Тема 1. Современные методы генерации энергии ветра

Тема 1. Современные методы генерации энергии ветра. Эффективность,
целесообразность (2 часа)
Энергия ветра - это косвенная форма солнечной энергии, являющаяся
следствием разности температур и давлений в атмосфере Земли. Около 2%
поступающей на Землю солнечной энергии превращается в энергию ветра. Ветер очень
большой
возобновляемый
источник
энергии.
Его
энергию
можно
использовать почти во всех районах Земли. Получение электроэнергии от
ветроэнергетических установок является чрезвычайно привлекательной, но вместе с
тем технически сложной задачей. Трудность заключается в очень большой
рассеянности энергии ветра и в его непостоянстве.
Принцип действия ветровых станций прост: ветер, действуя на лопасти
установки, вращает ротор, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор
вырабатывает
электрическую
энергию,
и,
таким
образом,
энергия
ветра
превращается в электрический ток.
Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) – устройство, которое превращает
энергию поступательного движения ветра в электрическую энергию.
Первая ветроэнергетическая установка (или, как иногда принято называть,
ветрогенератор) был сконструирован для зарядки аккумуляторных батарей в 1887 г.
Джеймсом Блитом (James Blyth) в Шотландии. Первая электроустановка в США
была построена на следующий год Чарльзом Бращем (Charles F Brush) в г.
Кливленде (Огайо), а в 1908 г. было смонтировано уже 72 ветроэнергетические
установки от 5 до 25 кВт.
Первая автоматическая ВЭУ в Кливленде была 18 м высотой, имела массу 3,6
тонны и приводила в движение 12-киловаттный генератор.
Термин "ветроэнергетическая установка" более точен в отношении этих
устройств, т.к. термины "ветряк", "ветрогенератор" означают фактически обратное
действие - генерацию ветра. ВЭУ же наоборот, за счет ветра генерирует
электроэнергию. Часто эти агрегаты называют "ветроэлектрическая установка",
"ветроустановка" или "ветрогенерирующая установка".
Порывистость ветра возрастает с увеличением его скорости. Порывы, то есть
скачкообразные усиления и ослабления ветра при средней его скорости 5-10 м/с в
среднем составляют 3 м/с, а при скорости 11-15 м/с возрастают до 5-7 м/с.
Скорость ветра измеряют в м/с, реже в км/ч и баллах. За направление ветра
принимают то, откуда дует ветер. Направление определяют в румбах (их 16) или
угловых градусах.
Для изучения повторяемости ветров различных направлений строят график,
называемый
розой
ветров,
который
позволяет
выявить
преобладающее
направление ветра в данном месте за определенный период (месяц, сезон, год).
Ветер
всегда
обладает
турбулентностью.
В
воздухе
возникают
многочисленные беспорядочно движущиеся вихри и струи разных размеров.
Отдельные количества воздуха, увлекаемые этими вихрями и струями, так
называемые элементы турбулентности, движутся по всем направлениям, в том числе
перпендикулярно к среднему направлению ветра и даже против него. Эти элементы
турбулентности имеют линейные размеры от нескольких сантиметров до десятков
метров. Таким образом, на общий перенос воздуха в определенном направлении и с
определенной скоростью налагается система хаотических, беспорядочных движений
отдельных элементов турбулентности по сложным переплетающимся траекториям.
Турбулентность возникает вследствие различия скоростей ветра в смежных слоях
воздуха. Особенно велика она в нижних слоях атмосферы, где скорость ветра
быстро растет с высотой. Но в развитии турбулентности принимает участие также и
архимедова (гидростатическая) сила. Отдельные количества воздуха, имеющие
более высокую температуру, поднимаются вверх, а более холодные объемы воздуха
опускаются вниз. Такое перемещение воздуха за счет различий температуры, а,
следовательно, и плотности, происходит тем интенсивнее, чем быстрее падает
температура с высотой. Поэтому различают динамическую турбулентность,
возникающую
независимо
от
температурных
условий,
и
термическую
турбулентность (или конвекцию), определяемую температурными условиями. В
действительности турбулентность всегда имеет комплексную природу, в которой
термический
фактор
играет
большую
или
меньшую
роль.
Турбулентность с преобладанием термических причин при определенных условиях
превращается в упорядоченную конвекцию. Вместо мелких хаотически движущихся
турбулентных вихрей, в ней начинают преобладать мощные восходящие движения
воздуха типа струй или токов с высокими скоростями, иногда свыше 20 м/с. Такие
мощные, восходящие токи воздуха называются термиками. Наряду с ними
наблюдаются и нисходящие движения, менее интенсивные, но захватывающие
большие площади.
