гондолы и, следовательно, оси вращения ротора относительно направления потока мощности ветра. Она может быть реализована активно или пассивно. Пассивное регулирование обеспечивается за счет размещения на гондоле направляющего треугольника. Это обеспечивает установку ротора против направления ветра. Такое решение используется только в небольших устройствах, работающих для небольших потребителей. В больших установках, мощностью от нескольких десятков киловатт до нескольких мегаватт, требуется использование активного регулирования направления. В верхней части башни есть зубчатое кольцо, которое соединено с зубчатым колесом, установленным по направлению вращения вала двигателя. Поворот двигателя приводит к установке турбины в правильном направлении. Поскольку мощность зависит от профиля поверхности ротора, смещение механизма от главного направления ветра уменьшает его полезный контур и ограничивает излишки энергии.

Когда ветрогенератор не работает, система управления также отключается. Механизм регулировки осуществляется электронным контроллером, который несколько раз в секунду сверяет показания с флюгером и, в случае необходимости, корректирует настройку направления.

Регулировка путем изменения нагрузки. Этот метод основан на изменении сопротивления, оказывающего нагрузку на генератор. Таким образом, механические характеристики силовой установки замещаются другими, более выгодными для актуальных условий (скорости и направления ветра). Изменение сопротивления должно происходить мягко, слишком резкое увеличение крутящего момента нагрузки может привести к повреждению турбины, вала, подшипников и т.д.

Регулировка элеронов лопастей ротора. Это редкий метод регулирования, который использовался в начале развитии ветроэнергетики. Он заключается в изменении аэродинамических характеристик лопастей с помощью, так называемых элеронов. Такое регулирование, однако, широко используется в авиации во время взлета и посадки самолетов.

Регулирование изменением скольжения. Некоторые генераторы имеют возможность регулирования скорости путем изменения скольжения. Возможность регулировать скорость турбины таким способом является особенно полезной в электростанциях с управлением мощностью путем изменения угла атаки лопастей. В больших датских электростанциях (600 кВт и более) используют следующие стратегии: когда генератор выдает мощность, близкую к номинальной, скольжению устанавливается на половину своего максимального значения. Когда ветер усиливается, электронный контроллер посылает сигнал для увеличения скольжения, что позволит немного ускорить ротор, давая время для исправления угла атаки лопастей, после чего скольжение снова уменьшается. При ослабевании ветра происходит обратная ситуация. Преимуществом этой стратегии является улучшение качества получаемой энергии.

Коробка передач

Мощность передается от ротора к генератору с помощью основного низкоскоростного вала, коробки передач и высокоскоростного вала. Избегание этого уклада при традиционном двух, четырех или шестилопастном генераторе не является рабочим вариантом, потому что скорость вращения ротора тогда должна составлять 1000 - 3000 об/мин (в среднем значение этой скорости 22 об/мин). При роторе диаметром 43 метра, его окончание двигалось бы в два раза быстрее от звука. Можно обойти эту проблему, строя тихоходный многополюсный генератор. Для того, чтобы получить разумную скорость ротора 30 об/мин, такая машина должна иметь 100 пар полюсов (при сети 50 Гц). Это повлекло бы то за собой рост массы ротора, а, следовательно, и увеличение крутящего момента, необходимого для приведения его в движение, не говоря уже о крупных расходах. Поэтому очень практическим решением, известным из транспортной промышленности, есть применение коробки передач. Имея коробку передач, мы можем выбрать между низкой оборотной скоростью и высоким приводным моментом, получаемым от ротора, и высокой оборотной скоростью и низким приводным моментом. Коробка передач в турбине работает с одним постоянным передаточным отношением. Например, для ветрогенератора мощностью 600 кВт это, как правило, 1: 50.

Коробки передач усложняют строительство ветрогенератора, увеличивают его вес, затрудняют работы по техническому обслуживанию и ремонту. Поэтому, особенно в турбинах большой мощности, приобрела популярность концепция тихоходного синхронного генератора.

Дополнительное оборудование

То, какие дополнительные устройства будут необходимы в случае установки ветровой турбины, зависит от конкретного применения. Например, ветряная мельница для системы откачки воды будет отличаться от оборудования, генерирующего электроэнергию. Аналогичным образом, необходимы другие устройства, в зависимости от того, система подключена к сетке, независимая или гибридная.

Большинство производителей предлагают комплексы, включающие все элементы, участвующие в конкретном применении. В случае бытовой ветровой электростанции, подключенной к сети, в состав дополнительных устройств могут входить следующие элементы:

  • драйвер;
  • аккумуляторные батареи;
  • инвертор;
  • электропроводка;
  • электрический выключатель;
  • система заземления;
  • фундамент башни.

Типы ветрогенераторов

Хотя принцип действия всех ветрогенераторов идентичен, они могут очень отличаться друг от друга формой ротора. Использование знаний аэродинамики, разработанных для нужд авиации, позволило разработать несколько оптимальных моделей.

Ветрогенераторы с диффузором

Имеющиеся на рынке всего несколько лет ветрогенераторы с диффузором по форме напоминают трубу, внутри которой расположен ротор с горизонтальной осью вращения. Эти устройства, несмотря на футуристический вид и более высокие цены, являются очень эффективными. Благодаря своей структуре, они занимают гораздо меньше места, чем другие типы ветрогенераторов. Кроме того, такие ветрогенераторы безопасны для птиц (птица должна залететь непосредственно в трубу, чтобы получить удар лопастью ротора).

