Устройство ветроэлектрической установки
Основные компоненты установок обоих типов:
- ветроколесо (ротор), преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна. Для автономных систем с выпрямителем и инвертором – обычно переменная;
- мультипликатор – промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;
- башня (иногда укрепляют стальными растяжками), на которой установлено ветроколесо. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни;
- основание (фундамент) предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре.
Бывают:
1. Горизонтально-осевой ветродвигатель.
2. Вертикально-осевой ветродвигатель.
Кроме того, для защиты от поломок при сильных порывах ветра и ураганах почти все ВЭУ большой мощности автоматически останавливаются, если скорость ветра превышает предельную величину. Для целей обслуживания они должны оснащаться тормозным устройством. Горизонтально – ВЭУ имеют в своем составе устройство, обеспечивающее автоматическую ориентацию ветроколеса по направлению ветра.
Диапазон размеров ветроэлектрических установок. Размер ВЭУ зависит от предполагаемого использования. Основной характеристикой, определяющей размер этих систем, является мощность ветроагрегата. Например, для работы на сеть возможно применение ВЭУ мощностью 50 кВт и выше.
ВЭУ меньшей мощности обычно используются как автономные. Например, ВЭУ для электроснабжения жилого дома может быть мощностью от нескольких сотен ватт до 10 кВт в зависимости от нагрузки и энергопотребления. В состав подобных ВЭУ обычно входят АБ, а во многих случаях и дизель – в качестве резервного источника энергии во время длительных периодов безветрия. Небольшие предприятия и удаленные поселки могут использовать ВЭУ существенно большей мощности. Маломощные турбины (1 кВт) могут быть использованы для заряда аккумуляторов и электроснабжения малой нагрузки (освещение, электроинструмент, телевизор и т. д.) ветроэлектрических установок.
Типы ветроэнергетических установок. ВЭУ могут быть соединены с сетью и передавать вырабатываемую энергию в местную электросеть или могут быть автономными, где потребитель находится в непосредственной близости от ветроагрегата.
В рамках данного руководства рассматриваются в основном автономные ветроэнергетические системы, однако без внимания не остались и ВЭУ, соединенные с сетью.
Автономные системы энергоснабжения. Любая автономная система, в том числе и ветроэлектрическая, работает независимо от сети централизованного энергоснабжения. В этих условиях ВЭУ может функционировать самостоятельно, использоваться как дублер любого другого генератора или применяться в сочетании с другими энергетическими установками в качестве компонента комбинированной системы энергоснабжения. Такие системы используются для подъема воды или для электроснабжения домов, ферм или производственных помещений малых предприятий.
В настоящее время в России получили распространение такие ветроэнергетические установки мощностью до 0,5 кВт. Разработаны и используются опытные образцы ВЭУ мощностью 2,5; 5; 8 и 10 кВт. Более мощные системы, используемые, например, для электроснабжения нескольких объектов, обычно генерируют переменный ток.
В России имеется многолетний положительный опыт применения водоподъемных ветроустановок на пастбищах в степных или пустынных районах без использования АБ и резервных источников питания (или дизельных электростанций).
Приоритетным направлением развития ветроэнергетики в России на ближайшее время будет автономное использование малых и средних ветроустановок в отдаленных регионах Крайнего Севера, т. к. там сосредоточены основные ветроэнергетические ресурсы страны, низкая плотность населения, отсутствуют крупные электрические сети. И имеется около 17 тыс. в малых населенных пунктов, где целесообразно использовать ВЭС для целей энергоснабжения. В 1996-1998 гг. в Мурманской и Архангельской областях установлены первые автономные ВЭУ мощностью 10 кВт.
Очевидно, что ключевым фактором, определяющим выбор между применением автономной энергетической системы и проведением линий электропередачи от объекта к сетям централизованного энергоснабжения, является конкурентоспособность стоимостных характеристик ВЭУ в сравнении с подключением к сети.
Гибридная энергетическая схема. Гибридная энергосистема подразумевает использование ВЭУ совместно с другими источниками энергии (солнечные модули, микроГЭС и т. д.). Эти источники энергии дополняют ВЭУ с целью обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителя в безветренную погоду.
