Многомодульные ветроэнергетические установки в системах гарантированного электроснабжения

Многомодульные ветроэнергетические установки в системах гарантированного электроснабжения

В последние 10–15 лет для электроснабжения объектов сельскохозяйственного назначения, частных жилых комплексов, малых промышленных предприятий с установленными мощностями от 500 Вт до 5 кВт все чаще используются ветроэнергетические установки (ВЭУ).

Наибольшей популярностью сегодня пользуются горизонтально-осевые ВЭУ. Они хорошо ориентируются на ветер, имеют высокий коэффициент преобразования энергии, достигающий 0,5–0,53, и сравнительно малые удельно-массовые характеристики.

К их недостаткам следует отнести повышенный шум (45–65 дБ (А)), который особенно заметен при регулировании частоты вращения, необходимость применения токосъемников или устройства раскручивания кабеля, обеспечивающего переход от горизонтально расположенного генератора на вертикальную мачту. Во время ориентации ветроколеса на ветер выработка энергии снижается, а в ряде случаев, например, при постоянно меняющемся направлении ветра, применение горизонтально-осевых ВЭУ невозможно.

Для того чтобы повысить выработку электрической мощности, необходима установка дополнительных ВЭУ, что ведет к увеличению площади земель, отчуждаемых под ветропарк.

В последние годы повысился интерес к вертикально-осевым установкам типа «Н Дарье». Это вызвано тем, что они мало шумят, не требуют ориентации на ветер, у них отсутствует токосъемник. Впрочем, у этих установок немало и недостатков: они плохо пускаются, часто выходят из строя из-за деформации консольно закрепленной оси вращения или поломки лопастей в результате действия знакопеременных нагрузок. Кроме того, эти ВЭУ имеют сравнительно низкий коэффициент преобразования энергии ветра — 0,25–0,4.

И хотя проблема запуска сравнительно легко решается за счет применения пускового колеса Савониуса (что, безусловно, усложняет конструкцию), поломок лопастей и осей вращения избежать не получится.

Рис. 1. ВЭУ модульного типа с реактивными лопатками

В связи с этим предлагается модульная конструкция ВЭУ, состоящей из статора и ротора, имеющего двухточечную опору вала, на котором закреплены реактивные или активные лопатки. Этот же вал соединяется с многополюсным магнитоэлектрическим генератором.

Ротор может иметь лопатки простой дугообразной формы в виде сегмента цилиндра — так называемые реактивные лопатки. В этом случае вращение ротора будет осуществляться за счет давления воздушного потока на лопатки. Если же лопатки ротора имеют симметричный двояковыпуклый профиль (правильнее называть их уже не лопатки, а лопасти), то получим активное ветроколесо, вращение которого будет осуществляться за счет подъемной силы.

Ветроколесо с реактивными лопатками прекрасно пускается, но имеет невысокий коэффициент преобразования, который может быть увеличен до 0,15–0,18 за счет применения направляющего аппарата, легко устанавливаемого на статоре (рис. 1).

При использовании активного ветроколеса решить проблему запуска можно, рационально выбрав число лопастей. В этом случае применение направляющего аппарата позволит повысить коэффициент преобразования энергии ветра до 0,45.

Направляющий аппарат реактивной и активной турбин имеет разную форму.

Отличительная особенность ветроколес описанной конструкции заключается в том, что они являются нерегулируемыми и, следовательно, не производят шума при вращении.

Регулирование частоты вращения ветроколеса возможно за счет ограничения объема поступающего воздушного потока.

Мощность электрической энергии, вырабатываемая модулем, определяется следующим выражением:

Р _модуля = 0,5ρξηSV 3 ,

где ρ = 1,225 кг/м 3 — удельная плотность воздуха при t = 18 °C;
ξ – коэффициент использования энергии ветра;
η – КПД генератора;
S = DH — максимальная площадь сечения ветроколеса;
D — диаметр ветроколеса;
Н — длина лопастей ветроколеса;
V –скорость воздушного потока.

Целесообразно ограничить номенклатуру мощностей модулей рядом 200 Вт, 1 кВт и 5 кВт. Характеристики модулей, снятые в аэродинамической трубе ЦАГИ, представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Аэродинамические характеристики модуля с реактивными лопатками (а); Аэродинамические характеристики ротора с активными лопастями (б)

Модули устанавливаются на специальные башни.

Для увеличения мощности ВЭУ необходимо увеличить количество модулей, установленных на одной башне. Таким образом, наращивание мощности ВЭУ возможно без увеличения занимаемой площади.