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Vertical Axis Wind Turbine Generator 500wВетрогенераторы с вертикальной осью вращения, хоть и появились на рынке позже, но они столь же эффективны, как и модели с горизонтальной осью вращения. В их случае лопасти ротора крутятся горизонтально, напоминая карусель. Этот тип ветрогенератора нуждаются в более низкой башне. На практике они занимают меньше места.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения используются в основном в небольших и приусадебных электростанциях. Это связано с тем, что они хорошо зарекомендовали себя при неровных порывах ветра. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения приводятся в действие ветром, дующим с любого направления (диапазон 360 градусов), некоторые модели питаются от ветра, дующего сверху вниз. Считается, что ветрогенераторы с вертикальной осью из-за универсальности вращения идеально подходят для использования там, где ветровые условия являются переменными, или там, где существующие правила не позволяют установить турбину на высоте, на которой ветер дует с постоянной скоростью.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения менее популярны в основном из-за привычки пользователей. Просто они выглядят не так величественно, как традиционные ветряные мельницы.

Примеры:

  • турбина (ротор Дарье), изобретенная во Франции в 20-х годах прошлого века;
  • изобретенная в Финляндии турбина (ротор) Савониуса, вид сверху которой напоминает букву "S".

Ветрогенератор с вертикальной осью вращения не должен использоваться в районах со слабым ветром, поскольку он не может достигать скорости большей, чем скорость дующего в данный момент ветра. Менее эффективный, чем генератор с горизонтальной осью вращения.

Турбина Савониуса не подходит для производства электроэнергии, она может функционировать в качестве ветряной мельницы для помола зерна, перекачки воды и многих других задач.

Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения

Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения, появились раньше других моделей и были построены по образцу ветряных мельниц, которые использовались в прошлые века для приведения в движение мельничные колес. Ось вращения лопастей расположена по горизонтали, а они сами поднимаются вверх и падают вниз. Такие ветрогенераторы требуют относительно высокой башни.

Ротор обычно имеет три лопасти, хотя существуют конструкции, в которых их меньше - две или даже одна - или больше – пример - многолопастевые американские ветряные мельницы, что используются для питания водяных насосов. Для достижения максимальной эффективности турбины с горизонтальной осью вращения должны ориентироваться точно по направлению ветра, хотя положение ротора относительно сильного ветра может быть разным. Среди ветрогенераторов с горизонтальной осью выделяются:

  • устройство, в котором ротор расположен впереди мачты;
  • устройство с ротором, установленным позади мачты.

Последнее решение не очень популярно из-за потерь, вызванных частичным трением ротора о мачту.

Конструкции с горизонтальной осью вращения широко распространенные в частных и промышленных ветровых электростанциях. Преимуществом здесь является способность генерировать больше электроэнергии при постоянном ветре, простота конструкции и, до некоторой степени, привычки пользователей.

Недостаток ветрогенератора с горизонтальной осью вращения, заключается в том, что его общая масса не очень хорошо подходит к стремительным порывам ветра.

Таким образом, если цель заключается в производстве большего количества электроэнергии, следует выбирать ветрогенератор с горизонтальной осью вращения.

Необычные дизайнерские решения

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения никогда не имели коммерческого успеха. В широком масштабе они изготавливались с ротором Дарье (от французского инженера Жоржа Дарье который запатентовал эту конструкцию в 1931 году), но американская компания FloWind, которая производила этот тип электростанций обанкротилась в 1997 году. У роторов Дарье обычно две или три лопасти, изогнутые в форме буквы "S".

Они имеют несколько неоспоримых преимуществ:

  • генератор и редуктор можно разместить на земле, что значительно упрощает обслуживание,
  • нет необходимости в башне,
  • нет потребности в механизме отклонения ротора.

Но они не лишены недостатков:

  • ветер над землей гораздо слабее, что снижает эффективность установки,
  • ротор Дарье требует предварительного разгона, поскольку он не имеет полезного пускового момента,
  • замена основных подшипников требует демонтажа всего ветрогенератора.

Роторы можно также разделить с точки зрения их установки относительно ветра по отношению к положению башни. Речь идет о том ротор находится перед, или за башней (по отношению к дующему ветру). В большинстве ветрогенераторов он установлен перед башней. Это позволяет избежать невыгодного аэродинамического эффекта, образованного башней и гондолой. Однако требует механизма отклонения ротора. Кроме того лопасти должны быть изготовлены из твердого материала и расположены на расстоянии от башни, чтобы избежать столкновения с ней.

Ветрогенераторы с ротором, установленным за башней по отношению к дующему ветру. При соответствующей форме гондолы обеспечивают автоматическое фокусирование ротора. Благодаря этому можно избежать применения механизма отклонения ротора. Для изготовления лопастей ротора используется менее жесткий материал, благодаря чему при более сильных ветрах они перенимают часть нагрузки от башни. Однако конструкция несет в себе серьезную проблему. Для передачи мощности от генератора вниз используется кабель, который может перекрутиться. Вернуть его на место без механизма наклона ротора невозможно. В данном случае необходимо использовать решения в виде контактных колец. Тем не менее, при более высокой мощности (и, следовательно, более высоком токе) это очень неудобно. Кроме того, ротор подвергается дополнительному напряжению при прохождении лопастей через область, защищенную от ветра башней, что приводит к более быстрому износу.

Турбина с диффузором. В соответствии с законом Бернулли о поведении среды (например, газа) в трубе с изменяющимся диаметром, также меняется скорость потока газа. Таким образом, если обычный ротор поместить в трубу он будет вращаться быстрее. Благодаря этому производиться больше энергии.

В 70-х годах изучались роторы этого типа, и было обнаружено, что наличие зазоров в диффузоре повышает кпд. Сужение на входе увеличивает скорость потока, а зазор в диффузоре, который расположен позади рабочего колеса приводит к возникновению зоны пониженного давления, что приводит к дальнейшему увеличению скорости потока воздуха через рабочее колесо.

Как правило, применение диффузора повышает эффективность использования энергии воздушного потока более чем в 3 раза по отношению к лучшим решениям без диффузора. Быстрые обороты лопастей позволяют использовать меньшее соотношение между ним и генератором, а малый размер увеличивает жесткость конструкции. Корпус повышает аэродинамические характеристики и, в случае поломки ротора слишком сильным ветром, защитит окружающую среду от угрозы.

