Interested Article - Ветрогенератор
![](/images/007/980/7980001/1.jpg?rand=202959)
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/a7cf8b1676a33f2d7b907899a3a94169.gif)
- 2021-09-23
- 1
![](/images/007/980/7980001/1.jpg?rand=231788)
![](/images/007/980/7980001/2.jpg?rand=775041)
![](/images/007/980/7980001/3.jpg?rand=607770)
Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ, ветряк) — 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 . Раньше считалось, что они полностью экологичны, чем отличаются от традиционных. Однако лопасти ветрогенератора сделаны из полимерного композита , вторичное использование и переработка которого невыгодны с точки зрения расходов. Сейчас вопрос о переработке лопастей является открытым.
Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 8 МВт.
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 .
Существуют два основных типа ветротурбин:
- с вертикальной осью вращения («карусельные» — роторные (в том числе «ротор Савониуса», точнее «ротор Братьев Ворониных» В начале октября 1924 года русские изобретатели братья Я. А. и А. А. Воронины получили советский патент на поперечную роторную турбину, в следующем году финский промышленник Сигурд Савониус организовал массовое производство подобных турбин. За ним и осталась "слава" изобретателя этой новинки), «лопастные» ортогональные — ротор Дарье );
- с горизонтальной осью круглого вращения ( крыльчатые ). Они бывают быстроходными с малым числом лопастей и тихоходными многолопастными, с КПД до 40% .
Также существуют барабанные и роторные ветротурбины .
Ветрогенераторы, как правило, используют три лопасти для достижения компромисса между величиной крутящего момента (возрастает с ростом числа лопастей) и скоростью вращения (понижается с ростом числа лопастей) .
Преимущества и недостатки разных типов ВЭУ
Закон Беца предсказывает, что коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок ограничен константой 0,593. К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0,4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0,38. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0,4-0,45 - вполне реальная задача. Таким образом коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки .
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 на 24 В)
- Инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключенный к электросети
- Промышленная ветровая установка
![](/images/007/980/7980001/9.jpg?rand=262675)
Состоит из следующих деталей:
- 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 (как правило, три, поскольку роторы с двумя лопастями подвергаются большим нагрузкам в момент, когда пара лопастей вертикальна, а больше трёх лопастей создают избыточное сопротивление воздуха)
- Система изменения угла атаки лопасти
- Обтекатель
- Система пожаротушения
- Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора
- Система молниезащиты
- Привод питча
- Маломощная модель ветряного генератора
Состоит из следующих деталей:
- Небольшой электродвигатель постоянного тока (3-12 В) (используемый как генератор)
- Кремниевый выпрямительный диод
- Электролитический конденсатор (1000 мкФ 6 В)
Эффективность
Закон сохранения массы требует, чтобы количество воздуха, входящего и выходящего из турбины, было одинаковым. Соответственно, закон Беца дает максимально достижимое извлечение энергии ветра ветряной турбиной как 16/27 (59,3%) скорости, с которой кинетическая энергия воздуха достигает турбины .
Таким образом, максимальная теоретическая выходная мощность ветряной машины равна 16/27 кинетической энергии воздуха, который достигает эффективной площади диска машины за единицу времени. При эффективной площади диска и скорости ветра максимальная теоретическая выходная мощность равна
- ,
где ρ — плотность воздуха .
Трение лопастей о воздух и лобовое сопротивление являются главными факторами, определяющими эффективность передачи энергии от ветра к ротору и, следовательно, стоимость энергии, вырабатываемой ветрогенератором . Среди других факторов снижения эффективности — потери в редукторе , в генераторе и преобразователе. По данным на 2001 год турбины, подключенные к коммерческим коммунальным предприятиям, при номинальной рабочей скорости выдавали от 75% до 80% предельной мощности, определяемой по закону Беца .
Эффективность может немного снизиться со временем из-за пыли, дефектов поверхности лопастей и налипших насекомых, которые снижают подъемную силу лопасти. Анализ 3128 ветряных турбин старше 10 лет в Дании показал, что КПД половины турбин не снизился, а у другой половины снижался в среднем на 1,2% в год .
