Ветрогенератор: различия между версиями
[непроверенная версия] | [непроверенная версия] |
S-Ene (обсуждение | вклад) Фраза не учитывала КИЭВ |
|||
Строка 84: | Строка 84: | ||
* Отключение/поломка [[Тормозная система|тормозной системы]]. При этом лопасть набирает слишком большую скорость и, как следствие, лопается. |
* Отключение/поломка [[Тормозная система|тормозной системы]]. При этом лопасть набирает слишком большую скорость и, как следствие, лопается. |
||
* Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает [[Защита электрической сети|электрическая защита]] аппаратов входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих [[Линия электропередачи|ЛЭП]]. |
* Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает [[Защита электрической сети|электрическая защита]] аппаратов входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих [[Линия электропередачи|ЛЭП]]. |
||
* Нестабильность работы генератора. Из-за того что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят [[Асинхронная машина|асинхронные генераторы]], стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП. |
* Нестабильность работы генератора. Из-за того, что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят [[Асинхронная машина|асинхронные генераторы]], стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП. |
||
* [[Пожар]]ы. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветровых электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются [[Пожаротушение|системы пожаротушения]]. |
* [[Пожар]]ы. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветровых электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются [[Пожаротушение|системы пожаротушения]]. |
||
* Удары [[Молния|молний]]. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются [[Молниеотвод|молниеотводящие системы]]. |
* Удары [[Молния|молний]]. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются [[Молниеотвод|молниеотводящие системы]]. |
Версия от 13:43, 8 мая 2015
Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.
Ветрогенераторы можно разделить на три категории: промышленные, коммерческие и бытовые (для частного использования).
Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветровая электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 7,5 МВт (см. Enercon E-126)[1].
Мощность ветрогенератора зависит от мощности воздушного потока (), определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью ,
где: — скорость ветра, — плотность воздуха, — ометаемая площадь.
Типы ветрогенераторов
Существуют классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта.[2]
Существуют два основных типа ветротурбин:
- с вертикальной осью вращения («карусельные» — роторные (в том числе «ротор Савониуса»), «лопастные» ортогональные — ротор Дарье);
- с горизонтальной осью вращения (крыльчатые).
Преимущества и недостатки разных типов ВЭУ
Широкое использование горизонтально-осевых ВЭУ обусловлено их высокой эффективностью. Даже самый посредственный лопастной ветряк легко достигает коэффициента использования энергии ветрового потока (КИЭВ) в 30 %. А самый тщательно отлаженный роторный, в лучшем случае, — 20 %[3].
Устройство
ВЭУ состоит из:
- ветротурбины, установленной на мачте с растяжками и раскручиваемой ротором либо лопастями;
- электрогенератора;
полученная электроэнергия поступает в:
- Контроллер заряда аккумуляторов, подключенный к
- аккумуляторам (обычно необслуживаемые на 24 В)
- Инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключенный к электросети
- Промышленная ветровая установка
Состоит из:
- Фундамент
- Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления
- Башня
- Лестница
- Поворотный механизм
- Гондола
- Электрический генератор
- Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
- Тормозная система
- Трансмиссия
- Лопасти
- Система изменения угла атаки лопасти
- Обтекатель
- Система пожаротушения
- Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора
- Система молниезащиты
- Привод питча
Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов
Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7-10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветровой фермы может занимать год и более. Кроме того, для обоснования строительства ветроустановки или ветропарка необходимо проведение длительных (не менее года) исследований ветра в районе строительства. Эти мероприятия значительно увеличивают срок реализации ветроэнергетических проектов.
Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.
В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:
- Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.
- Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и ротор останется неподвижным.
- Отключение/поломка тормозной системы. При этом лопасть набирает слишком большую скорость и, как следствие, лопается.
- Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.
- Нестабильность работы генератора. Из-за того, что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.
- Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветровых электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.
- Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы.
Перспективные разработки
Норвежская компания StatoilHydro и немецкий концерн Siemens AG разработали плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в июне 2009 года[4][5]. Турбина под названием Hywind, разработанная[5] Siemens Renewable Energy, весит 5 300 тонн при высоте 65 метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой, неподалеку от юго-западного берега Норвегии. Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.