Турбины с диффузором могут работать при скорости ветра меньше 4 м / с. Так что практически по всей территории нашей страны возможна установка ветровых турбин с диффузором. Одновременно экономически эффективным является использование турбин с меньшим диаметром для монтажа на низких башнях, которые могут значительно снизить затраты на установку.

dyfuzorowa-turbina-wiatrowa-phu-lightcontrolВетрогенераторы этого типа работают на 3200 часов в год дольше, чем обычные. Годовой объем производства энергии ветрогенератором с диффузором при мощности 660 кВт составляет 4,3 ГВт*ч, что на 3 ГВт*ч выше, чем годовой объем производства энергии традиционной установкой (1,3 ГВт в год). Это обеспечивает эффективную работу ветрогенераторов даже при не очень благоприятных условиях ветра.

Недостатки - ветрогенераторы с диффузором, к сожалению, дорогие. Стоимость одной такой электростанции позволяет приобрести 4-5 стандартных установок, что дает в общей сложности ту же мощность. Тем не менее, идея ветрогенератора с диффузором, кажется, отличной, когда дело доходит до установок малого диаметра. Обратите внимание, что диффузор значительно повышает стоимость устройства и увеличивает инерцию в системе - турбина будет с задержкой реагировать на изменения направления ветра. Однако высокий коэффициент полезного действия этого решения позволяет уменьшить габариты ротора. Если вы хотите использовать для работы в замкнутой системе (например, для отопления дома) турбину с диффузором мощностью около 10 кВт, вместо ротора с диаметром 7 м, можно выбрать ротор диаметром около 2,5 м.

Ветрогенераторы с одной и двумя лопастями. Во всем мире наибольшую популярность приобрела концепция трехлопастного ротора, но довольно часто встречаются установки с двумя лопастями. Это решение дает уменьшение стоимости проекта и уменьшение веса ротора. Тем не менее, для получения выходной мощности, сравнимой с трехлопастной установкой, требуется большая скорость вращения, что в сочетании с уровнем шума и менее гармоничным внешним видом, негативно влияет на популярность этого варианта. Кроме того, ступица такого ротора должна иметь возможность наклона для ослабления перегрузки из-за прохождения лопастей через область за башней.

Существуют также однолопастные роторы, однако, они очень редки. К ним относятся с тем же сомнением, что и к двулопастным, к тому же они требуют еще большей скорости и работают еще громче. Единственное преимущество – низкие затраты.

Мультилопастные ветрогенераторы. Очень популярны в малонаселенных районах США или Австралии. Они практически не применяются в профессиональной сфере энергетики, но в качестве дополнительного источника электроэнергии для дома или механических потребностей (привод водяных насосов) подходят идеально. Их главное преимущество: запуск при очень слабом ветре, высокий крутящий момент, простота конструкции (панели не имеют специальных аэродинамических поверхностей) и низкая цена по сравнению с двух или трех лопастными установками.

Многолопастный ветрогенератор мощностью 5 кВт имеет диаметр ротора 5,5 м. Следует иметь в виду, что ротор многолопастного ветрогенератора начинает производство энергии уже при ветре 2,1 м / с, в то время как трехлопастные роторы начинают работать при ветре в пределах 3-4 м / с.

Установка ветрогенератора в ветер осуществляется задней лопастью, изготовленной их уголков и листовой стали. Для регулирования скорости вращения ветрогенератора обычно используется отклонение ротора от направления ветра при помощи бокового руля.

Системы, подключенные к электросети, и автономные

Небольшие ветрогенераторы могут подключаться к сети, или работать автономно.

Малые ветрогенераторы, подключенные к распределительной электрической сети, называются системами, подключенными к сети. Ветрогенератор, подключенный к сети, снижает потребление энергии, получаемой от поставщика и может использоваться для питания освещения, бытовой техники, электрических радиаторов и т.д. Когда количество электроэнергии, вырабатываемой ветрогенератором, превышает спрос, избыток можно продать энергетическому предприятию. Если количества электроэнергии, вырабатываемой ветрогенератором, не хватает для покрытия потребностей, то недостающий объем берется от электросети.

Энергия ветра также может использоваться в системах, не подключенных к сети, известных как автономные системы, которые никоим образом не связаны с распределительной сетью электроэнергии. В таких случаях, небольшие ветрогенераторы могут функционировать самостоятельно или в сочетании с другими системами, в том числе солнечными батареями, тем самым образуя гибридные энергетические системы с другими возобновляемыми источниками энергии и / или дизельным агрегатом. Гибридные системы питания могут обеспечить надежный источник энергии для домашних хозяйств, ферм или даже целых общин, которые расположены далеко от линий электропередачи.

Малые ветрогенераторы

Малый ветрогенератор можно установить даже в своем собственном дворе. Если место соответствует условиям, необходимым для эффективной работы ветрогенератора, нет никаких противопоказаний, чтобы с помощью ветра снабжать электроэнергий свой собственный дом или ферму. Малые придомовые ветрогенераторы вырабатывают энергию от ветра из приземных слоев атмосферы и имеют довольно низкую мощность. Как правило, они оснащены 1 или 2 турбинами. Инвестиция в ветрогенератор с мощностью до 4 кВт, окупается пользователю в течение нескольких лет.

Средние ветрогенераторы

Чаще всего этот тип электростанций работает на благо конкретной местной общины, или полученная энергия предназначается для продажи. Хотя инвестиции в ветрогенераторы занимают несколько лет, спрос на получение энергии из возобновляемых источников будет расти, поэтому вкладывать деньги в их строительство по-прежнему очень выгодно.

Ветрогенератор маленький или большой?

turbine image 1386204391Номинальная мощность современных ветрогенераторов доходит до сотен МВт. Наряду с возрастанием мощности, как следствие, увеличивается и размер отдельных ветрогенераторов, производящих более чем несколько МВт электроэнергии, установленных на опорах, высота которых достигает до 100 м. Такие большие ветрогенераторы, однако, требуют особенно хороших ветровых условий и обширных незастроенных территорий. Не везде есть такие условия, к тому же использование больших ветровых установок влечет за собой некоторые проблемы.