Ветродизельные системы. Ветросистема состоит из ВЭУ и дизель - системы с оптимально подобранными мощностями. Обычно дизель используется в сочетании с ВЭУ в случае, когда целью использования последней является экономия дизельного топлива, стоимость которого с учетом расходов на доставку может быть очень высокой. Соотношение мощности компонентов системы зависит от схемы генерирования нагрузки и ресурсов ветра.
Режим одновременной параллельной работы ВЭУ и ДЭС оценивается как недостаточно эффективный способ использования ВЭУ, поскольку доля участия ветроагрегата в системе по мощности не должна превышать 15-20 % от мощности дизеля. Такие режимы можно использовать для экономии топлива в гибридных установках большой мощности.
Использование режима раздельной работы ВЭУ и ДЭС позволяет поднять долю участия ветроустановки до 50-60 % и более. Однако в этом случае неизбежно усложнение системы за счет необходимости введения системы управления, инверторного оборудования и АБ, которые аккумулируют энергию, вырабатываемую ветроагрегатом при рабочих скоростях ветра, для питания нагрузки в безветренную погоду, или при небольших скоростях ветра.
Всякий раз, когда это возможно, энергия получается за счет ВЭУ, а АБ непрерывно подзаряжаются. В периоды ветрового затишья, когда заряд АБ падает ниже определенного уровня, для обеспечения потребителей энергией автоматически (вручную) запускается дизель. Такой режим значительно снижает количество запусков дизель-генератора и, следовательно, ведет к сокращению затрат на обслуживание и топливные расходы. Ветросистемы рассматриваемого типа в настоящее время используются в Архангельской и Мурманской областях России.
Гибридные ветросистемы мощностью от 2 до 500 кВт различных конструкций и назначения в настоящее время испытываются, разрабатываются или планируются к реализации в рамках Федеральной программы «удаленных территорий Крайнего Севера РФ». Как правило, эти гибридные системы предназначены для надежного электроснабжения автономных потребителей с одновременной экономией жидкого топлива.
Крупные гибридные электростанции должны работать на локальную сеть северных поселков.
Использование современной ветросистемы, при должном внимании к проведению текущего обслуживания, может быть экономически очень эффективным при наличии достаточных ветровых ресурсов в местности, где установлен ветроагрегат.
Ветросолнечные системы. Электрическая энергия может быть получена за счет преобразования солнечного излучения фотоэлектрическими батареями. Несмотря на довольно высокую, в настоящее время, стоимость ФБ их использование совместно с ВЭУ в некоторых случаях может быть эффективным. Поскольку зимой существует большой потенциал ветра, а летом в ясные дни максимальный эффект можно получить, используя ФБ, то сочетание этих ресурсов оказывается выгодным для потребителя.
Использование ветроустановок совместно с микрогэс. ВЭУ могут использоваться в комбинации с микрогэс, имеющими резервуар для воды. В таких системах при наличии ветра ветроагрегат питает нагрузку, а излишки энергии используются для закачивания воды с нижнего уровня бьефа на верхний. В периоды ветрового затишья энергия вырабатывается микрогэс. Подобные схемы особенно эффективны при малых ресурсах гидроэнергии.
Установки, подключенные к энергосетям. ВЭУ, подключенные к энергосетям, подразумевают связь с такой существующей энергетической сетью, которая поставляет ветроустановке активную и реактивную мощность для обеспечения запуска, работы и контроля ветроагрегата. Это означает, что электроэнергия, выработанная ВЭУ, поступает непосредственно в сеть. ВЭУ начинают вырабатывать энергию при некоторой скорости ветра – обычно около 4 м/с для большинства современных установок. Ток возбуждения берется из сети и используется для синхронизации генератора ВЭУ. Это означает, что если сеть отключена, то ветроагрегат не может производить энергию.
Соединенные с сетью ВЭУ устанавливаются на территориях с хорошими ветроэнергетическими ресурсами для производства электроэнергии с целью продажи ее энергетическим компаниям.
Ветроферма – это комплекс ВЭУ, часто установленных рядами, которые перпендикулярны господствующему направлению ветра. При разработке такого проекта нужно учитывать наличие дорог для доступа к агрегатам, подстанции и мониторинговой и контрольной системам.
Обычно участок земли, отведенный под ветроферму, используется и на другие нужды, например, сельскохозяйственные.