Установленная мощность ММВЭУ из N модулей определится как

По условиям устойчивости конструкции рациональнее всего монтировать на одной башне до шести модулей. То есть мощность многомодульных ветроэнергетических установок (ММВЭУ) может составлять от 0,2 до 30 кВт. На базе таких ММВЭУ могут быть созданы комплексы гарантированного электроснабжения с солнечными батареями и резервным дизель-генератором. Один из вариантов структурной схемы такого комплекса представлен на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема комплекса гарантированного электроснабжения на базе ММВЭУ

Рис. 4. ВЭУ модульной конструкции с активным ротором (а); Конструкция многомодульной ВЭУ (ММВЭУ) (б)

ММВЭУ мощностью до 30 кВт могут найти самое широкое применение в различных уголках Казахстана, РФ и государствах дальнего зарубежья.

Следует отметить, что все модули энергонезависимы друг от друга. Каждый модуль имеет свой контроллер заряда аккумуляторной батареи, что позволяет избежать уравнительных токов и наиболее полно использовать энергию ветра на каждом вертикальном эшелоне воздушного потока.

Внешний вид ВЭУ модульной конструкции представлен на рис. 4а, а ММВЭУ представлен на рис. 4б.

В конструкции ММВЭУ предусмотрены заградительный (маркировочный) огонь красного цвета и активный молниеприемник. Все электротехническое оборудование, включая контроллеры, аккумуляторные батареи, дизель-генератор, находится в специальном стационарном контейнере.

Ветрогенераторы в системах автономного и резервного электроснабжения

Перемещение воздушных масс – процесс естественный и несущий в себе огромный энергетический потенциал. Ветер способен обеспечить энергией всех жителей планеты, при этом он является возобновляемым источником, т.е. экологическим и практически неисчерпаемым. Недаром ветроэнергетика наиболее перспективным направлением среди других способов получения «зеленой» энергии.

В мировой выработки электричества доля ветроэнергетики ежегодно растет примерно на треть. Причем ветер берут на службу прежде всего самые передовые страны, которые, казалось бы не испытывают недостатка в энергии. Самым большим потребителем электричества на сегодняшний день считаются США. При этом 3,4% от всей выработанной энергии по данным на конец 2012 года получено от ветроэлектрических установок. Это вдвое меньше, чем выработали американские ГЭС, однако это колоссальное количество энергии.

По данным Русгидро ресурс ветроэнергетики России составляет 10,7 ГВт. Существующие в стране ветрогенераторы производят только 13 МВт, почти половина из которых приходится на Калининградскую ВЭС. Установки станции в количестве 21 штука когда-то были подарены датчанами, за что им большое спасибо. Однако отечественная энергетика могла бы существенно продвинуться в сторону производства «зеленой энергии» и самостоятельно.

Энергия ветра привлекала еще довоенных энергетиков. В 1931 году в Балаклаве была построена крупнейшая на то время ветроэнергетическая станция, мощностью 100 кВт. Кроме того, в СССР было налажено серийное производство ветроэлектрических установок мощностью 3-4 кВт. В послевоенные годы промышленность выпускала 9 тыс. ветроэнергетических установок мощностью до 30 кВт в год. Однако энергопотребление в те годы и сейчас несопоставимо. Поэтому запрос на ветроэнергетику сегодня стал гораздо выше.

Частная ветроэнергетика

Если загородный коттедж подключен к электрической магистрали и впоследствии не возникает частых перебоев с поставками электроэнергии, то у хозяев вряд ли возникнет желание переходить на альтернативные источники. Однако так бывает не всегда. Существует огромное количество отдаленных районов, где можно было бы построить дом. Однако застройщиков останавливает отсутствие электричества. Из-за плохой осведомленности о возможностях ветроэнергетических установок, такие участка остаются неосвоенными. А ведь решить проблему с электричеством при помощи доступных возобновляемых источников не так уж и сложно.

Но прежде чем рассчитывать на «ветряное» электричество, необходимо убедиться, что участок расположен в местности, где среднегодовая скорость ветра превышает 2,5 м/с. Если скорость недостаточна, то следует обратить внимание на солнечные батареи или мини-гидроэлектростанции.

Одно из главных проблем ветроэнергетики – непостоянность ветра. Для конкретной местности принято рассчитывать среднегодовую скорость. Так, при среднегодовой скорости ветра 5 м/с от 1 км² территории можно получить до 1ГВт•ч. По европейским расчетам стартовые затраты на каждый кВт мощности ВЭУ составят порядка 1200-1400€. Отсюда легко рассчитать рентабельность установки и стоимость полученной энергии. Для России это будут другие данные, поскольку отличается и стоимость работы, и цена самого оборудования. На сегодняшний день, по мнению специалистов ВЭС, расположенные, например, в Восточной Сибири, окупают себя в течение 5-7 лет.