Большие ветровые турбины:

  • "визуально загрязняют окружающую среду", то есть просто уродуют ландшафт,
  • издают разрушительный монотонный шум,
  • представляют угрозу для птиц и летучих мышей.

Когда преобладающие в данном месте условия не позволяют использование больших ветрогенераторов, или, когда инвестор хочет избежать вышеуказанных проблем, оптимальным решением является использование небольших турбин, мощностью от 0,1 до 100 кВт. Они работают тихо, не представляют опасности для птиц, и не только не портят окружающую среду, но и могут даже повысить ее эстетические качества, являясь частью декоративных архитектурных элементов. Кроме того, некоторые места, особенно благоприятны для использования малых ветрогенераторов.

Эти модели хорошо зарекомендовали себя:

  • в районах с менее благоприятными ветровыми условиями, где необходимо небольшое количество электроэнергии,
  • в труднодоступных районах преимуществом малых ветрогенераторов является их портативная конструкция,
  • на крайнем севере, где мало солнечного света, ветрогенераторы более эффективны, чем солнечные батареи;
  • в экстремальных условиях, при очень сильном ветре и предельных температурах. Малые ветрогенераторы с вертикальной осью и мощностью около 10 кВт способны выдержать даже циклоны, штормы и песчаные бури, они также могут работать в диапазоне температур от -50 до +50 градусов по Цельсию. Такие решения были протестированы в итальянских Альпах, где на высоте 3150 метров над уровнем моря скорость ветра достигает более 250 км / ч.

В стадии проекта находиться концепция использования малых ветрогенераторов в городских районах, где здания выступают в качестве центров скорости ветра. Ветрогенератор будет размещаться либо в самом узком месте между сооружениями, либо на крыше здания, потому что, как показывает компьютерное моделирование, в нескольких метрах над крышей скорость ветра на 30% выше, чем на той же высоте на незастроенной территории.

Небольшие ветрогенераторы можно успешно использовать:

  • на яхтах и лодках,
  • для подсветки информационных табло в ночное время,
  • для питания систем сигнализации,
  • для питания измерительных систем,
  • для зарядки аккумулятора.

Вместе с техническим прогрессом увеличивается производительность ветрогенераторов. Например, существуют устройства 2,4 м высотой с площадью лопастей 2, 973 м кв., которые при скорости ветра 5 м / с производят 57 Вт мощности, а при скорости 14 м / с - 1259 Вт.

Почему ветрогенераторы создают акустический шум?

Главным "виновником" акустического шума, производимого ветрогенератором, являются лопасти ротора, которые вращаясь, сталкиваются с сопротивлением воздуха. Кроме того, появлению надоедливого шума также способствует система передачи мощности, то есть ротор, редуктор и генератор. Чем больше мощность электростанции, чем старше технология, чем хуже аэродинамическая конструкция лопастей, тем выше уровень акустического шума, вызываемого устройством. Для снижения шума, который особенно раздражает при ветре на малых и средних скоростях, используются современные технологии (современные ветрогенераторы работают тише, чем их предшественники), для нейтрализации воздействия шума на людей должны поддерживаться соответствующие расстояние между установкой и жилой застройкой. Законодательство требует, чтобы шум в ночное время в районах частных домов и зонах досуга и отдыха за пределами города не превышал 40 децибел.

Взаимодействие с электрической сетью

Чтобы регулярно отдавать энергию в электросеть необходимо иметь установку, которая вырабатывает минимум 250 кВт. Подавляющее большинство крупных ветрогенераторов поставляет вырабатываемую электроэнергию к сетям общественного питания.

Ветер в большинстве дней слабее в ночное время, и сильнее в течение дня. Это означает, что колебания производства энергии совпадают с изменением ежедневного ее потребления. В ночное время, когда спрос на энергию падает, производство также снижается.

В умеренных климатических зонах в летнее время ветры, как правило, слабее, чем в зимний период. Потребление энергии в этих областях летом ниже, по сравнению с зимним периодом. В более холодных районах земного шара идеально сочетается работа ветрогенератора с электрическим отоплением. Когда ветер поднимается, дополнительно охлаждая жилища - производство электроэнергии увеличивается.

Как показывает опыт, ветрогенераторы нежелательны с точки зрения технических характеристик системы. Зависимость нагрузки от скорости ветра вызывает:

  • необходимость увеличения мощности запасов в других источниках,
  • торможение работы системы, например, из-за внезапного выброса нагрузки и изменения направления потока энергии в сетях,
  • трудности в планировании баланса мощности и энергии.

Могут возникнуть проблемы с регулировкой напряжения и реактивной мощности, стабильностью работы системы, ухудшением качества электроэнергии. Эти проблемы может облегчить соответствующее оборудование ветрогенераторов, приспособленное для регулировки параметров в широком диапазоне.

Таким образом, возникает вопрос о влиянии работы ветрогенераторов на качество энергии. Среди факторов, ухудшающих параметры энергии в энергосистеме, вызванных работой ветряных электростанций, можно рассматривать четыре типа:

  • колебания мощности,
  • колебания напряжения,
  • мерцание,
  • высшие гармоники.

Колебания мощности. Изменение активной мощности возникает в результате переменной скорости ветра. Колебания реактивной мощности, потребляемой асинхронным генератором - итог изменений активной генерируемой мощности.

Колебания напряжения. Колебания напряжения возникают в результате медленных изменений мощности, вырабатываемой генераторами (могут компенсироваться с помощью трансформаторов). Колебания напряжения также могут быть связаны с изменчивостью реактивной мощности, потребляемой асинхронными генераторами (компенсируются использованием регулятора реактивной мощности с соответствующей батареей конденсаторов) и пусковыми токами.

Мерцание. Резкие изменения выходной мощности, включение генератора ветряной электростанции и подключение конденсаторов вызывают изменения действующего значения напряжения. Выше определенного уровня такие изменения вызывают так называемое мерцание электрического освещения.

