2.1. Ветроэлектростанции и их основные характеристики

Ветроэнергетика является наиболее развитой сферой практиче­ского использования природных возобновляемых энергоресурсов. Сум­марная установленная мощность крупных ветроэнергетических устано­вок (ВЭУ) в мире оценивается сегодня в 44000 МВт [24]. Единичная мощность наиболее крупных ветряных установок превышает 1 МВт. Во многих странах появилась даже новая отрасль - ветроэнергетическое машиностроение. Мировыми лидерами в ветроэнергетике являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия и т. д. [24, 25]. В частно­сти, Германия планирует к 2030 году производить при помощи ветра до 30 % всей электроэнергии страны.

Достаточно широкое распространение ветроэнергетических уста­новок объясняется их относительно невысокими удельными капитало­вложениями по сравнению с другими возобновляемыми энергоисточни­ками.

В России к началу нынешнего века использовалось около двух с половиной тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года ветряные мельницы остались без хозяев и постепенно разру­шились. Однако интерес к ветроэнергетике не исчезал и, иногда, пред­принимались попытки использовать энергию ветра на научной и госу­дарственной основе. В 1931 году в районе Ялты была построена круп­нейшая для своего времени ветроустановка на 100 кВт. В СССР разра­боткой ВЭУ небольшой мощности занималось НПО «Ветроэн» с произ­водственными мощностями в г. Астрахани и г. Фрунзе.

В настоящее время в России возникли новые организации, зани­мающиеся ветроэнергетикой, постепенно налаживается сотрудничество с зарубежными партнерами. Созданы отечественные образцы ВЭУ мощностью до 100 кВт, например ВЭУ «Радуга» [8]. Однако недоста­точный объем финансирования научных и опытно-конструкторских разработок не способен обеспечить не только развитие, но и поддержку научно-технического уровня, достигнутого в данной сфере.

Принцип действия всех ветродвигателей заключается во враще­нии ветроколеса с лопастями под напором ветра. Вращающий момент ветроколеса через систему передач передается на вал генератора, выра­батывающего электроэнергию.

Кинетическая энергия W воздушного потока с площадью попе­речного сечения S, имеющего плотность р и скорость Vравна [26]:

V 3 S 2

Механическая энергия ветродвигателя W^ определяется коэффи­

ветродвигателя и режима его работы.

Электрическая мощность генератора ветроэнергетической уста­новки может быть определена по формуле:

3 R е

Р эл = nPV 3—£П

где R - радиус ветроколеса; п - КПД электромеханического преобразо­вателя энергии.

По принципу действия ветродвигатели могут быть разделены на две группы: двигатели, у которых вращающий момент образуется в ре­зультате разности сил лобового давления потока воздуха на лопасти ра­бочего колеса относительно оси его вращения, и ветроустановки, вра­щающиеся под действием аэродинамической подъемной силы.

К первой группе относятся ветродвигатели карусельного, ротор­ного и барабанного типов. Благодаря простейшей конфигурации рабо­чего ветроколеса они имеют невысокую стоимость и весьма неприхот­ливы в эксплуатации. Однако широкого распространения эти ветродви­гатели не получили из-за малого коэффициента использования энергии ветра £ и тихоходности. Расчеты показывают, что наибольшую мощ­ность двигатель развивает, когда рабочая плоскость, воспринимающая действие потока воздуха, движется со скоростью, равной 1/3 скорости ветра [26]. При этом значение £ для данных двигателей не превышает 0,18.

Основным типом ветродвигателя в настоящее время является дви­гатель крыльчатой конструкции, в котором вращающий момент созда­ется за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях рабочего ветроколеса. В большинстве стран выпускают и применяют только крыльчатые ветродвигатели. Они отличаются большими коэффициен­тами использования энергии ветра и значительно большей быстроход­ностью. Максимальное значение £, для быстроходных колес достигает 0,45...0,48.

По конструктивному исполнению ветродвигатели делятся на две группы:

• ветродвигатели с горизонтальной осью вращения;

• ветродвигатели с вертикальной осью вращения.

Крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения

наиболее эффективны, когда поток воздуха перпендикулярен плоскости вращения лопастей. Для обеспечения этого условия в составе ВЭУ тре­буется устройство автоматического поворота оси вращения. Обычно эту роль выполняет крыло-стабилизатор или соответствующая система ори­ентации ветродвигателя.

Ветродвигатели с вертикальной осью вращения могут работать при любом направлении ветра без изменения своего направления.

Учитывая подавляющее распространение крыльчатых трехлопа­стных ветродвигателей с горизонтальной осью вращения, далее рас­сматриваются ветроэлектростанции с ветродвигателем указанной кон­струкции.

С точки зрения диапазона мощностей ветроэнергетические уста­новки можно разделить на ВЭУ, предназначенные для «большой» энер­гетики и малые ветроэлектростанции, перспективные для систем авто­номного электроснабжения.

Следует отметить, что наибольшие успехи ветроэнергетики в ми­ре характерны именно для большой энергетики. Это объясняется с од­ной стороны более высокой энергоэффективностью крупных сетевых ветроэлектростанций, а с другой - ограниченностью или отсутствием децентрализованных зон электроснабжения в передовых странах с вы­сокоразвитой транспортной и другой инфраструктурой.

