Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) - это комплекс взаимосвязан­ного оборудования и сооружений, предназначенный для преобразования энергии ветра в другие виды энергии (механическую, тепловую, электри­ческую и т. п.). поэтому ветроэнергетические установки по назначению можно подразделить на ветро-механические, обеспечивающие привод ме­ханизмов; ветро-тепловые, производящие тепло; и ветро-электрические. преобладающее значение в промышленной вет-роэнергетике имеют ве­троэлектрические установки, в результате чего аббревиатура вэу отне­сена в основном к ветроэлектрическим установкам.

схематичное изображение преобразования энергии ветра в энер­гию пользования отображает лишь некоторые связи общей системы ис­пользования ветроэнергетического потенциала (рис. 100).

рис. 100. принципиальная схема преобразования энергии ветра в энергию пользования [Методические рекомендации..2003]

Критерии целесообразности возведения ВЭУ. Технический вет­роэнергетический ресурс республики достаточно велик, чтобы игно­рировать его возможности в ликвидации прогнозируемого в ближай­шем будущем дефицита энергии традиционных топливных источников энергии. Мощные ВЭУ и ВЭС по рекомендациям Ветроэнергетиче­ского кадастра Беларуси [нир 06.4.1, 1998] целесообразно возводить в точках, определенных ветроэнергетическим атласом [нир № 12 488, 1995] по региональным признакам. это холмы, продуваемые долины рек, прибрежные зоны крупных водных массивов (заславское и вилей - ское водохранилище, оз. нарочь и пр.). приведенные рекомендации распространяются на создание ветроэлектрических вэу и вэс, пред­назначенных для подключения к общественным электросетям.

требования к параметрам вэу определяются в первую очередь условиями ее возведения:

• продажа электроэнергии местному предприятию электроснаб­жения или общественным электросетям;

• выработка энергии для собственных нужд с целью снижения собственных затрат на приобретение энергии.

Автономное энергообеспечение характеризуется наличием ветроу­становок невысокой мощности (до 100 кБт), так как исходит из сообра­жений наивысшей экономичности локального хозяйственного объекта и на удовлетворение собственных нужд (рис. 101).

Маломощные установки (до 10 квт) возможно возводить и соб­ственными силами, т. к. такое оборудование не требует специальных транспортных, подъемных и монтажных средств. Однако созданием ветроагрегатов мощностью выше 10 квт обычно занимаются специа­лизированные предприятия. следует учитывать, что каждая установка должна пройти техническую приемку и получить разрешение на экс­плуатацию. При поставке серийно изготавливаемых ветроагрегатов приемочной комиссии необходимо предъявить свидетельство о типо­вых производственных испытаниях. возведенные вЭУ заказчиком са­мостоятельно (или по лицензиям) должны приниматься по отдельно­сти и поэтапно.

Несмотря на достаточно развитую систему государственного элек­троснабжения, всегда существует потребность в автономном энер­гообеспечении, независимом от централизованной поставки энергии. вызвано это тенденцией развития мелких, но весьма эффективных фермерских хозяйств усадебного типа. Не исчезли проблемы в энер­госнабжении и крупных сельскохозяйственных предприятий, объеди­няющих в силу своей производственной специфики, обширную сеть локально расположенных производственных объектов на довольно большом расстоянии от электросетей. Сложности, решаемые приме­нением дизель-электрических агрегатов «в прошлом», усугубились в настоящее время снижением поставок жидкого топлива, в основном по экономическим причинам. Следует иметь в виду, что применение вЭУ в качестве энергопоставщика не освобождает ее электроэнергию, а вместе с ней и ветроустановку, от соблюдения определенных каче­ственных показателей.

рис. 101. ветроэнергетическая установка для автономного энергоснабжения индивидуального жилого дома [Ермашкевич, в., 2000]

Б период слабых ветров (науровне старта ветродвигателя) авто­матическое управление БЭУ обеспечивает остановку ветроустановки, предупреждая напрасные износы узлов и агрегатов.