Чтобы узнать ветроэнергетический потенциал местности, где расположен коттедж или фермерское хозяйство, необходимо обратиться за справкой в метеослужбу. В ряде регионов РФ, в частности прибрежные районы, где среднегодовая скорость ветра превышает 10 м/с, ветроэнергетика выгоднее, чем централизованное сетевое электричество. Порог рентабельности наступает при среднегодовой скорости 3-4 м/с. Например, при 4 м/с ВЭУ мощностью 1 кВт произведет порядка 120 кВт•ч/мес. Такого количества электроэнергии покрывает минимальный набор домашнего оборудования (несколько светодиодных ламп, холодильник, циркуляционный насос системы отопления, телевизор). Ну, а если речь идет о ситуациях, когда централизованное электричество недоступно, то ветряки целесообразно устанавливать даже при 2,5-3 м/с среднегодовой скорости ветра.

Рентабельность ВЭУ для частного дома или хозяйства следует рассчитывать с учетом динамики роста цен на электроэнергию. Поскольку сложно предугадать, сколько будет стоить 1 кВт•ч сетевого электричества даже через несколько лет, также сложно произвести и точный расчет срока окупаемости ВЭУ. Тем не менее, даже при замороженных расценках ветрогенерирущее оборудование окупается раньше своего срока эксплуатации. А это означает, что дальше электроэнергия от ветряков будет условно бесплатной.

О типах ветроэнергетических установок

Каждое уважающее себя тематическое издание уже не раз затрагивало на своих страницах тему ветряков. В этой статье хотелось коснуться деталей, которым раньше не уделялось достаточно внимания.

Принцип действия ветрогенератора с горизонтальной осью вращения достаточно прост. В данном случае поток ветра вращает ветроколесо с лопастями, ось которого приводит в движение вал электрогенератора. В установки мощностью до 100 кВт генератор напрямую соединен с осью ветроколеса, а у более мощных агрегатов посредством повышающего редуктора. Крыльчатые ветрогенераторы обладают наивысшим КПД, а потому этот тип установок занимает до 90% рынка.

Крупные ветрогенераторы с горизонтальным расположением оси имеют сложную систему ограничения оборотов вращения. При сильном ветре специальные механизмы разворачивают установку под определенным углом атаки ветра, снижая тем самым обороты ветроколеса без помощи фрикционных и иных тормозных устройств.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения у нас встречаются нечасто, но иногда они незаменимы. Прежде всего, это карусельные и роторные ВЭУ. Особенностью установок данного типа является работа при любом направлении ветра. ВЭУ с горизонтальной осью вращения вынуждены поворачиваться за ветром, как флюгеры. Вертикальная ось позволяет улавливать ветер с разных направлений. Одновременно недостатком и преимуществом ВЭУ карусельного или роторного типа стала ограниченная скорость вращения. Недостаток – низкий КПД, а преимущество – отсутствие шума во время работы. Тихоходность таких установок позволяет применять несложные схемы и снизить устойчивость к резким порывам ветра.

Ветроэнергетические установки часто дополняют солнечными панелями, особенно там, где сила ветра недостаточна. Дело в том, что в плохую погоду ветер, как правило, усиливается, а в солнечную – ослабевает. В отсутствие ветра недостаток электроэнергии компенсируется за счет солнечных панелей. Системы автономного электроснабжения с ВЭУ можно совмещать с дизельными и бензиновыми генераторами, которые компенсируют недостающую мощность при пиковых нагрузках. Дизель-генератор при этом не должен работать слишком часто, иначе ВЭУ не будет себя окупать.

Оборудование для ВЭУ

Ветрогенераторы не могут поставлять электричество в домашнюю сеть непосредственно, поскольку скорость ветра непостоянна. Ни одно электрооборудование не будет работать при столь больших скачках напряжения, а в период безветрия, потребители вообще могут остаться без электричества. Ветрогенераторы вырабатывают так называемое «грязное» электричество, которое еще нужно привести к сетевым параметрам 220 В/50 Гц. А это возможно только посредством аккумуляторного блока, в котором будет накапливаться и храниться электричество. В целом схема автономного электроснабжения с ВЭУ выглядит следующим образом: ветрогенератор – контроллер заряда – блок АКБ – инвертер.

Емкость блока аккумуляторов будет зависеть прежде всего от мощности ветрогенератора. Для моделей мощностью 1 кВт потребуется блок, состоящий из четырех АКБ на 190 А•ч каждая.