В целом, более стабильные и постоянные погодные условия (особенно скорость ветра) приводят к повышению эффективности в среднем на 15% по сравнению с неустойчивой погодой .
Было обнаружено, что различные материалы по-разному влияют на эффективность ветряных турбин. В эксперименте Университета Эге были сконструированы три трёхлопастные ветряные турбины диаметром 1 м с разным материалом лопастей: стекловолокно и углеродное волокно с эпоксидным связующим, углеродное волокно, стекло-полистирол. Испытания показали, что материалы с более высокой общей массой имеют больший момент трения и, следовательно, более низкий коэффициент мощности .
Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов
![](/images/007/980/7980001/13.jpg?rand=592239)
![](/images/007/980/7980001/14.jpg?rand=543682)
![](/images/007/980/7980001/15.jpg?rand=24739)
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, ломается.
- 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 .
- Шум и вибрация.
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 . Турбина под названием Hywind, разработанная Siemens Renewable Energy, весит 5 300 тонн при высоте 65 метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой, неподалёку 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 вращающийся от ветра аэростат с установленным на нём генератором, 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.
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 % .
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 .
Евросоюз создал исследовательский проект "UpWind" для разработки офшорного ветрогенератора мощностью 20 МВт .
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 .
Самая мощная ветряная турбина в мире — 14-222 DD компании Siemens Gamesa (длина её лопасти достигает 108 м, а диаметр — 222 м), рекордсмен по максимальной выработке электроэнергии за сутки: 359 мегаватт-часов; 60 таких турбин будут установлены на ветряной электростанции в заливе Мори-Ферт в Шотландии .
Крупнейшие производители
Таблица 10 крупнейших производителей промышленных ветрогенераторов в 2010 году , МВт:
№ | Название | Страна | Объём производства, МВт. |
---|---|---|---|
1 | Vestas |
![]() |
5 842 |
2 | Sinovel |
![]() |
4 386 |
3 | GE Energy |
![]() |
3 796 |
4 | Goldwind |
![]() |
3 740 |
5 | Enercon |
![]() |
2 846 |
6 | Suzlon Energy |
![]() |
2 736 |
7 | Dongfang Electric |
![]() |
2 624 |
8 | Gamesa |
![]() |
2 587 |
9 | Siemens Wind |
![]() |
2 325 |
10 | United Power |
![]() |
1 600 |
В 2014 году суммарные мощности производителей турбин достигли 71 ГВт .
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 .
В 2021 стоимость выросла до 4 млн евро (Германия, строительство возле города Флёте).
Малые ветрогенераторы
![](/images/007/980/7980001/27.jpg?rand=910398)
![](/images/007/980/7980001/28.jpg?rand=141397)
![](/images/007/980/7980001/29.jpg?rand=229050)
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
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 высокой стоимости инвертора (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в переменное напряжение стандарта бытовой электросети (220 В, 50 Гц).
- нередкой необходимости добавлять к нему 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 тепловых насосов в тепло для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:
- Отопление является основным энергопотребителем практически любого дома в России.
- 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
![](/images/007/980/7980001/30.jpg?rand=520273)
![](/images/007/980/7980001/31.jpg?rand=983061)
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.
(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 домов 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.
В течение последних 3–5 лет в России было построено несколько крупных ветряных электростанций, и общая мощность этих станций к началу 2022 года превысила два гигаватта. В настоящее время это количество составляет 1% от всей энергетической мощности страны, и они способны произвести примерно 0,5% всей требуемой электроэнергии. Несмотря на то что ветры на большей части нашей страны несколько слабее, чем, например, на западноевропейской территории, которая выходит к Атлантическому океану, в России есть места с хорошими ветровыми условиями, такие как морские побережья, степные и предгорные области .
См. также
Примечания
- . Дата обращения: 5 февраля 2013. 11 февраля 2013 года.