Более высокая энергоэффективность крупных ВЭС определяется более высоким и стабильным энергетическим потенциалом ветра на вы­соте их башни, достигающей 100 метров. Кроме того, работа ветроэлек­тростанции на электроэнергетическую систему облегчает согласование возможной величины (для данного ветра) генерируемой и отдаваемой потребителю электроэнергии. Само по себе наличие электрической сис­темы устраняет необходимость в устройствах накопления энергии и ре­зервных энергоисточниках, которые необходимы для автономных вет­роэлектростанций.

Для электроснабжения небольших, рассредоточенных потребите­лей требуются автономные ветроэлектрические установки относительно малой мощности. Традиционная компоновка таких ветряков предусмат­ривает использование крыльчатого ветроколеса с горизонтальной осью вращения. Распространенным профилем лопастей в настоящее время являются профили типа NACA 4415, NACA 4418, NFL 416, обеспечи­вающие быстроходность Z = 6.. .9.

Изменчивость энергии ветра требует в составе ветроэлектростан­ции буферное устройство, в качестве которого обычно используется ак­кумуляторная батарея. Поскольку аккумуляторная батарея имеет на­пряжение кратное 12 В, то генератор ВЭУ должен выполняться на соот­ветствующее напряжение постоянного тока. Современным решением конструкции генератора ветроэлектростанции малой мощности является безредукторный многополюсный синхронный генератор с возбуждени­ем от постоянных магнитов и полупроводниковым выпрямителем вы­ходного напряжения якорной обмотки. Для стабилизации генерируемо­го напряжения и обеспечения оптимального режима зарядки аккумуля­торных батарей предусматривается регулятор напряжения.

Получение переменного напряжения стандартных параметров осуществляется с помощью автономного инвертора, содержащего по­вышающий трансформатор.

Общий вид структурной схемы ВЭС, предназначенной для авто­номного электроснабжения потребителей переменным напряжением стандартных параметров показан на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема автономной ВЭС: 1 - ветродвигатель; 2 - генератор; 3 - выпрямительно-зарядное устройство; 4 - аккумулятор­ная батарея; 5 - автономный инвертор; 6 - электрические нагрузки станции

Использование в современных конструкциях ВЭС быстроходных ветродвигателей позволяет исключить из состава ветроагрегата повы­шающий редуктор и улучшить тем самым массо-габаритные, стоимост­ные и эксплуатационные характеристики энергоустановки.

Частота вращения ветроколеса в номинальном расчетном режиме достигает сотен оборотов в минуту, что позволяет использовать безре­дукторные генераторы. Чем больше число лопастей рабочего колеса, их ширина и угол поворота лопастей относительно плоскости вращения, тем при прочих равных условиях, быстроходность двигателя ниже. Обычно быстроходность ветроколеса характеризуется числом модулей:

Z = вн

V ’

где w - угловая частота вращения ветродвигателя; REH - радиус ветроко­леса.

Типовые рабочие характеристики момента на валу ветродвигателя крыльчатой конструкции в зависимости от скорости ветра и частоты вращения показаны на рис. 9. Основными параметрами рабочей харак-

теристики ветродвигателя, при постоянной скорости ветра, являются

, ,, Mв

номинальный относительный момент M в = ^ = 1, который развивает

вн ветроколесо при нормальном числе модулей Z и, соответственно, номи­
нальной относительной частоте вращения п = 1; MO - начальный от­носительный момент, развиваемый ветроколесом при трогании; M В мах - максимальный момент ветродвигателя; предельная синхронная частота вращения nO и синхронное число модулей Z0 для данного ветра, при ко­торых Мв = 0. По номинальным значениям Мвн, пн, ¥н, Zn ветродвига­тель рассчитывается на длительный режим работы.

С уменьшением скорости ветра максимумы кривых Мв = f (п) уменьшаются, и все кривые смещаются в сторону уменьшения частоты вращения.

Режим работы ветроэлектростанции под нагрузкой графически определяется наложением на характеристики ветродвигателя аналогич­ных характеристик генератора с его электрической нагрузкой. Принци­пиально возможна работа ветрогенератора в двух режимах: с постоян­ной частотой вращения и с переменной частотой. Работа энергоблока с переменной частотой вращения более эффективна, поскольку может обеспечить максимальный объём мощности при любой скорости ветра. Этот режим графически соответствует характеристике генератора, пере-

і і

секающей зависимости Мв = f (п) в точках близких к их максимумам.

Режим с постоянными оборотами не может обеспечить столь же эффек­тивную работу ветроэлектростанции при переменной скорости ветра. Это обстоятельство определяет наличие инвертора в составе энергети­ческого оборудования современных ВЭС, работающих, как правило, в режиме переменных оборотов.

Конструкция собственно ветродвигателя сегодня, особенно для ВЭС небольшой мощности, либо вообще не предусматривает устройств регулирования частоты вращения, либо они предусматривают только ограничение развиваемой мощности при превышении скорости ветра расчетных номинальных значений. Вышесказанное не распространяется на системы аварийного вывода ветроколеса из-под ветра, достигшего предельных буревых значений.