Высшие гармоники. Содержание высших гармоник, поступающих от генераторов турбин, может привести к сбоям в работе автоматики и защиты систем электроснабжения. Гармоники, относятся к преобразователям частоты. Тем не менее, современные электронные системы питания, практически любого типа изготавливаемых современных ветрогенераторов большой мощности (свыше 1 МВт), не вносят гармоник, превышающих приемлемые правила.

Энергия ветра, как известно, относится к так называемой распределенной генерации (не планируемой централизованно, с установленной мощностью, как правило, меньше, чем 500 - 1000 МВт). Внедрение распределенной генерации в существующие энергетические системы оказывает значительное влияние на планирование и эксплуатации системы в режиме реального времени. Способность системы интегрировать эту форму генерации характеризуется рядом факторов, поэтому эффект от источников рассеивания должен быть принят во внимание при оценке характеристик системы таким образом, чтобы его работа и безопасность не нарушались. Распределенная генерация увеличивает степень сложности управления и укрепляет защитные свойства систем автоматизации. Например, селективность безопасности должна быть изменена, поскольку распределенные источники могут модифицировать значение, длительность и поток токов короткого замыкания. Кроме того, при каждом включении нового источника необходимо проверить работу защитной автоматики и ее настройки, чтобы предотвратить нежелательный шум.

Циркулирует много негативных комментариев по поводу отрицательного воздействия ветрогенераторов на электрическую сеть. На самом деле, в результате привязки к сети ветрогенератора, у конечного потребителя, которым является домашнее хозяйство, может возникнуть мерцание электрического освещения. Следует, однако, отметить, что основной причиной этого является слабо развитая и устаревшая энергетическая сеть в сельской местности, где чаще всего устанавливают ветрогенераторы. Она не устойчива к колебаниям количества энергии, подаваемой в систему. Это происходит, когда к распределительной сети среднего напряжения подключается ветрогенератор небольшой мощности, особенно старого типа. При подключении современных мощных ветрогенераторов к линиям электропередачи высокого напряжения, проблема не возникает. Новые ветрогенераторы имеют специальные системы, которые защищают сеть от резких колебаний. К ним можно отнести режим плавного старта, благодаря которому возможно постепенное подключение ветрогенератора к сети и его отключение.

Страной с самой высокой насыщенностью энергией ветра является Дания. Это ставит перед местным оператором системы электропередачи серьезные технические проблемы. Ветрогенераторы и электростанции играют ключевую роль в производстве энергии в западной части Дании, что приводило к нескольким ситуациям перегрузки сети. В настоящее время энергетический баланс сети в Дании возможен только за счет связи с другими областями, но это решение, скорее всего, не будет долгосрочным. Избыток энергии экспортируется в Швецию, Норвегию и даже Германию. Если, тем не менее, произведенный излишек будет больше, чем пропускная способность сети импортеров, произойдет критическая перегрузка сети. Это может вызвать сбои и коллапс системы.

Воздействие электромагнитных полей

Различают два вида источников электромагнитных полей, присутствующих в окружающей среде:

  • естественные, в числе природные излучения Земли, Солнца и ионосферы;
  • искусственные.

Из естественных, наиболее известным является геомагнитное поле, напряженность которого находиться в диапазоне от 16 до 56 А / м. Над поверхностью Земли также возникает естественное электрическое поле с напряженностью около 120 В / м при нормальной погоде. Особый интерес, из-за своей универсальности, представляют искусственные источники электромагнитного поля с частотой 50 Гц – в основном электрические устройства. Специфика электромагнитного поля, создаваемого такими устройствами, дает возможность отдельно рассматривать электрическую и магнитную составляющие.

Магнитное поле сопровождает любой поток тока, а электрическое поле присутствует везде, где есть электрическое напряжение. К искусственным источникам электромагнитного поля средних и высоких частот, в первую очередь, относятся радио- и телевизионные станции, базовые станции мобильной связи, радиолокационное оборудование, используемое в военных целях, аэропортах и морской навигации. Кроме того, важным источником электромагнитного поля также является любительская радиосвязь.

Для территорий, предназначенных под жилую застройку, допустимый уровень электромагнитных полей диапазона частот, которые производит генератор ветряной электростанции, составляет 1000 В / м для электрического поля и 60 А / м для магнитного поля.

Из-за расположения ветрогенератора на высоте около 100 м над поверхностью грунта, уровень электромагнитного поля, создаваемого компонентами силовой установки на земле (на высоте 2 м) практически незначительный. Устройства, генерирующие электромагнитные волны (в частности, генератор и трансформатор) расположены внутри гондолы и закрыты в пространстве, окруженном металлическим экраном, из-за чего влияние ветрогенератора на электромагнитную обстановку пренебрежимо мало. Поле, создаваемое генератором, имеет частоту 100 Гц, а поле, порожденное трансформатором - 50 Гц. Результирующее электрическое поле на высоте 2 м над уровнем земли составляет около 9 В / м, а магнитное - около 4,5 А / м.

Установка ветрогенераторов в открытом море

offshore-wind-1В эпоху массовых протестов и проблем с расположением ветряных электростанций на суше, все больше и больше внимания уделяется их строительству на море. Это решение имеет ряд преимуществ, таких как:

  • морской ветер является более стабильным и дует с большей силой, чем над землей, что позволяет достичь очень высокой эффективности ветрогенератора;
  • морские электростанции, а также отдельные ветрогенераторы могут иметь практически неограниченный размер, части установки легко транспортируются морским транспортом, таким образом, есть возможность строительства электростанции большей силы;
  • акватория ветряной электростанции становится местом ограниченного судоходства, которая способствует развитию видов рыб и морских млекопитающих;
  • ветряные электростанции, установленные в море далеко от населенных пунктов, не создают проблем с получением разрешений на строительство, связанных с социальными протестами;
  • море дает больше места для размещения ветрогенераторов;
  •  морские ветрогенераторы не вызывают "засорение" пейзажа и проблем с шумом;
  • на этапе строительства существует большее количество рабочих мест, чем при работах на суходоле.