Компания Magenn разработала специальный аппарат с установленным на нём ветрогенератором, который сам поднимается на высоту 120—300 метров. Нет необходимости строить башню и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра от 1 м/с до 28 м/с. Аппарат может перемещаться в ветряные регионы или быстро устанавливаться в местах катастроф.
Компания Windrotor предлагает конструкцию ротора мощной турбины, позволяющую значительно увеличить его размеры и коэффициент использования энергии ветра. Предполагается, что эта конструкция станет новым поколением роторов ветровых турбин.[источник не указан 4312 дней]
В мае 2009 года в Германии компанией Advanced Tower Systems (ATS) был запущен в эксплуатацию первый ветрогенератор, установленный на гибридной башне. Нижняя часть башни высотой 76,5 метров построена из железобетона. Верхняя часть высотой 55 метров построена из стали. Общая высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет 180 метров. Увеличение высоты башни позволит увеличить выработку электроэнерии до 20 %[6].
В конце 2010 года испанские компании Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros и DIgSILENT Ibérica создали группу для совместной разработки ветрогенератора мощностью 15,0 МВт[7].
Евросоюз создал исследовательский проект UpWind для разработки офшорного ветрогенератора мощностью 20 МВт[8].
В 2013 году японская компания Mitsui Ocean Development & Engineering Company разработала гибридную установку: на единой плавающей в воде оси установлена ветровая турбина и турбина, работающая от приливной энергии[9].
Крупнейшие производители
Таблица 10 крупнейших производителей промышленных ветрогенераторов в 2010 году[10], МВт:
№ | Название | Страна | Объём производства, МВт. |
---|---|---|---|
1 | Vestas | Дания | 5 842 |
2 | Sinovel | Китай | 4 386 |
3 | GE Energy | США | 3 796 |
4 | Goldwind | Китай | 3 740 |
5 | Enercon | Германия | 2 846 |
6 | Suzlon Energy | Индия | 2 736 |
7 | Dongfang Electric | Китай | 2 624 |
8 | Gamesa | Испания | 2 587 |
9 | Siemens Wind | Германия | 2 325 |
10 | United Power | Китай | 1 600 |
В 2014 году суммарные мощности производителей турбин достигли 71 тысячи МВт[11].
Цены
Компания Bloomberg New Energy Finance производит расчёт ценового индекса ветрогенераторов (Wind Turbine Price Index). С 2008 года до 2010 года средние цены на ветрогенераторы снизились на 15 %. В 2008 году средняя цена ветрогенератора составляла 1,22 млн евро за 1 МВт мощности.
В августе 2010 года средняя цена одного МВт ветрогенератора составляла 1,04 млн евро[12].
Малые ветрогенераторы
К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветровой энергетике. Они применяются на яхтах, сельскохозяйственных фермах для водоснабжения и т. д.
Строение малой ветровой установки
- Ротор; лопасти; ветротурбина; хвост, ориентирующий ротор против ветра
- Генератор
- Мачта с растяжками
- Контроллер заряда аккумуляторов
- Аккумуляторы (обычно необслуживаемые на 24 В)
- Инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключенный к электросети
Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети.
Некоторые современные бытовые ИБП имеют модуль подключения источника постоянного тока специально для работы с солнечными батареями или ветрогенераторами. Таким образом, ветрогенератор может быть частью домашней системы электропитания, снижая потребление энергии от электросети.
Плюсы и минусы эксплуатации
В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину у основной массы производств на фоне других затрат[источник не указан 4845 дней]. Ключевым для потребителя остаётся надёжность и стабильность электроснабжения.
Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии для использования в промышленности, получаемой от ветрогенераторов, являются:
- Необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220 В 50 Гц (применяется инвертор, ранее для этой цели применялся умформер)
- Необходимость автономной работы в течение некоторого времени (применяются аккумуляторы);
- Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется дизель-генератор);
Считается, что применение малых автономных ветрогенераторов в быту малоцелесообразно из-за:
- Высокой стоимости аккумуляторных батарей: ~ 25 % стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети);
- Достаточно высокая стоимость инвертора (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в переменное напряжение стандарта бытовой электросети (220 В, 50 Гц);
- Для обеспечения надёжного электроснабжения к такой установке иногда добавляют дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой.
Однако, при наличии общей электросети и современного ИБП с двойным преобразованием эти факторы становятся неактуальными, также часто такие ИБП предусматривают возможность дополнения различными нестабильными источниками постоянного тока, такими как ветрогенератор или солнечная батарея.
