Види ВІТРОУСТАНОВОК ТА їх характеристика

Сучасні вітроенергетичні установки - це складний автоматизований електромеханічний комплекс перетворення енергії вітру в електричну енергію. Головні елементи вітроагрегата - ротор (лопаті), генератор, коробка передач, башта, система регулювання режимами роботи тощо.

Існують дві принципово різні конструкції вітроустановок: з горизонтальною та вертикальною віссю обертання (їх конструктивні види подано на рисунку 4.3.2).

Рисунок 4.3 .2 - Типи вітроустановок: а - вітроколесо з горизонтальною віссю; б - вітроколесо з вертикальною віссю 1- о дно лопатеве колесо; 2 - дволопатеве; 3 - трилопатеве; 4 - багато лопатеве; 5 - ротор Савоніуса; 6 - ротор Дар’є; 7 - ротор Еванса

Горизонтальні ВЕУ середньої потужності і мегаватного класу мають швидкохідне колесо у більшості випадків з 2-3 лопатями. Установки досягають максимальної потужності при значних обертах вітроколеса і тому використовуються для приводу електрогенератора, якому необхідна висока частота обертання.

ВЕУ зі значно більшою кількістю лопатів розвивають значну потужність при відносно слабкому вітрі, і максимум потужності досягається при невеликих обертах колеса. Такі установки раціонально використовувати як привод водяних насосів.

Конструктивну схему вітроустановки з горизонтальною віссю показано на рисунку 4.3.3.

Рисунок 4.3 .3 - Конструктивна схема ВЕУ з горизонтальною віссю

обертання:

1 - робоча лопать; 2 - трансмісія; 3 - віндроза; 4 - башта;

5 - вал відбирання потужності; 6 - електрогенератор

Основними елементами вітроенергетичної установки є вітроприймальний пристрій (лопаті), редуктор передачі крутильного моменту до електрогенератора, електрогенератор і башта. Вітроприймальний пристрій разом з редуктором передачі крутильного моменту утворює вітродвигун. Завдяки спеціальній конфігурації вітроприймального пристрою в повітряному потоці виникають несиметричні сили, що створюють крутильний момент.

Оскільки вітер може змінювати свою силу та напрямок, вітрові установки обладнуються спеціальними пристроями контролю та безпеки. Ці пристрої складаються з механізмів розвертання осі обертання за вітром (віндроза), нахилу лопатів відносно землі при критичній швидкості вітру, системи автоматичного контролю потужності й аварійного відключення для установок великої потужності.

Вітроенергетичні установки з вертикальною віссю обертання мають перевагу перед установками з горизонтальною віссю, яка полягає насамперед у тому, що зникає необхідність у пристроях для орієнтації на вітер, спрощується конструкція та знижуються гіроскопічні навантаження, які зумовлюють додаткову напругу в лопатях, системі передач та інших елементах установки, можливість встановлення редуктора з генераторами в основі башти.

Конструктивну схему вітроустановки з ротором Дар є зображено на рисунку 4.3.4.

Рисунок 4.3 .4 - Конструктивна схема ВЕУ з вертикальною віссю обертання: 1 - стартер (ротор Савоніуса); 2 - вал; 3 - електрогенератор; 4 - гальмівний пристрій; 5 - робоча лопать; 6 - розтяжки; 7 - рама; 8 - перетворювач напруги; 9 - акумулятор

До найбільш розповсюджених типів вертикально-осьових установок належить ротор Дар’є. В ньому обертальний момент утворюється підйомною силою, що виникає в лопатях, які мають аеродинамічний профіль. Ротор Дар є розкручуватися самостійно не може, тому для його запуску використовується генератор, який працює в режимі двигуна, або стартер, який має назву ротора Савоніуса. Ротор Савоніуса обертається силою опору, обертаючий момент виникає завдяки різному опору, що створюється повітряним потоком увігнутої і вигнутої лопатей ротора.

Різновидом вітроустановок із вертикальною віссю є так звана вітрова гребля, де сконцентрований повітряний потік спрямовується на установку за допомогою напрямлювачів у вигляді лісосмуг, штучних перегородок у вигляді панелей, надувних конструкцій, солом’яних блоків тощо. Схему вітрової греблі показано на рисунку

4.3.5.

Віїровнн ]

Рисунок 4.3.5 — Вітрова гребля

У США розроблено принципово новий тип вітрової електростанції (рисунок 4.3.6), який дозволяє значно збільшити установлену потужність агрегата [3]. Установка представляє собою циліндричну башту, у середині якої існують стулки, що відкриті з навітреної сторони. Через ці стулки повітря потрапляє в башту в тангенційному напрямі, обтікає циліндричні стінки башти, в яких закриті жалюзі, і, набуваючи колового спірального руху, завихрюється. При такому русі повітря вгору його колова швидкість збільшується внаслідок зменшення радіуса обертання.