Мощность – величина, показывающая, какая работа произведена в единицу
времени, или какая выработана энергия за то же время.
Т.о. выражение «мощность установки 3 киловатта» означает, что если такая
мощность вырабатывается ветроэнергетической установкой в течение 1 часа, то
потребитель получит 3 кВт-часа электроэнергии. А цену киловатт-часа знают все
люди, оплачивающие счета за энергию.
Мощность установки – величина условная. При выборе нельзя полагать, что
ветроустановка мощностью 3 кВт будет выдавать постоянно 3 киловатта.
Согласно стандартам разных стран мощность ветроэнергетических установок
определяется на скорости ветра 10.4, 11 или 11.2 метров в секунду, в зависимости от
страны.
Это
и
считается
номинальной
мощностью,
которая
сообщается
производителем установки покупателю.
Т.о. если скорость ветра ниже указанной величины, ветроустановка выдает
меньшую мощность. Например, 3 кВт ветроустановка при различных скоростях
ветра выдает следующую мощность по кубической зависимости табл.1.1:
Таблица 1.1.
Скорость ветра, м/сек
Скорость
вращения
ротора, об/мин
Мгновенная
мощность,
кВт
Суточная энергия, кВтчас
Месячная энергия, кВтчас
Годовая энергия, кВт-час
3
46
4
61
5
76
6
91
7
106
8
121
9
137
10
152
11
176
12
191
0,06 0,2
0,4
0,7
1,1
1,7
2,5
2,9
4,4
5,7
1,4
4,8
9,6
16,8
26,4
40,8
60
69,6
105,6
136,8
43
144
288
504
792
1224
1800
2088
3168
4104
518
1728 3456 6048 9504 14688 21600 25056 38016 49248
Мощность, выдаваемая ВЭУ-30 (30 кВт), будет примерно в 10 раз больше.
Мощность, выдаваемая ВЭУ-300, будет примерно в 100 раз больше и т.д.
Можно и на меньшей скорости ветра получить желаемую мощность, увеличив
габариты ветро-ротора (ветроколеса). Приведенная ниже таблица показывает, как
"растет" высота и диаметр ротора 3-кВт-ной ветроустановки при снижении скорости
ветра,
принимаемой
условно
за
"номинал",
т.е.
скорость,
на
которую
рассчитывается, или подбирается ветроустановка для данного региона табл. 1.2.
Таблица 1.2.
Номинальная скорость ветра, м/сек
Высота ротора, м
Диаметр ротора, м
Скорость вращения ротора, об/мин
3
26,4
22,4
5
4
17
14,5
15
5
12,2
10,4
25
6
9,3
7,9
40
7
7,4
6,3
50
8
6
5,1
75
9
5
4,3
100
10
4,4
3,7
130
11
3,8
3,2
160
12
3,3
2,8
180
Из таблицы видно, что чем ниже принята номинальная скорость ветра для 3кВт-ной ВЭУ, тем ниже скорость вращения ротора, а значит, для выработки
необходимой номинальной мощности должны быть больше габариты, что,
соответственно, влечет рост цен всех комплектующих и ветрогенератора в целом.
Например, для номинальной скорости ветра 5 м/с ветро-ротор 3-кВт-ной
ветроустановки должен иметь габариты фактически 30-кВт-ной.
При снижении номинальной скорости ветра встает проблема защиты
ветроустановки от ветро-перегрузки. Ведь если установка рассчитана на скорость
ветра 7 м/с, а реальный ветер составит 10 м/с, ветроустановка выдаст мощность,
серьезно превышающую номинальную, что приведет к выходу из строя
электрооборудования (инвертора и т.д.). Чтобы это не произошло, скорость можно
стабилизировать аэродинамическими тормозами или подобрать более мощное
электрооборудование.
Уменьшить габариты ветрогенератора при одной и той же номинальной
мощности, можно за счет применения редуктора (мультипликатора), который
увеличит скорость вращения ротора генератора (а значит и мощность) до
необходимой. При этом необходимо помнить, что у редуктора есть КПД. Например,
у шкиво-ременной передачи коэффициент полезного действия равен 85-90%. Т.е. за
счет него мощность упадет на 10-15%.
Мощность инвертора – величина, показывающая максимальную мощность,
которую может получить потребитель или более которой подавать на прибор
нельзя.
Энергоотдача ветроустановки – величина условная и разная для разных
регионов и людей.
Например, при среднегодовой скорости 6 м/сек ветроустановка 3 кВт выдает
700 Вт, или 0.7 кВт в час, или 16.8 кВт-часов в сутки, или 504 кВт-часов в месяц.