Наиболее экономически целесообразным в настоящее время является получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью ТЭНов в тепло для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:
- Отопление является основным энергопотребителем любого дома.
- Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.
- Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле.
- В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
- Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности, температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широком диапазоне: 19-25 °С; в бойлерах горячего водоснабжения: 40-97 °С, без ущерба для потребителей.
Развитие
Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается, и за вполне умеренные деньги уже сейчас можно приобрести ветровую установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому. Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 м/с. Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором, а ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами (например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. При этом одно другому не мешает — источники будут дополнять друг друга).
Наиболее перспективными регионами для развития малой ветроэнергетики считаются регионы со стоимостью электроэнергии более $0,1 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии, производимой малыми ветрогенераторами в 2006 г. в США составляла $0,10-$0,11 за кВт·ч.
Американская ассоциация ветровой энергетики (AWEA) ожидает, что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до $0,07 за кВт·ч. По данным AWEA, в США в 2006 г. было продано 6807 малых ветровых турбин. Их суммарная мощность 17 543 кВт. Их суммарная стоимость $56 082 850 (примерно $3200 за кВт мощности). В остальном мире в 2006 г. были проданы 9502 малых турбины (без учёта США), их суммарная мощность 19 483 кВт.
Департамент Энергетики США (DoE) в конце 2007 года объявил о готовности финансирования особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.
AWEA прогнозирует, что к 2020 году суммарная мощность малой ветровой энергетики США вырастет до 50 тыс. МВт, что составит около 3 % от суммарных мощностей страны. Ветровые турбины будут установлены в 15 млн домах и на 1 млн малых предприятий. В отрасли малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем $1 млрд.
В России тенденция установки ветрогенераторов для оснащения домов электричеством только зарождается. На рынке присутствуют буквально несколько производителей маломощных бытовых ветрогенераторов именно для домашнего использования. Цены на ветрогенераторы мощностью 1 кВт с полной комплектацией начинаются от 35-40 тыс. рублей (на 2012 год). Сертификация на установку данного оборудования не требуется.
Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. |
См. также
Литература
Ссылки
- Токи ветров // «Вокруг света»
- Ветростанция в высотном здании // «Популярная механика»
- Журнал «Академия Энергетики»
- Программы ЕС и США по развитию ветроэнергетики
Примечания
- ↑ E-126 // enercon.de
- ↑ Виды ветрогенераторов . Дата обращения: 5 февраля 2013. Архивировано 11 февраля 2013 года.
- ↑ Имеются неподтверждённые научно слухи о достижении рекордного КИЭВ в 25 %, что весьма сомнительно
- ↑ В Норвегии запустят плавучую прибрежную ветровую турбину
- ↑ 1 2 Jorn Madslien. "Floating wind turbine launched". BBC NEWS. London: BBC. p. 5 June 2009. Дата обращения: 23 декабря 2024.
{{cite news}}
: Шаблон цитирования имеет пустые неизвестные параметры:|coauthors=
(справка) - ↑ New Tower Reaches High to Catch the Wind
- ↑ Spanish Companies Plan a 15-MW Wind Turbine December 1, 2010
- ↑ http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2012/07/wind-turbine-blades-push-size-limits?cmpid=rss Chris Webb Wind Turbine Blades Push Size Limits, 10.07.2012
- ↑ Hybrid Wind-Tidal Turbine To Be Installed off Japanese Coast Июль 12, 2013
- ↑ Tildy Bayar. World Wind Market: Record Installations, But Growth Rates Still Falling (англ.). renewableenergyworld.com (4 августа 2011). — 10 крупнейших поставщиков 2010 года по данным компании. Дата обращения: 28 мая 2013. Архивировано 28 мая 2013 года.
- ↑ http://www.windtech-international.com/industry-news/news/industry-news/global-wind-turbine-manufacturing-capacity-has-far-surpassed-demand Global wind turbine manufacturing capacity has far surpassed demand Published: 11 December 2014
- ↑ Stephen Lacey. Wind Turbine Prices Remain Low (англ.). renewableenergyworld.com (4 августа 2010). — По данным компании, цены ветряных турбин снизилась на 15% за последние два года. Дата обращения: 28 мая 2013. Архивировано 28 мая 2013 года.