Б диапазоне работы БЭУ на мощности ниже расчетной возможно применение электронного преобразователя, обеспечивающего каче­ственные показатели, соответствующие требованиям государственных электросетей. Без преобразователя БЭУ работает на объекты, которые не требуют высокого качества энергии, например на подогрев воды те­пловым электронагревателем (ТЭНом).

Б режиме работы БЭУ на расчетной мощности выходная мощность электрогенератора посредством систем управления установки обеспе­чивает поставку потребителю качественной энергии, ограничивая пре­образование ветровой энергии аэродинамическим подтормаживанием приводного вала ветродвигателя. Б настоящее время увеличение вы­работки электроэнергии в диапазоне расчетной мощности достигается применением более мощных многополюсных электрогенераторов с ре­гулировкой частоты электрического тока [Позняк, С. С., 2006].

На территории учебно-научного комплекса «Международный эко­логический парк «Болма» - демонстрационная площадка возобнов­ляемых источников энергии» введена в эксплуатацию ветроэнергети­ческая установка БЭУ-6 производства фирмы «Аэролла» (Республика Беларусь) для автономного обеспечения электрической энергией тер­ритории комплекса и хозяйственных помещений (рис. 102).

Конструкция вэу-6 позволяет при скорости ветра более 2 м/с на­чать с помощью генератора зарядку блока аккумуляторных батарей. потребители соединены с блоком аккумуляторных батарей через ин­вертор, который преобразует энергию, запасенную в аккумуляторах (24 В, 760 А/ч, 10 кВт-ч) в стандартное для большинства потребителей напряжение 220 В, 50 Гц. Такая схема (использование аккумуляторов) позволяет в определенное время, независимо от наличия ветра, обе­спечивать потребителей электроэнергией [Позняк, С. С., 2005, Кун - дас, С. П., 2007]. Мощность установки зависит от скорости ветра и отражена в табл. 21.

Таблица 21

Зависимость мощности установки от скорости ветра Скорость ветра, м/сек 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 - 25 Мощность установки, кВт 0,15 0,35 0,65 1,1 1,8 2,7 3,9 5,25 6,0 6,0 6,0 - 6,0

таким образом, имея в наличии автономную ветроэнергетическую установку ВЭУ-6, потребитель, независимо от скорости ветра в кон­кретное время, имеет в распоряжении мощность, ограниченную только мощностью инвертора, и может применять вырабатываемую электри­ческую энергию как для электроснабжения отдельно стоящих жилых домов, бытовых помещений (вагончиков) строителей, геологов, ферме­ров; водоподъемных насосов оросительных и мелиоративных систем; телекоммуникационных ретрансляторов; станций катодной защиты нефте - и газопроводов; так и в качестве резервного источника электро­снабжения различных объектов.

Использование маломощных ВЭУ в условиях сельскохозяйст­венного производства. При расчетах эффективности ветротехники следует учитывать характер как сезонного, так и суточного распреде­ления энергетической нагрузки. на рис. 103 представлены характерные графики потребляемой мощности для некоторых потребителей энер­гии (усадьба с автономным энергоснабжением (а), включающая жилой дом и хозяйственную постройку; пункт механизированной дойки стада из пятидесяти коров (б); пункт подогрева воды фермы на 50 коров (в); водоподъемную установку (г) [лаврентьев, н. А., жуков, Д. Д., 2002].

рис. 103. суточное распределение нагрузки на технологический объект

в случае усадьбы с автономным энергоснабжением суточное рас­пределение энергетической нагрузки имеет два пика: меньший (утрен­ний) и больший (вечерний). они связаны с приготовлением пищи, интенсивной работой освещения и бытовых электроприборов, обслу­живанием скота и птицы и пр. нагрузки между пиками обусловлены работой холодильников, дежурным освещением, обогревом помеще­ний, водопотреблением и т. п.

