Ветровая электростанция

Ветровая электростанциясостоит из ветроустановок (ВУ). На ВУ кинетическая энергия ветрового потока преобразуется в электрическую. ВУ конструктивно состоит из ветроколеса с лопастями, повышающего редуктора, ветрогенератора, инвертора, аккумуляторной батареи. Принцип действия ветрогенератора таков: сила ветра вращает ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через редуктор на вал генератора, превращающего механическую энергию в электрическую. Вырабатываемая в генераторе электроэнергия может подаваться в сеть. В настоящее время используются ветрогенераторы двух типов: с горизонтальной и вертикальной осью вращения. 95% составляют ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения. Инвертор выполняет задачу преобразования электрического тока в синусоидальный и дополнительную стабилизацию напряжения. Аккумулятор подаёт напряжение в сеть нагрузки при отсутствии ветра.

Стоимость ЭЭ на ВЭС ниже, чем на любых других станциях.

Скорость ветра непрерывно меняется, что приводит к соответствующим колебаниям механической мощности на валу ветроколеса. Максимальную мощность ветродвигателя с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветра, можно определить по выражению

(4.13)

где D - диаметр ветроколеса; ρ - плотность ветра; V - скорость набегающего потока ветра.

При конструировании ветродвигателя обычно ставится задача получить агрегат, который может работать при больших скоростях ветра и одновременно обеспечивать высокий КПД преобразования. Выполнение последнего условия зависит от двух факторов: формы лопастей и быстроходности. У ветроколес с горизонтальной осью, параллельной потоку, в зависимости от рабочих параметров и условий работы обычно имеются либо две, либо три лопасти. Двухлопастное колесо обеспечивает большую экономичность, чем трехлопастное, однако в ряде случаев оно подвержено значительным вибрационным нагрузкам, отсутствующим в трехлопастном ветроколесе. Центростремительную силу, действующую на лопасть, можно свести к минимуму, уменьшив ее массу. Для изготовления лопастей пригодны дерево, пластик и особенно армированное стекловолокно, обладающее хорошими прочностными характеристиками.

Из выражения (4.1) на первый взгляд следует, что максимальная мощность неограниченно возрастает с ростом скорости ветра. Однако это верно лишь теоретически, на практике же еще необходимо, чтобы КПД также имел максимальное значение, что осуществимо при условии v=V/3 ( V - изменение скорости ветра при подходе к ветроколеcу). Для ветроколеса с горизонтальной осью вращения, форма и размеры которого заданы, это условие выполняется лишь при одном значении скорости. Таким образом, в конструкции ветродвигателя заложено некоторое максимальное значение скорости V_max, при котором он должен работать. При скоростях ветраниже V_mах выходная мощность ветродвигателя меньше номинальной; а при скоростях, больших V_max - падает КПД преобразования энергии ветра в механическую. Так, при увеличении скорости ветра на 33% вырабатываемая мощность - удвоится, а при ее уменьшении на 33% упадет вдвое. Для ветродвигателя существует также минимально допустимая скорость ветра. Ветроколесо с горизонтальной осью вращения должно вращаться, начиная с некоторой минимальной скорости ветра, но максимальная мощность выбирается лишь при номинальном значении скорости, которая на 9-16 км/ч больше среднегодовой скорости ветра для данной местности.

При изменении скорости ветра происходят колебания электрической мощности, создаваемой ВУ. Эти колебания приводят к изменениям активной и реактивной мощности, напряжения и силы тока. Воздействие колебаний выходной мощности можно сгладить аккумулированием энергии.

Существует несколько путей использования энергии ветра электроснабжающими компаниями. Режим экономии топлива. Этот метод заключается в непосредственной подаче электроэнергии от ВУ в электрическую систему. Во время ее работы экономится топливо. Метод не требует аккумулирования энергии, и его можно применять во всех сетях.

Режим непрерывной выработки электроэнергии. При таком режиме электроэнергия от ВУ сначала поступает в аккумулирующую систему, а оттуда в электрическую сеть.

Режим параллельной работы ВУ с ГЭС и ГАЭС также позволяет экономить топливо.

Разработкой ВУ занимаются многие страны. Крупные ВУ в большинстве стран строятся с горизонтальным валом, имеющим диаметр до 100 м. Наиболее крупные ВУ работают в Германии (3000 кВт), Швеции (3000 кВт), Великобритании (3700 кВт), США (2500, 3000 кВт). В Канаде действует ВУ с вертикальным валом мощностью 4000 кВт.

В РФ в настоящее время разрабатываются унифицированные ветроэнергетические установки мощностью от 1 до 250 кВт.

Крупная ВЭС в настоящее время сооружается в Калининградской области