Таким образом, мощностные характеристики ветроэлектростан­ции в зависимости от скорости ветра имеют вид, представленный на рис. 10.

На рис. 10 Vmin - минимальная или пусковая скорость ветра, ¥н - номинальная расчетная скорость ветра для ВЭС с аэродинамическим регулированием и Vmax - максимальная буревая рабочая скорость ветра.

Аэродинамическое регулирование, осуществляемое чаще всего с использованием специального оперения ветроголовки или за счет изме­нения угла поворота лопастей ветродвигателя, обеспечивает ограниче­ние генерируемой мощности и, соответственно, частоты вращения ВЭС на скоростях ветра в диапазоне Vn...Vmax. Энергоэффективность преоб­разования энергии ветра в электроэнергию, при этом, ухудшается.

В настоящее время получают распространение ВЭС без аэроди­намического регулирования, которые в максимальной степени исполь­зуют всю энергию ветра в рабочем диапазоне его скоростей. Частота вращения ветрогенератора, при этом, изменяется в большем диапазоне,

Рис. 10. Мощностные характеристики ветроэлектростанции: 1 - с аэродинамическим регулированием; 2 - без аэродинамического регулирования

что накладывает соответствующие требования к прочности элементов конструкции ветродвигателя и генератора. Коэффициент использования энергии ветра и суммарный коэффициент полезного действия ветроаг­регата в этом случае максимальны. Расчеты, подтвержденные практиче­скими результатами, показывают, что работа ВЭС с переменной часто­той вращения позволяет производить на 20.30 % электроэнергии больше, чем при работе с аэродинамической стабилизацией оборотов ветродвигателя [27].

В качестве генераторов в ветроэлектростанциях применяются как синхронные, так и асинхронные машины. В большинстве современных конструкций ВЭС небольшой мощности используются синхронные ге­нераторы с магнитоэлектрическим возбуждением [25]. Для повышения прочности вращающихся частей генератора и обеспечения его энерго­эффективности при малых оборотах приводного ветродвигателя нахо­дят применение обращенные конструкции электрических машин: кор­пус с магнитами вращается вокруг неподвижного якоря. Обычно часто­та вращения агрегатов безредукторных ВЭС находится в диапазоне до нескольких сотен оборотов в минуту. Анализ режимов работы распро­
страненных типов ВЭС мощностью 5...30 кВт [25] позволил устано­вить, что диапазон изменения частоты вращения ветродвигателя изме­няется в 3 и более раз, а развиваемая им мощность в 30.40 раз. Эти ус­ловия накладывают определенные требования к выбору параметров электромашинного генератора. Известно, что частота вращения авто­номного генератора является фактором, определяющим его мощность и массо-габаритные показатели. С увеличением частоты вращения проис­ходит уменьшение относительного веса и габаритов, что удешевляет энергоустановку. Так же известно, что в электрических машинах проис­ходит перераспределение потерь, определяющих их тепловой режим. При повышении частоты вращения потери в меди сокращаются, а в ста­ли возрастают. Одновременно усиливается эффективность охлаждения, особенно для генераторов с встроенным вентилятором на общем валу или при естественном охлаждении ветрогенератора.

Указанные особенности режимов работы ВЭС определяют задачу оптимального выбора габаритной мощности генератора, работающего в широком диапазоне частот вращения.

Очевидным условием для определения мощности генератора яв­ляется постоянство теплового режима статорной обмотки при измене­нии частоты его вращения и, соответственно, снимаемой мощности.

Ротор генератора с увеличением частоты обычно не перегревает­ся, поскольку намагничивающая сила не возрастает, а интенсивность охлаждения увеличивается.

В литературе [28,29] показаны возможности повышения мощно­сти синхронных генераторов при увеличении частоты их вращения от­носительно номинальных значений. Там же приведены аналитические выражения, связывающие частоту f с соответствующей мощностью ге­нератора Рг. В частности, мощность генератора с регулируемым возбу­ждением, обеспечивающим постоянство выходного параметра U = 1 о. е., определяется как

f -0,4(1 _ f - I.6) _(1 - a)f-2 (в + f1,5 )a

Для режима генератора U = f, например, с возбуждением от по­стоянных магнитов мощность равна

В этих выражениях коэффициенты а, б, в для синхронных явно­полюсных генераторов нормального исполнения находятся в пределах [8]:

а = 0,45 - 0,25; б = 0,4 - 0,15; в = 0,5 - 0,35.

Таким образом, имеется возможность выбирать габаритную мощ­ность и соответствующую частоту вращения генератора так, чтобы с увеличением скорости ветра (и мощности ветродвигателя) генератор обеспечивал большую мощность по сравнению со своими номинальны­ми параметрами. Проведенные исследования показывают возможность выбора синхронного генератора на номинальную частоту вращения в два раза меньшую частоты, соответствующей расчетному режиму вет­родвигателя, и на номинальную мощность до 70 % меньшую расчетного номинального режима ВЭС. За счет этого массо-габаритные показатели аэрогенератора могут быть снижены на величину до 10.. .15 %.