Что это такое?
Средняя семья потребляет 400 кВт-часов в месяц, или 13.3 кВт-часа в сутки,
или 0.56 кВт в час.
На первый взгляд кажется, что установка 3 кВт, выдавая 0.7 кВт, полностью
соответствует энергопотреблению семьи, которая потребляет даже меньше – 0.56
кВт. Однако это не совсем так. Ведь люди днем и ночью почти не тратят
электроэнергию (работает сигнализация, небольшие осветительные приборы,
слаботочная электроника, часы и т.п. на общую мощность 0.1 – 0.2 кВт). И
наоборот, утром и вечером энергопотребление достигает «пика» и может составить
10 кВт. Как быть? Ведь инвертор не выдержит перегрузки. Варианты решения:
- Бережное отношение к потреблению электроэнергии. Например, не надо
включать одновременно стиральную машину, микроволновую печь и пылесос,
чтобы потребление не превысило величины, которая указана в паспорте инвертора.
Подсчет количества подключаемых приборов может быть произведен на основании
данных их паспортов или руководств по эксплуатации.
- Покупка аккумуляторных батарей в количестве, необходимом для пикового
энергопитания. При этом потребуется покупка более мощного инвертора
,
которые предполагается использовать одновременно, согласно их паспортам.
- В случае нежелания экономить – покупка более мощной ветроустановки.
Надо иметь в виду, что в этом случае в течение дня и ночи электроэнергия будет
вырабатываться в избытке, который можно использовать в различных целях по
желанию владельца (например, освещение, полив, перекачка воды, охрана, а по
согласованию с местным представителем энергетической компании – закачивать
электроэнергию в местные электросети).
КПД (эффективность) ветроустановки - величина, показывающая, какую часть
энергии ветра использует установка.
Например, если энергия ветра изначально была 100%, а ветроустановка
использовала только 40%, потери в генераторе составили 15% (т.е. КДП генератора
составило 85%), потери в электронном регуляторе на тепло составили еще 15% (т.е.
85%), далее потери в проводах 5% и в инверторе 15%, то общий КПД системы
можно найти, перемножив все КПД всех приборов, участвующих в преобразовании
энергии ветра в электрическую.
В нашем случае это будет:
КПДвэу * КПДгенератора * КПДэл.рег. * КПДпровод. * КПДинверт. =
0.4 * 0.85 * 0.85 * 0.95* 0.85 = 0.23 (или 23%).
Это и есть количество электрической энергии, которое будет получено от
100% энергии ветра.
Нетрудно
догадаться,
что
чем
ниже
КПД,
тем
больших
размеров
ветроустановку нужно иметь, чтобы получить одно и то же количество
электроэнергии. И наоборот, чем КПД каждого прибора выше, тем меньше (а
значит, и дешевле) установку можно поставить для получения того же количества
энергии.
В
характеристиках
ВЭУ
обычно
указывают
мощность
на
выходе
ветроустановки (т.е. на выходе генератора или электронного регулятора). Данная
мощность характеризуется в свою очередь определенным напряжением постоянного
тока. Например, если указывается мощность ВЭУ 3 кВт, это означает, что на выходе
электронного регулятора ВЭУ будет действительно 3 кВт. Но до потребителя
мощность такая не дойдет! В приведенном выше типичном примере общий КПД
инвертора и проводов составил 0.85 * 0.95 = 0.8 (или 80%). Т.о. потребитель
получит 3 кВт * 0.8 = 2.4 кВт. Это всегда необходимо иметь в виду при подсчетах
количества требуемой электроэнергии.
Максимальный расчетный (теоретический) КПД ветро-ротора согласно
"пределу Лончестера-Бетца" (Lanchester-Betz limit) составляет 16/27 или 59.3%.
Реальный КПД горизонтально-осевых ветроустановок может составлять 2030% из-за необходимости ориентировки на ветер. Реальный КПД вертикальноосевых установок (типа Дарье) составляет 35% и более благодаря отсутствию
необходимости ориентировки на ветер.
Цена ветроустановки - совокупность цен комплектующих. Для каждого
потребителя комплектующие разные как по набору, так и по мощности. При
предложении "базового комплекта" необходимо уточнить, что входит в базовый
комплект. Комплектующие, необходимые для работы ВЭУ, как правило, включают
в себя ротор со ступицей, генератор, регулятор с выходом 24 или 48 постоянного
тока, инвертор 24 или 48В / 220В / 50Гц, аккумуляторные батареи в необходимом
для стабилизации напряжения количестве (2 шт для 24В, 4 шт для 48В и т.д.),
механический тормоз для стопорения установки, комплект проводов, шкаф для
хранения электрооборудования, молниеотвод (громоотвод). Однако "базовая
стоимость" может трактоваться и иначе, т.о. в любом случае необходимо уточнять
список комплектующих, входящих в нее.