Контроллер, объединенный с зарядным устройством для АКБ, и инвертер находятся рядом с аккумуляторным блоком. Для вспомогательного оборудования лучше всего выделить отдельное небольшое, но хорошо проветриваемое и отапливаемое помещение, где влажность воздуха не будет превышать 70%. При этом мачта ветряка должна располагаться как можно ближе к этому помещению, обеспечивающему бесперебойное электроснабжение.

Выбор места для ВЭУ

Сила ветра увеличивается с высотой, т.е. чем вше мачта, тем эффективнее работа ветроустановки. Вокруг рабочего колеса ветрогенератора не должно быть никаких препятствий, в т.ч. других ветряков. Поэтому мачта ВЭУ должна быть выше всех зданий, деревьев и прочих препятствий. Считается, что оптимально ветряк должен располагаться на 3-4 м выше препятствий, находящихся в радиусе 200 м.

Мачта небольшого ветряка, как правило, представляет собой длинную трубу, установленную на бетонном фундаменте и удерживаемая в вертикальном положении растяжками. Концы растяжек зацепляются за арматуру бетонных столбиков, заглубленных на 2 м в грунт. Диаметр столбиков составляет 50 см.

Ветроэнергетические установки

В монографии представлены сведения об общем состоянии отечественной и зарубежной ветроэнергетике. Проанализированы системы и ветроэнергетические установки автономного электроснабжения на соответствие требованиям: надежности, себестоимости, КПД, качества получаемой электроэнергии.

Рассказано о методике стабилизации выходных электротехнических характеристик (амплитуда, частота, ток, синусоидальность) асинхронного генератора, ветроэнергетической установки. Приведены примеры расчета ветроэнергетического потенциала, изучены энергетические характеристики ветра за последние десятилетия с оценкой ветровых потоков.

Определены оптимальные параметры системы автономного электроснабжения, разработаны структура и алгоритм их работы, рассмотрены математическая модель установки и схема управления. Выполнена проверка автоматизированной системы на устойчивость и приведены результаты математического моделирования и экспериментальных исследований.

Для инженерно-технических работников, специалистов научно-исследовательских и проектных организаций, разрабатывающих и эксплуатирующих ветроэнергетические установки, а также аспирантов и студентов, изучающих альтернативные источники энергии.

Содержание

Глава 1. Тенденции развития ветроэнергетики

1.1. Направления и перспективы использования нетрадиционных источников энергии 8
1.2. Проблемы становления ветроэнергетики в России 14
1.3. Концепции развития ветроэнергетики в мире 21
1.4. Ветроэнергетические установки в составе автономных систем электроснабжения 25
1.5. Типовые схемы стабилизации выходных параметров асинхронных генераторов 35

Глава 2. Система автономного электроснабжения е применением ветроустановок

2.1. Методика расчета ветроэнергетических характеристик 43
Анализ энергетических характеристик ветра на территории Ставропольского края 49
Оценка ветроэнергетического потенциала и определение конструктивных параметров ветродвигателя для фермерского хозяйства 58
2.2. Целевая функция и возможные варианты электроснабжения удаленных потребителей 64
2.3. Структура и алгоритм работы системы автономного электроснабжения с электромагнитными муфтами 69
2.4. Математическая модель автоматизированной системы электроснабжения 80
2.5. Электрические и структурные схемы автономной ветроэлсктростанции 93
2.6. Передаточные функции элементов ВЭС и проверка на устойчивость 100
2.7. Результаты математического моделирования ВЭУ 109

Глава 3. Экспериментальные исследования системы автономного электроснабжения с ветродвигателем

3.1. Алгоритм экспериментальных исследований 114
3.2. Программа проведения физического эксперимента 114
3.3. Апробация различных режимов работы ВЭУ 115
3.4. Результаты экспериментальных исследований 123
Заключение 136
Библиографический список 138

Перспективы использования ветроэнергетических установок в системах автономного электроснабжения северных территорий красноярского края

Стабильная электрификация отдаленных северных регионов Красноярского края до сих пор остается нерешенной задачей. Небольшие, в основном бытовые потребители — поселки расположены на большой территории и на значительном расстоянии друг от друга.

Основным источником электрической энергии здесь являются дизельные электрические станции (ДЭС), на которых сжигаются десятки тысяч тонн дизельного топлива в год. Доставка топлива в удаленные от транспортных магистралей пункты приводит к его значительному удорожанию. Стоимость дизельного топлива в местах нахождения ДЭС составляет более 600 $ за тонну. Цена электроэнергии, отпускаемой потребителю, достигает более 25 руб./кВт • ч.