Недостатки ветряных электростанций, установленных на море:

  • большие трудности в доступе к объекту во время его ремонта или технического обслуживания;
  • гораздо дороже техническое обслуживание и эксплуатация генерирующих мощностей;
  • высокие затраты на строительство электростанций и подключение их к сети передачи электроэнергии;
  • использование "надежной" технологии строительства, более дорогой, для уменьшения обслуживания и продления срока службы запасных частей;
  • высокая коррозийная способность морской среды требует использования при строительстве материалов, которые не наносят вред окружающему миру.

Часто задаваемые вопросы

  1. Будет ли ветрогенератор работать в моем случае?

    Для людей, которые живут в области возникновения достаточно постоянных, сильных ветров и имеют незастроенную площадь около 1000 м кв. или объект (башня, крыша), который позволяет установку, небольшой ветрогенератор может представлять собой экономически эффективный источник электроэнергии.

    Личные ощущения, связанные с ветром на конкретной территории часто не надежны - лучшим вариантом является использование объективной оценки. Наиболее точную информацию можно получить путем установки на данной местности анемометра (прибора для измерения скорости ветра) и составить базу параметров, по крайней мере, за один год.

    Количество малых ветрогенераторов, предназначенных для индивидуальных пользователей, предприятий и фермеров возрастает в геометрической прогрессии, и, кроме того, такие системы очень быстро развиваются.

    Хотя стоимость ветрогенератора относительно велика, в будущем нет необходимости докупать дополнительные электрические компоненты. Благодаря оплаченной ранее ветровой энергии - можно избежать непредвиденных расходов, которые в будущем могут оказаться неизбежными в случае использования других видов топлива.

  2. Как работает ветрогенератор?

    Ветрогенератор улавливает кинетическую энергию ветра, которая приводит во вращательное движение ротор, и с помощью генератора, расположенного в части турбины, называемой гондолой, преобразует ее в электрическую энергию. Однако турбина является лишь одним из элементов всей системы. Благодаря башне ротор находиться высоко над землей, где ветер сильнее. Чем больше расстояние от земли, тем ветры сильнее и более постоянные, и, следовательно, чем выше башня, тем выше эффективность работы турбины. Кроме того, ветровые ресурсы ограничены наличием деревьев и зданий. В соответствии с правилами для турбин с горизонтальной осью вращения, точка, в которой лопасти ротора турбины находятся в крайнем нижнем положении, должна быть, по меньшей мере, на 5 м выше верхних границ деревьев и зданий, расположенных на расстоянии 30 метров от башни. Установки с вертикальной осью вращения, которые хорошо зарекомендовали себя в условиях неравномерных порывов ветра, можно использовать на значительно меньшем расстоянии от объектов.

    В случае ветрогенераторов, которые используют для хранения энергии аккумуляторы, применяется контроллер, управляющий количеством электроэнергии, поступающей в батареи. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный.

  3. Что дает ветрогенератор?

    Ветрогенератор производит энергию с использованием существующего и неисчерпаемого источника, которым является ветер, не выбрасывая в атмосферу углекислый газ и другие вредные вещества.

  4. Сколько электроэнергии ежегодно производит один ветрогенератор?

    Количество энергии, производимой силой ветра, зависит от установленной мощности, эффективности и ветровых условий в месте расположения. Сила ветра зависит от его скорости: если скорость ветра удваивается, мощность возрастает в четыре раза.

    На практике один ветрогенератор мощностью 2 МВт ежегодно производит более 4 ГВт*ч электроэнергии, что покрывает расход более чем 1300 домохозяйств.

  5. Каково различие между системой, подключенной к сети, и автономной?

    До недавнего времени большинство малых ветрогенераторов устанавливались людьми, которые не имели подключения к энергосистеме, то есть, жили далеко от линий электропередач. Эти люди производят электричество самостоятельно, используя ветрогенератор и, возможно, солнечные батареи, и накапливают энергию для личного пользования в аккумуляторных батареях. Тем не менее, ситуация меняется.

    Во многих странах вводится требование, согласно которому каждая энергетическая компания обязана разрешить частным и коммерческим пользователям передавать определенное количество электроэнергии в сеть. В данном случае энергетическая сеть выполняет ту же функцию, что и система аккумуляторов. Избыточная энергия, превышающая суточное потребление, возвращается потребителю по розничной цене. Этот излишек учитывается как энергия, потребляемая в безветренные периоды, когда ветрогенератор не производит электричество. В конце периода энергетическая компания скупает излишки электроэнергии.

    Этот принцип может повлиять на значительное увеличение интереса к малым ветряным электростанциям, которые подсоединяются к сети. В связи с тем, что турбины этого типа подключаются непосредственно к системе электропитания, они не будут работать в случае исчезновения напряжения, в отличие от системы резервного питания от батарей.

  6. Какой мощности система мне необходима?

    f0a29f91f00839464efa1bbb2eae0392Мощность или размер большинства ветрогенераторов определяется максимальным количеством электроэнергии, которую они в состоянии произвести, например. 1,8 кВт и 5 кВт. Тем не менее, для большинства потребителей, эти значения не очень полезны. Номинальная мощность - это наибольшее количество электроэнергии, вырабатываемой на определенной (и обычно высокой) скорости ветра, а отдельные производители используют различные скорости ветра для определения номинальной мощности.

    Более полезным параметром является определение того, какое количество необходимой энергии можно получить при помощи ветрогенератора. У каждого производителя ветрогенераторов существует график кривой мощности, показывающий количество электроэнергии, производимой данной установкой при определенной скорости ветра. Исходя из этого, можно определить, сколько электроэнергии (в киловатт-часах) турбина будет производить каждый месяц или год при предполагаемой средней скорости ветра, или измеренной в данной области. Это значение следует сравнить с годовым потреблением энергии. Чтобы узнать стоимость годового потребления энергии, необходимо проанализировать ежемесячные счета, и на их основе определить общее годовое количество киловатт-часов потребляемой электроэнергии.