Как правило, в цену не входит монтаж. Однако его стоимость является
существенной (до 10-20% от стоимости ВЭУ), т.к. включает бетонные работы,
монтаж на высоте с привлечением опытных квалифицированных монтажников, а
также другие работы, связанные с проведением электропроводки согласно
существующим ГОСТам и нормативам.
Окупаемость ветроустановки – величина очень условная и зависит от региона,
условий эксплуатации установки, и т.д.
Например, исходные данные следующие:

базовая стоимость установки мощностью 3 кВт с учетом монтажа составила
250 тыс. руб.

среднегодовая скорость ветра в регионе 6 м/сек (реальная средняя мощность
установки 0.7 кВт).

стоимость 1 кВт-часа местной энергетической компании составляет 2 руб.
Тогда, если ветроустановка выдает 0.7 кВт в час, или 16.8 кВт-часов в сутки,
или 6132 кВт-часов в год, что составляет экономию 6132 кВт-час х 2 руб = 12264
руб. в год.
Нетрудно подсчитать, что такая ветроустановка окупится за 250000 руб /
12264 руб = 20 лет.
А если же при таких же данных стоимость кВт-часа составляет 16 руб
(например, в труднодоступных районах, куда завозят дизельное топливо), тогда
окупаемость установки произойдет за 2.5 года. А если еще и ветер в этом месте
имеет среднегодовую скорость не 6, а хотя бы 7 м/сек, то нетрудно посчитать, что
установка окупится за 1.5 года.
Тем не менее, нельзя забывать, что ветроустановка требует периодического
технического обслуживания, что в труднодоступных регионах сложнее и, значит,
дороже. Данные затраты можно легко подсчитать, взяв цифры из таблицы цен.
Гарантийный
срок
службы
ветроустановки
–
время
работы
ветроэнергетической установки, в течение которого производитель гарантирует
работу установки и обязуется производить ремонт за свой счет, о чем владельцу
выдается соответствующее свидетельство. Как правило, этот срок составляет 1-3
года.
Срок службы ветроустановки – время работы ветроэнергетической установки,
в течение которого техобслуживание и ремонт производятся за счет владельца
установки. Как правило сроки службы малогабаритных ветроустановок превышают
20 лет.
Требования к расположению и метеорологическим условиям:
1. Выбор мест размещения ВЭУ должен производиться в районах с
благоприятными
ветровыми
условиями,
обеспечивающими
экономическую
целесообразность использования энергии ветра.
В районах со среднегодовыми скоростями ветра от 6 м/с и выше использование
энергии ветра становится выгодным для ВЭУ любого назначения в широком
диапазоне мощностей.
Проектирование ветроэнергетических систем для районов со среднегодовыми
скоростями ветра ниже 6 м/с требует дополнительного обоснования с расчетом
ожидаемой выработки энергии и ее сопоставления с данными потребности и
оценкой приемлемости полученных результатов по экономическим показателям для
конкретных потребителей.
2. Наиболее благоприятными местами считаются возвышенные и равнинные
участки, места, близкие к морским побережьям, долинам больших рек и водоемов.
Следует избегать мест с вогнутой формой рельефа, а также мест вблизи леса,
жилых
домов
и
производственных
объектов,
которые
могут
помешать
беспрепятственному подходу воздушных масс к ветроустановке.
При этом необходимо обратить особое внимание на исключение помех на пути
ветра в направлениях, несущих преобладающую часть энергии.
3. Проект должен предусматривать размещение ВЭУ на огражденной
территории, недоступной для посторонних лиц. В противном случае должно быть
предусмотрено возведение ограждения вокруг ветроагрегата, причем входная дверь
ограждения должна быть закрыта на замок, и на ней, а также на башне ветроагрегата
должны быть установлены предупреждающие плакаты техники безопасности.
4. Ветроустановка должна быть удалена от жилых помещений, лечебных
учреждений, школ и домов отдыха на расстояние, обеспечивающее снижение
уровня шума, создаваемого работающей ВЭУ, до уровня 45 дБ.
5. Место для сооружения ветроустановок должно находиться вне отведенной
территории расположения железных дорог и автомобильных трасс, линий
электропередач, магистральных газопроводов, кабельных и водопроводных трасс.
6. Ветроустановки не должны устанавливаться на пути основных трасс
перелетных птиц, а также размещаться вблизи их массовых гнездовий.