Изучение состояния существующего электроснабжения поселков полуострова Таймыр показало, что здесь функционирует несколько десятков автономно работающих ДЭС, обеспечивающих жизнедеятельность примерно 40 населенных пунктов на площади около 880 тыс. кв. километров с населением около 17 тыс. человек. Электроэнергия от ДЭС передается потребителям на небольшие расстояния по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) на напряжениях 0,4; 6 и 10 кВ.

Основное оборудование автономных ДЭС состоит из большого количества дизель-генераторов разных типов и модификаций. Мощность отдельных дизель-генераторов составляет от 100 до 1200 кВт.

Расходы на годовую закупку и доставку дизельного топлива для этих ДЭС составляют 313,1 млн. руб., в ряде случае превышают 60 % затрат на выработанную ими электроэнергию и постоянно растут.

Только юго-западная часть Таймыра имеет централизованное электроснабжение от Норильско-Таймырской энергосистемы. Остальная часть территории не имеет постоянного электроснабжения. Строить ЛЭП на напряжениях 110 и 220 кВ для связи изолированных населенных пунктов с энергосистемой в условиях Крайнего Севера экономически нецелесообразно.

Практически все населенные пункты региона расположены на берегах рек, большинство из них — в прибрежной зоне реки Енисей. Северные территории Красноярского края относятся к региону с экономически значимыми средними скоростями ветра. Технический потенциал ветроэнергетических ресурсов по Сибирскому округу составляет 12104 млрд. кВт • ч в год.

Оценивая перспективы ветроэнергетики для северных регионов Красноярского края, можно заключить, что в ближайшее время здесь будут внедряться автономные ВЭУ средней и малой мощности, работающие в изолированных системах электроснабжения совместно с ДЭС.

При благоприятных характеристиках ветра от 1 кВт установленной мощности ВЭУ можно получить в год 3000 кВт • ч электроэнергии со стоимостью 10-17 цент/кВт • ч.

Основной особенностью, отличающей ветроэнергетические установки (ВЭУ) от традиционных энергоисточников, является неравномерность во времени и случайный характер выработки электроэнергии.

Поскольку ВЭУ свойственна неравномерность в части выдачи мощности, их использование ставит изолированных потребителей в жесткую зависимость от природных условий. Поэтому для надежного и бесперебойного электроснабжения необходимо либо аккумулирование энергии, либо дублирование мощности с помощью энергоисточников на органическом топливе.

По условиям надежности электроснабжения ВЭУ должны рассматриваться в комплексе с ДЭС. Основной целью их внедрения является не замещение энергоисточников на органическом топливе, а сокращение производства энергии на них и, как следствие, экономия топлива и снижение выбросов вредных продуктов его сгорания в атмосферу. При этом экономическая эффективность ВЭУ определяется, в первую очередь, объемами вытесненного органического топлива.

Развивать сооружение ВЭУ в северных районах Красноярского края необходимо с целью:

• обеспечить электроэнергией децентрализованных потребителей и повысить энергетическую безопасность этого региона;
• снизить эмиссию СО2 и других вредных выбросов от энергоисточников на органическом топливе;
• обеспечить деверсификацию топливно-энергетического баланса на основании неисчерпаемости возобновляемых ресурсов ветра;
• перейти на энергетически эффективное развитие общества;
• повысить уровень коммуникационного потенциала населения.

Принятие решений по сооружению ВЭУ должно основываться на объективной методике оценки их эффективности, комплексно учитывающей новые возможности ВЭУ, а также всю совокупность влияющих факторов.

При оценке экономической целесообразности создания ветродизельных комплексов может быть использован метод технико-экономического сравнения альтернативных вариантов электроснабжения по суммарным приведенным затратам на их реализацию при условии обеспечения равного энергетического эффекта.

Для внедрения ВЭУ в северных районах Красноярского края в ближайшее время требуется решение следующих задач:

• оценка возможности использования ВЭУ для региональной электроэнергетики;
• формулирование технических требований к ВЭУ на основе комплексного анализа ветроэнергетического потенциала и климатических условий региона;
• выбор и технико-экономическое обоснование площадок для строительства ветроэлек- тростанций;
• анализ надежности функционирования ВЭУ;
• комплексная оптимизация состава энергокомплексов в составе ВЭУ и ДЭС.

Для районов Крайнего Севера Красноярского края актуальной является задача обеспечения параллельной работы ВЭУ и ДЭС.

Совместная работа ВЭУ и ДЭС позволит в значительной мере решить вопросы, связанные с надежным электроснабжением потребителей, высокой стоимостью и доставкой дизельного топлива, а также с экологическими проблемами.