    После определения стоимости годового потребления энергии, вы можете решить, сколько энергии нужно получать от ветрогенератора, с учетом имеющегося бюджета и других аспектов. Например, если электричество, вырабатываемое установкой, предназначено для удовлетворения практически всего спроса на энергию, а годовое потребление 10 000 киловатт-часов, необходимо выбрать турбину, которая в течение года при средней скорости ветра, характерного для данной области, будет производить именно такое количество электроэнергии.

  7. При какой скорости ветра работает установка?

    Есть три характерные скорости ветра:

    • Начальная скорость - ротор начинает вращаться, как только ветер достигает скорости 2 м / с;
    • Номинальная скорость - ветрогенератор достигает своей максимальной мощности при скорости ветра около 12 м / с;
    • Выключающая скорость - при превышении скорости ветра 25 м / с (90 км / ч) ветрогенератор отключается, что позволяет избежать повреждения ротора.

    Чем выше башня, тем больше скорость ветра на высоте ступицы, если, конечно, на земле не существует никаких препятствий, которые могут существенно снизить скорость ветра. Поэтому перед запуском скорость ветра измеряется с помощью специального прибора.

  8. От чего зависит стоимость ветрогенератора?

    Стоимость приусадебных ветрогенераторов зависит, в первую очередь от того, сколько энергии они способны произвести.

  9. Сколько места нужно для установки ветрогенератора?

    В идеале, свободно стоящие ветрогенераторы должны располагаться как можно дальше от зданий и деревьев, которые препятствуют потоку ветра и вызывают турбулентность. Как правило, ветрогенератор значительно выше окружающих предметов, расположенных на расстоянии от 10 до 20 м от башни.

    В принципе, это правило не распространяется на ветрогенераторы, установленные на крышах. В данном случае лучше всего подходят ветрогенераторы, оборудованные ротором с вертикальной осью вращения. Общее правило таково: чем меньше помех, тем эффективнее процесс использования ветровой энергии.

  10. Как долго ветровые турбины производят электричество?

    Современные ветрогенераторы производят электроэнергию в течение 70-85% времени, но количество вырабатываемой энергии, зависит от скорости ветра. Небольшой ветряк способен генерировать в год примерно 20-30% энергии, которая создается при постоянном сильном ветре. Эта величина называется коэффициент нагрузки (коэффициент использования производственных мощностей). Сам ветрогенератор обычно имеет 97-процентную механическую надежность и вырабатывает электроэнергию с эффективностью 95%, причиной снижения производительности в первую очередь является отсутствие ветра.

  11. Как рассчитать срок окупаемости затрат?

    Перед установкой системы необходимо рассчитать стоимость потребленной электроэнергии. Если планируемая система будет полностью покрывать спрос на электроэнергию, можно разделить стоимость системы на ежегодную стоимость электроэнергии. Результатом будет число лет, за которые система полностью окупится. Если планируемая система будет частично покрывать требования электроэнергии, следует скорректировать расчеты.

  12. Какое обслуживание требуется для ветрогенератора?

    В случае небольших ветрогенераторов обслуживание сведено к минимуму. Срок эксплуатации турбин, в среднем рассчитан на 20 лет. Подшипники не требуют технического обслуживания, нет необходимости их ежегодной смазки. Тем не менее, рекомендуется проводить системные проверки один раз в год – самостоятельно, либо пригласить представителя завода-изготовителя.

  13. Каким образом инвестиция повлияет на стоимость моего дома?

    Покупка небольшого ветрогенератора, как и другие капитальные вложения, увеличивает стоимость имущества. Информирование потенциального покупателя недвижимости о минимальных счетах за электроэнергию, может сделать так, что установка ветрогенераторов станет привлекательным стимулом для покупки.

  14. Каково воздействие на окружающую среду?

    Ветрогенераторы не вызывают загрязнения окружающей среды и для их функционирования не нужна вода. Кроме того, они способствуют уменьшению загрязняющих веществ, которые выбрасывает энергетическая компания, если единственным источником электроэнергии является, например, работающая на угле электростанция. По данным множества исследований, ветрогенератор на протяжении всего периода эксплуатации, предотвращает выброс в атмосферу 1,2 тонны загрязняющих веществ и 200 тонн парниковых газов (двуокиси углерода и других газов, вызывающих глобальное потепление). В то время как многие люди обеспокоены воздействием ветрогенераторов на диких животных, особенно птиц, результаты наблюдений показывают, что столкновения птиц с небольшими турбинами случаются довольно редко. Гораздо большее негативное влияние имеют окна в зданиях и бродячие кошки.

    Большинство современных приусадебных ветрогенераторов довольно тихие - громкость их работы сопоставима с уровнем шума в окружающей среде при обычных условиях ветра.

  15. Использование каких других возобновляемых источников энергии, можно рассмотреть?

    В соответствии с рекомендациями экспертов, перед началом рассмотрения вопроса об использовании возобновляемых источников питания в доме следует принять все необходимые меры для снижения потребления энергии за счет ее сохранения и эффективного использования. Следующий шаг, связанный с использованием возобновляемых источников энергии зависит от местоположения и имеющегося бюджета.

    Для большинства городских районов более разумным решением является использование гибридных систем, включающих солнечные батареи и небольшие ветрогенераторы, возможно, еще с участием дизельного генератора Для отопления идеально подойдет дровяная печь или пиролизный котел. Этот вариант прекрасно подходит для людей, которые хотят полностью уйти от зависимости от энергетических компаний.

  16. Правда, что ветрогенератор является источником акустического шума и инфразвука?

    Современные ветрогенераторы настолько тихие, что в пределах 200 м звук напоминает обычный разговор. Как правило, они заглушаются естественными звуками ветра или шелестом листьев так, что становятся практически не слышными.