График распределения нагрузки для этого дома построен исходя из следующих расчетных данных (рис. 104) [Харитонов, В. П., 1984]:

- максимальная нагрузка: Р = 4,0 квт (зимой) и Р = 3,2 кБт

max max 7

(летом);

- среднесуточное потребление энергии:

24

E =Z PT, (45)

i=l

где P. — текущая нагрузка, кВт; Т. — отрезки времени, ч; Еа = 34,4 кВт-ч (зимой); Еа = 27,4 кВт-ч (летом);

- среднесуточная нагрузка:

P = E / T, (46)

cp a cp

где Т = 24 ч; Рр = 1,43 кВт (зимой); Рр = 1,14 кВт (летом);

- коэффициент нагрузки (коэффициент заполнения графика на­грузки):

K = Р / Р, (47)

н ср max

где Кн = 0,36 (зимой); Кн = 0,29 (летом).

— пункт подогрева воды на ферме для 50 коров;

FZ?) — хутор, пасека и другой хозяйственный или жилой объект;

-------- — вырабатываемая мощность на холме 30 м (Н = 200 м);

* * и ■ — вырабатываемая мощность на холме 60 м (Но = 200 м);

— уровень горячего водоснабжения (ВЭУ+ гелиоводонагреватель+бойлер).

График нагрузки пункта механизированной дойки стада из пятиде­сяти коров представляет собой два пика зимой (утренний и вечерний) и три пика летом (утренний, дневной и вечерний), которые, по воз­можности, должны иметь минимальную ширину (с целью сокращения времени использования доильных аппаратов). этот график построен исходя из следующих расчетных данных:

Ртх = 4,0 кБт (зимой и летом);

Еа = 33,0 кВт-ч (зимой); Еа = 16,0 кВт-ч (летом);

Рр = 1,38 кВт (зимой); Рр = 0,67 кВт (летом);

Кн = 0,35 (зимой); Кн = 0,17 (летом).

Пункт подогрева воды на постоянную потребность в 4 кВт предна­значен для ухода за скотом. Емкость с теплой водой (бойлер) служит аккумулятором тепловой энергии и может давать следующее количе­ство тепла в сутки:

Q = 860Pm3XTcp, (48)

где Ртах = 4 кВт (зимой и летом); 860 - тепловой эквивалент электриче­ской энергии, ккал/кВт-ч; 0=82400 ккал-сут.

Вода нагревается от 10 до 60 °С. Средняя теплоемкость в указанном диапазоне температур G = 1,00 ккал/ (кг°С). При КПД водогрейного котла, равном 85 %, объем нагретой воды составит 1 390 л в сут.

Показатели графика энергетической нагрузки пункта подогрева воды независимо от сезона следующие:

Е = 92 кВт-ч; Р = Р = 4 кВт-ч; К = 1

а 7 ср max 7 н

Еа = 36 кВт-ч/сут.; Рр = 1,5 кВт; Кн = 0,5.

Сезонный характер нагрузки выражается, помимо прочего, в том, что ее летний уровень составляет примерно 80 % от зимнего уровня [Харитонов, В. П., 1984].

В сельском хозяйстве для подъема воды из любых водоисточни­ков - скважины, колодца, открытого водоема - без применения элек­тропровода или двигателя внутреннего сгорания может быть исполь­зована технология с применением ветронасосных установок, которые принадлежат к числу современных устройств данного класса и при­близительно идентичны по ряду основных параметров. Ветронасосные установки бесшумны в работе, используют энергию ветра, не требуют постоянного контроля за их работой, удобны в эксплуатации, снабжены устройством, позволяющим качать воду при отсутствии ветра в ручном режиме, позволяют подавать воду ритмичными порциями и могут быть использованы при поливе участков по бороздам, капельным методом, дождеванием. при использовании емкости для накопления воды полив может осуществляться прогретой солнцем водой.

