Л.В. Мельникова - Ветроэнергетика

Аннотация

Л.В. Мельникова Ветроэнергетика– обзор и перспективы Обзор посвященных ветроэнергетике материалов III Международной научно-практичной конференции «Современные технологии энергопотребления. Обновляемые источники энергии», Львов, 2009.

Общая постановка проблемы

Одним из видов возобновляемых источников электрической энергии является энергия ветра. При этом сама энергия ветра по своему происхождению вторична, так как первичной является солнце. Оно нагревает воздух в разных районах неодинаково, из-за чего возникает перепад давления и воздушные массы начинают перемещаться. Таким образом, тепловая энергия солнца превраща-ется в кинетическую энергию ветра, которая в ветроэнергетических установках (ВЭУ) уже создает электрическую.

Общий ветровой энергетический потенциал континентов нашей планеты, который гипотетически можно когда-либо реализовать (не выходя за рамки разумного), составляет 40 ТВт (1ТВт = 10^6 МВт), что в четыре раза больше потребляемой человечеством сегодня. Для Украины этот показатель равен 300 МВт [1]. Перспективными с точки зрения ветроэнергетики зонами на Украине счи-таются территории, прилегающие к Черному и Азовскому морям, а также районы Карпат и Закарпатья. Кроме того, наблюдаются участки повышенного ветрового потенциала в Донбасском регионе и в Днепропетровской области. Ввод в эксплуатацию ветроэлектростанций (ВЭС) на всех этих территориях сможет обеспечить покрытие около 30 % потребностей Украины [3] в электроэнергии.

Обычно для характеристики эффективности ВЭУ применяют коэффициент используемой мощности. В целом по Украине он составляет 15–18 %. Это означает, что если номинальная мощность ВЭУ равна 100 кВт,то реальная «средняя» мощность не превышает 18 кВт.

Можно выделить следующие конструктивные элементы, являющиеся общими для всех ВЭУ:

ротор, с помощью которого отбирается часть энергии воздушного потока, он определяет эффективность работы всей ВЭУ;
опора, удерживающая ротор на высоте, где скорость воздушного потока больше;
устройство, вырабатывающие электроэнергию (генератор), аккумуляторы и преобразователи энергии;
предохранительный механизм, защищающий генератор от воздействия слишком больших скоростей ветра.

Рисунок 1 – Роторы с горизонтальной осью и с вертикальной осью вращения

Различают два распространенных класса роторов: роторы с горизонтальной осью и с вертикальной . Крыльчатые ВЭУ с горизонтальной осью вращения – самый распространенный тип ветряков. Их наибольшая эффективность достигается,когда ветровой поток перпендикулярен к плоскости лопастей. Роторы с горизонтальной осью бывают лопастного (пропеллерно-го) и концентрирующего типов. Все совре-менные ВЭС (рис.2) снабжаются 2-х и 3-х-лопастными роторами, причем последние предпочтительней при небольших скоростях ветра. Недостатком такого типа роторов является зависимость эффективности работы от направления ветра.

Роторы с вертикальной осью улиточного (ковшевого) и цепного типов. Примером первого может служить S–образный ротор, состоящий из двух цилиндров (рис.2). Огромное преимущество такого ротора в том, что нет необходимости ориентировать его навстречу ветру – он работают при любом его направлении, но наиболее эффективен – при порывистом. Недостатком является более низкий, чем у лопастного типа, коэффициент используемой мощности. Роторы цепного типа (системы Дарье) совмещают преимущества лопастных и S – образных роторов (рис.3). Обладая гибкостью, они легко принимают форму, соответствующую характеру ветра, т. е. естественным образом уравновешивают прикладываемые усилия. У этого типа ротора множество преимуществ: простота конструкции, способность воспринимать ветер любого направления, высокий коэффициент используемой мощности, равный 0,65. Единственный недостаток – он нуждается в двигателе для раскручивания в начальный момент.