Рисунок 4.3 .6 - Вихровий вітродвигун 1 - вітровий потік на башту; 2 - вітровий потік зверху башти; 3 - розтяжка;

4 - зона зниженого тиску - “стержень”; 5 - вітрова турбіна;

6 - маховик і муфта; 7 - повітря, яке засмоктується В результаті у середині башти створюється вихор, а в центрі його - зона зниженого тиску - “стержень”. Башта має конусну основу з прорізами на бокових стінках, через які зовнішнє повітря під дією надлишкового тиску спрямовується в основу “стержня” і, переміщуючись вгору, обертає лопаті повітряної турбіни і вал генератора.

Така установка може виробляти електричну енергію при слабкому вітру і навіть при його відсутності. В останньому випадку необхідно мати перепад температур між основою і верхньою частиною башти не менше 10 °С, для чого можна використати, наприклад, теплові вторинні енергетичні ресурси.

Існують пропозиції щодо створення вітроенергетичних установок на аеростатах, піднятих на висоту до декількох кілометрів; утримання аеростатів буде відбуватися за допомогою троса-кабеля.

Термін окупності вітроенергетичної установки залежно від місцевості, забезпеченості комунікаціями, потужності установки тощо становить від 3 до 8 років.

Залежно від потужності генератора вітроустановки поділяються на класи, їхні параметри та призначення наведено в таблиці 4.3.3 [1].

Клас установки	Потужність, кВт	Діаметр колеса, м	Кількість лопатей	Призначен ня
Малої потужності	до 100 включно	3-10	3-2	Зарядженн я акумулято рів, насоси, побутові потреби
Середньої потужності	більше 100 до 1000 включно	25-44	3-2	Енергетика
Великої потужності	більше 1000	>45	2	Енергетика

В сільському господарстві більшості країн для поливу і водозабезпечення тваринницьких дворів використовуються поршневі насоси. Схему принципу дії такого насоса показано на рисунку 4.3.7, поршень насоса приводиться в рух вітроагрегатом із перетворенням його обертального руху в повторно-поступальний рух поршня.

На теперішній час розроблено і використовується значна кількість схем перетворення енергії вітру в електричну енергію постійної чи змінної напруги або для виконання механічної роботи.

Можливі технологічні схеми ефективного отримання електричної енергії за рахунок енергії вітру для автономної і мережної роботи ВЕУ подано на рисунку 4.3.8 [4].

Вихій постійного струму

Вітер

Мережа

Постійний струн

Синхронний генератор

Змінно частота обертання

Навантаження

Постійна частота обертання

Мережа

Асинхронний генератор

Навантаження

Змінна частота обертання Вітер

Частота обертання, яка наближена

На управління генераторної системи f—

Мережа

Генераторна система змінного струму постіСної частоти при змінній частоті обертання привоЗу

Навантаження

Змінна частота обертання

Змінно частота обертання

Генератор		ПалиВний	Вітер _
постійного		нагрібач
або змінного		і теплоВий	__
струму	акумулятор	—►

Г енершшзр постійного струму

Акумуляторна батарея

Вітеї

Постійний струм або змінний струм змінної частоти

0о постійної

Генератор	струм змінної частоти т	Випрямляч	Вітер f
змінного струму		— 1

Змінний

Постійний струм

h

Інвертор

Вихід змінного струму постійної частоти

а) б)

Рисунок 4.3 .8 - Схеми генерування і використання електричної енергії при автономній (а) і мережній (б) роботі ВЕУ Генерування постійного струму відбувається нині практично тільки на малих ВЕУ потужністю не більше 1-10 кВт. В цьому випадку немає потреби в постійній частоті обертання вітрового двигуна і, як правило, використовуються акумуляторні батареї.

Для акумулювання енергії у вигляді теплоти з використанням її для опалення приміщень можуть використовуватися ВЕУ змінної напруги зі змінною частотою або ВЕУ постійної напруги (рисунок 4.3.8 а), при цьому частота обертання вітрового двигуна не обов’язково повинна бути постійною. Використання випрямляючих пристроїв дає можливість отримати постійну напругу, яка може використовуватися безпосередньо або після інвертування в змінну напругу постійної частоти.

ВЕУ середньої і великої потужності, як правило, працюють на електричну мережу (рисунок 4.3.8 б). При використанні синхронного генератора він знаходиться в синхронізмі з мережею в широкому діапазоні потужностей, що розвиваються вітровим двигуном. До недоліків такої схеми відносять те, що за визначених вітрових умов синхронна машина може переходити в режим двигуна і споживати
енергію з мережі, а при різких поривах вітру з являється ймовірність її випадання з синхронізму.

Використання асинхронного генератора як перетворювача значно перспективне завдяки простоті конструкції, високій надійності в роботі, простоті схем ввімкнення на паралельну роботу з мережею, можливості використання як генераторів звичайних асинхронних двигунів. До недоліків схеми можна віднести те, що при одному і тому ж вітровому режимі асинхронний генератор виробляє менше енергії, ніж синхронний.

Для синхронізму з мережею можливо також використовувати колекторний генератор змінного струму, асинхронний генератор із живленням ротора, асинхронний генератор із вентильним збудженням тощо, при цьому кожна схема має свої переваги й недоліки.