проведенными исследованиями установлено, что для этих и им подобных случаев оптимальная мощность источников энергии со­ставляет 4 кБт. именно под этот параметр и была разработана и пред­назначена ветроэлектрическая установка АБЭУ6-4М российского НПО «Бетроэн» (рис. 105) [Ветроэнергетика, 2001].

Рис. 105. Бетроводоподъемная установка

1 - ветроколесо многолопастное; 2 - погружной насос производительностью 0,25 м3/ч; 3- трубчатая опора; 4 - тяга к насосу; 5 - поворотное устройство ветроколеса «на ветер» в сборе с кривошипно-шатунным приводом насоса; 6 - противовес; 7 - обечайка ветроколеса; А - направление движения ветроколеса при аварийной скорости ветра

Установка предназначена для эксплуатации в теплое время года при температуре воздуха не ниже +1 °с. перед наступлением замороз­ков ее необходимо остановить, ветроагрегат целесообразно разобрать и хранить в помещении.

Выработка электроэнергии ВЭУ средней и высокой мощности на общественные электросети. при бивалентном режиме ток от ве­троэнергетической установки, расположенной на территории потре­бителя, используется в качестве дополнительного источника к обще­ственному энергоснабжению. в условиях параллельного автономно­го электроснабжения вырабатываемая электроэнергия используется приоритетно для покрытия в энергии собственных нужд, а «излишки сдаются» в электросети. параметры ветроэнергетической установки в этой ситуации допускаются по мощностным показателям не ниже 10 кБт. ветроэнергетическая установка, возведенная на значительном удалении от потребителя (более 200 м), используется в качестве «ве­троэлектростанции» в составе сети и снабжает ею потребителя через общественную сеть энергоснабжения (рис. 106) [Шакарян, Ю., Алек­сеев, Б., 1995].

Рис. 106. Ветроэнергетическая установка, подключенная к государственной или местной электросети

Б этой ситуации потребитель зависит от технико-энергетических показателей электросети. Возможно, что в местах с большим, эконо­мичным ветровым потенциалом отсутствует значительный спрос на электроэнергию и слабо развита инфраструктура, нет крупных потре­бителей электроэнергии и незначительна плотность населения. про­блема возникает, если местная сеть энергоснабжения слишком слаба для подключения ветроэнергетической установки с ее значительными колебаниями частоты и напряжения. при сильных постоянных ветрах производство электроэнергии может значительно превосходить местные потребности, а у слабо развитой местной сети отсутствует возможность отвода избыточной электроэнергии. все эти колебания и недостаточная мощность электросетей могут быть компенсированы дополнительными энергоустановками (например, дизель-электрической станцией). неко­торые энергоснабжающие предприятия определяют в этой связи поль­зователей ветроэнергетических установок как причину возможных перебоев в выдаче мощности и указывают на это при решении вопроса финансирования увеличения мощности электросети.

Мсходя из вырабатываемой мощности ветроэнергетические уста­новки можно разделить на несколько групп (табл. 22).

Таблица 22

Маломощные установки
(30-5000 Вт)

Установки средней
мощности (5-100 кВт)

Установки большой
мощности (100 кВт - 5 МВт)

Гигантские ВЭУ мощностью
(более 5 МВт)

Как уже упоминалось выше, маломощные установки (30-5000 Вт) (рис.107) применяются как зарядные устройства для аккумуляторных систем и создания локальных электрических сетей в местах, где нет доступа к общей энергосистеме.

Установки средней мощности (5-100 кВт) также чаще всего при­меняются для электропитания изолированных хозяйственных объек­тов (рис. 108).

Установки большой мощности (100 кВт - 5 МВт) и гигантские вет­роустановки используются для коммерческой выработки электроэнер­гии с поставкой ее в электросети, чаще всего в виде ветропарков, об­разующих ветроэлектростанции (рис. 109).

рис. 107. общий вид маломощных автономных ветроустановок

рис. 108. общий вид ветроустановок средней мощности

Рис. 109. Общий вид мощных и сверхмощных ВЭУ (справа Е-112 (6 МВт))