Обычно в ветрофермах используются крупные ветроагрегаты мощностью от 200 кВт до 1,5 МВт и выше. При этом общая мощность ветрофермы может достигать десятков и сотен мегаватт. В штате Калифорния, например, за счет использования ветроферм производится столько электроэнергии, что ее хватает для удовлетворения потребностей в энергии крупного города, такого, как Сан, в течение года. Этот тип систем становится все более популярным и в европейских странах, где, согласно Киотскому протоколу, поставлена цель снижения эмиссии парниковых газов.
Фирмы или частные лица устанавливают одну или несколько крупных ВЭУ и, соединяя их с электросетью, продают электроэнергию энергетическим компаниям, получая при этом неплохую прибыль. В случаях, когда энергия расходуется непосредственно на нужды производства и при этом энергии, вырабатываемой ВЭУ, не хватает, есть возможность получать ее из сети. Если же ВЭУ полностью обеспечивает производство необходимой электроэнергией при наличии избытка, то излишек энергии поставляется в сеть.
Подключение ветроагрегата к энергетической сети. Если Вы хотите подключить ветроагрегат к централизованной энергетической сети, необходимо выяснить, достаточно ли у сети мощности для приема энергии от ВЭУ. Для этого необходимо связаться с местным поставщиком электроэнергии.
В зависимости от мощности энергосети выбирают мощность ВЭУ. Обычно максимальная мощность ВЭУ не должна превышать 20 % мощности энергосистемы. Это необходимо для поддержания стабильности работы системы и параметров частоты и напряжения в сети энергоснабжения.
Стоимость подключения ветроагрегата к энергетической сети. Стоимость подсоединения к энергетической сети зависит от ее местоположения и мощности.
Очевидно, что стоимость подключения будет выше в случае, если мощности сети недостаточно, т. к. потребуется увеличить мощность энергосети, что может оказаться технически невыполнимым. В этом случае в подключении ВЭУ к сети будет отказано.
Правила подсоединения к электросети варьируются в зависимости от страны. Ответы на многие вопросы можно получить, связавшись с местной энергетической компанией.
Разработка проекта строительства ветроэлектрической установки. Если Вы решили разработать проект строительства ВЭУ, очень полезно иметь «карту» и знать основные принципы. Одна из подобных схем, которой очень легко следовать, – это диаграмма, разработанная Европейской Ветроэнергетической Ассоциацией (ЕWЕА).
ЕWЕА была основана в 1982 как профессиональная ассоциация лиц, принимающих участие в исследованиях и разработках в области ветроэнергетики. Она также является организацией, торгующей ветроэнергетической продукцией.
Основные положения и этапы разработки проекта строительства ВЭУ были определены ЕWЕА при участии ряда организаций с целью обеспечения правильного и тщательного выполнения ветроэнергетического проекта. Однако эти положения носят общий характер и могут дать лишь приблизительное представление по этой теме. Поскольку разработка ветропроекта – очень сложное предприятие, в каждом конкретном случае необходим индивидуальный подход при проведении исследований.
Необходимо помнить, что основные положения относятся ко всем ветроэнергетическим проектам, а объем работ исполнителя и оценка влияния на окружающую среду будут зависеть от типа, размера и местоположения объекта.
Последовательность проведения работ при разработке проекта размещения ВЭУ содержит следующие семь основных этапов:
1. Выбор экономического местоположения ВЭУ.
2. Технико-экономическая оценка проекта.
3. Определение стоимости проекта.
4. Проектирование.
5. Строительство.
6. Эксплуатация.
7. Демонтаж и восстановление ландшафта.
Каждый этап требует рассмотрения следующих аспектов:
- технические и коммерческие;
- окружающая среда;
- диалог.
Структурная схема разработки ветроэнергетического проекта.
Этапы:
1. Выбор места.
2. ТЭО.
3. Оценка.
4. Заявление на проектирование.
5. Строительство.
6. Эксплуатация.
7. Демонтаж и восстановление ландшафта.
Каждый проект отличается от других, и необходимо сосредоточиться на более важных проблемах. Приведенная последовательность действий может использоваться как общий руководящий принцип для понимания естественных процессов развития ветроэнергетической системы.
Существует несколько основных направлений использования ветроагрегатов, которые позволяют значительно сократить расходы на электроэнергию частных лиц и малых предприятий, например, фермеров.