Рисунок 2 – Роторы цепного типа и 2-х и 3-х-лопастными роторами

В систему энергообеспечения на базе ВЭУ (рис.3) входит помимо самой ВЭУ, которая вырабатывает «грубую» электроэнергию с нестабильными параметрами, зависящими от скорости ветра, аккумуляторная батарея (АБ), согласующая графики выработки и потребления энергии[4]. Контроллер заряда защищает АБ от перезаряда, ограничивая зарядный ток и напряжение.

Рисунок 3 – Система энергообеспечения на базе ВЭУ

Инвертор – преобразует постоянное на-пряжение в переменное 220В, а зарядное устройство при необходимости заряжает АБ от внешней сети. Сетевая автоматика следит за состоянием сети и по заданному алгоритму подключает нагрузку к сети либо к инвертору.

Основные характеристики системы энергообеспечения также зависят от параметров ее компонентов. Так, мощность подключаемой нагрузки определяется номинальной мощностью инвертора. Многие потребители могут кратковременно потреблять мощность, значительно превосходящую номинальную. Поэтому для стабильной работы системы рекомендуется применять инвертор с номинальной мощностью на 30–50 % больше суммарной мощности подключенных потребителей. Выработка электроэнергии для надежного обеспечения ею автономных объектов должна быть больше потребления энергии всеми потребителями. Время работы за счет накопленной энергии (без выработки её источниками) определяется соотношением емкости АБ и мощности нагрузки.

За четверть века развития ветроэнергетика стала неотъемлемой частью энергосистем во многих странах мира: США, Германии, Дании, Индии, Испании, Китае и т.д. По данным института мировых исследований, темпы прироста в ветроэнергетике на протяжении последних 10 лет составили 22%, что на порядок превышает темпы роста в традиционных областях энергетики. По этому показателю Украина среди всех стран Европы занимает 13 место [1].

Инициатором и лидером работ по созда-нию и внедрению ВЭУ в систему топливно-энергетического комплекса выступило Государственное конструкторское бюро «Южное», которое в 1989 г. приступило к разработке ветроагрегата мощностью 250 кВт, а начиная с 1991г., в кооперации с предприятиями и организациями Украины проводит работы по созданию современных ветроагрегатов различных классов [3]. Однако реально в Украине активно используются в основном зарубежные установки – их доля в ветровом потенциале страны на порядок выше отечественных.

Кроме промышленных ВЭС, в Украине существует значительная потребность в малых и микроветроагрегатах мощностью от 300 Вт до 50 кВт для индивидуального автономного использования.

Например, в небольшом фермерском хозяйстве рентабельно использовать автономный до 15 кВт ветроэнергетический агрегат [4]. Небольшое хозяйство потребляет за год 3000 кВтч электроэнергии. Если оно при этом отапливается электроэнергией, то потребление ее возрастает до 20 тыс. кВтч. Именно ветроагрегат мощностью 10 кВт при работе на протяжении года в течение 2000 ч. вырабатывает те же 20 тыс. кВтч электроэнергии при средней скорости ветра 4-6 м/с. Такая установка окупается за 3–4 года с уче-том постоянного повышения цен на экспортируемые энергоносители.

Исходя из сегодняшних темпов развития этой отрасли энергетики, можно предположить, что Украина через одно- два десятилетия сможет полностью реализовать свой ветроэнергетический потенциал и тем самым сделать шаг к энергетической независимости.

Список использованной литературы

1. Щербина О. Енергія для всіх: [технічний довідник з енергоощадності та відновних джерел енергії] / Олександр Миколайович Щербина.– Ужгород: Вид-во В.Падяка, 2007. – 340 с.
2. Даковскі М. Про енергетику для споживачив та скептиків / М. Даковскі, С. Вянцковскі: - Львів: ЕКОінформ, 2007. – 212 с.
3. Сімон У. Усе про вітер, або важливість вітровимірювальної кампанії / Уте Сімон // Зелена енергетика. – 2008.– № 4. – С.12-13

Ветроэнергетика–обзор и перспективы

Аннотация

Общая постановка проблемы

Список использованной литературы