    Инфразвук - это звук с очень низкой частотой (2 - 20 Гц). Он производится естественно (шторм, ветер, море), или вызывается техническими устройствами (моторными транспортными средствами, двигателями, кондиционерами). Значения уровня шума 135 дБ слышимого, по меньшей мере, 8 часов в день может привести к повреждению слуха, а выше 120 дБ влияет на настроение. Даже непосредственно возле ветрогенератора значения шума лежат значительно ниже критического предела. В пределах от 100 до 250 метров значение мощности шума, даже при экстремально сильном ветре, составляет около 70 дБ. В случае среднего значения ветра - 50 дБ.

    Для сравнения: в офисе, оборудованном несколькими компьютерами, уровень инфразвука составляет 73 дБ, в салоне автомобиля во время движения - более 100 дБ.

    Многочисленные исследования показали, что ветрогенераторы с точки зрения шума и инфразвука полностью безопасны.

  17. Ветрогенераторы вызывают сигнал помехи радио и телевидения?

    Ветровые турбины не посылать электромагнитные волны, поэтому они не имеют никакого влияния на прием радио, телевидения и мобильной телефонии.

  18. Существует риск поломки башни или падения пропеллера?

    Ветрогенераторы сконструированы таким образом, чтобы выдержать даже очень сильный ветер, такой как, например, экстремальный шторм. В мире не зафиксировано смертных случаев, вызванных эксплуатацией ветрогенератора.

  19. Ветрогенераторы представляют угрозу для самолетов?

    Как и любое другое препятствие для авиации (например, промышленные дымовые трубы, мачты вещания) мощные коммерческие ветрогенераторы обозначены на аэронавигационных картах. Каждый ветрогенератор оснащен специальным предупреждающим освещением, так что он виден с большого расстояния. Кроме того, гражданские самолеты не могут летать на высоте ниже 300 м, то есть никогда не находятся менее чем в 150 метрах от кончика лопасти. Также, выбор места для большого ветрогенератора необходимо согласовать с гражданской авиацией и военными и сообщить, где именно он будет стоять для нанесения на аэронавигационные карты.

  20. Что происходит с электростанций, если никто не хочет покупать произведенную энергию?

    Ветряная электростанция может быть построена только тогда, когда предоставляется финансирование. Таким образом, нет никакой возможности производить киловатт-часы без подписания соответствующих соглашений о начале продаж. В настоящее время спрос на энергию из возобновляемых источников гораздо больше, чем предложение.

  21. Что такое экологическая энергия?

    Энергия считается экологический, если она производится из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер.

  22. Как обычное производство энергии оказывает негативное влияние на климат и воздух?

    Выбросы, вызванные использованием ископаемого топлива, являются крупнейшими источниками загрязнения. Производство энергии из угля, газа и нефти отвечает за 37% глобальных выбросов углекислого газа, оксида серы, оксида азота и других веществ, которые вызывают массовый экологический ущерб, медицинские и социальные потери.

  23. Как ветрогенераторы вносят свой вклад в решение проблемы выбросов в атмосферу?

    Ветрогенераторы являются идеальным решением проблемы выбросов, поскольку они производят энергию, не вызывая никаких загрязнений вообще, из источника, который является неисчерпаемым. Ветрогенераторы не выбрасывают парниковые газы или другие загрязнители воздуха (например, оксид серы, оксид азота, пыль).

  24. Ветрогенераторы не уродуют ландшафт?

    Принятие энергии из ветра зависит от того, как оценивать эстетику турбин в контексте ландшафта. Представления об этой теме носят субъективный характер и часто изменчивы. Но ясно одно: подавляющее большинство населения положительно относится к ветрогенераторам и считает их красивыми и эффективными. Недаром же ветрогенераторы каждый год привлекают большое количество туристов, заинтересованных в том, чтобы рассмотреть с близкого расстояния величественные ветряные мельницы.

    Негативное воздействие ветрогенераторов на окружающий пейзаж уменьшается с увеличением расстояния. Для равнинной местности можно выделить следующие зоны "визуального воздействия" ветрогенераторов:

    • Зона I (расстояние 2 км от установки) - ветрогенератор является доминирующим элементом в ландшафте. Вращательные движения ротора отчетливо видны и воспринимаются человеком.
    • Зона II (расстояние от 2 до 4,5 км от установки) - ветрогенераторы заметно отличаются от ландшафта, их можно легко увидеть, но они не являются доминирующими элементами. Вращательные движения ротора видны и привлекают глаз человека.
    • Зона III (расстояния от 4,5 до 7 км от установки) - ветрогенератор виден, но он не является "навязчивым" элементом ландшафта. В условиях хорошей видимости, можно увидеть вращающийся ротор, но на фоне своего окружения сама установка кажется небольшой по размеру.
    • Зона IV (чуть больше 7 км от установки) - ветрогенераторы, как правило, небольшие по размеру и не выделяются значительно в окружающем ландшафте. Вращательные движения ротора на таком расстоянием практически незаметны.

    Для того чтобы уменьшить воздействие на ландшафт, учитываются множество факторов, которые оказывают влияние на расположение ветрогенератора. Это, например:

    • подбор ветрогенератора, соответствующего ландшафту и окружающей среде;
    • установка одинакового направления вращения всех ветрогенераторов;
    • выбор конструкций одного и того же производителя, которые не отличаются между собой по внешнему виду;
    • сокращение количества ветрогенераторов, благодаря использованию установок более высокой мощности;
    • организация временных подъездных дорог и монтажных площадей без излишнего расширения дорожной инфраструктуры;
    • по возможности, прокладывание кабелей под землей, чтобы они не были заметны.
  25. Ветрогенераторы могут быть целью туризма?

    Ветрогенераторы не устанавливают, конечно, для привлечения путешественников, но они могут непосредственно способствовать росту туризма в этом районе. Исследования показывают, что 2/3 туристов не воспринимают ветрогенераторы негативно, а скорее как символ климатической политики, которую представляет данный регион.