- ↑ Билимович Б. Ф. Законы механики в технике. — М.: Просвещение, 1975. — Тираж 80000 экз. — С. 173.
- Почему у ветрогенераторов три лопасти, а не две или четыре? // Популярная механика . — 2018. — № 5 . — С. 16 .
- . Дата обращения: 20 сентября 2017. 21 сентября 2017 года.
- Брага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 131 — ISBN 5-477-00749-4 .
- . Дата обращения: 6 ноября 2013. 9 сентября 2013 года.
- . . Дата обращения: 23 апреля 2016. Архивировано из 9 мая 2019 года.
- . 16 мая 2011 года.
- Tony Burton. / Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins … [ и др. ] . — John Wiley & Sons, 2001-12-12. — P. 65. — ISBN 978-0-471-48997-9 . . Дата обращения: 23 июня 2021. Архивировано 24 июня 2021 года.
- Sanne Wittrup (2013-11-01). [11 years of wind data shows surprising production decrease]. (датск.) . из оригинала 25 октября 2018 . Дата обращения: 23 июня 2021 .
- Han, Xingxing; Liu, Deyou; Xu, Chang; Shen, Wen Zhong (2018). "Atmospheric stability and topography effects on wind turbine performance and wake properties in complex terrain". Renewable Energy . Elsevier BV. 126 : 640—651. doi : . ISSN .
- Ozdamar, G. (2018). . Acta Physica Polonica A . 134 (1): 156—158. Bibcode : . doi : .
- Файзуллин И.И. // Оренбургский государственный университет. — 2014. 23 января 2022 года.
- . Дата обращения: 9 сентября 2009. Архивировано из 16 сентября 2009 года.
- ↑ Jorn Madslien. . BBC NEWS . London: BBC. p. 5 June 2009. из оригинала 26 января 2022 . Дата обращения: 4 февраля 2024 .
- // December 1, 2010
- Chris Webb . // renewableenergyworld.com, 10.07.2012 / от 18 июня 2013 на Wayback Machine
- . Дата обращения: 18 июля 2013. 22 декабря 2014 года.
- от 16 ноября 2022 на Wayback Machine // Epoch Times Russia, 15.10.2022
- Tildy Bayar. (англ.) . Renewable Energy World (4 августа 2011). — 10 крупнейших поставщиков 2010 года по данным компании. Дата обращения: 28 мая 2013. 28 мая 2013 года.
- от 13 декабря 2014 на Wayback Machine Global wind turbine manufacturing capacity has far surpassed demand Published: 11 December 2014
- Stephen Lacey. (англ.) . renewableenergyworld.com (4 августа 2010). — По данным компании, цены ветряных турбин снизилась на 15% за последние два года. Дата обращения: 28 мая 2013. 28 мая 2013 года.
- Кирилл Дегтярев. . Энергия+ (5 августа 2022).
Литература
- Современные ветродвигатели = Modern wind-engines: теория и расчет. — Петрозаводск, 1935. — 94 с.: ил.
- Е. М. Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. — М. : Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1948. — 544 с. — 15 000 экз.
- В. Н. Андрианов , Д. Н. Быстрицкий , К. П. Вашкевич , В. Р. Секторов. глава 2. Ветродвигатели, глава 3. Ветроустановки постоянного тока // Ветроэлектрические станции / под редакцией В. Н. Андрианова. — М., Л.: Государственное энергетическое издательство, 1960. — 320 с. — 2000 экз.
- Валерий Чумаков. (рус.) // Вокруг света : журнал. — 2008. — Август ( № 8 (2815) ). — С. . — ISSN .
- // « Популярная механика »
- Ю.В. Кожухов, А.А. Лебедев, А.М. Данилишин, Э.В. Давлетгареев. (рус.) // : журнал. — 2016. — № 7 (107) . — С. 81—87 . 20 декабря 2016 года.
Ссылки
![](https://cdn.wafarin.com/avatars/a7cf8b1676a33f2d7b907899a3a94169.gif)
- 2021-09-23
- 1