ГЛАВА 2. ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

2. Перспективы использования ВЭУ в Чемальском районе республики Алтай

Исходя из анализа потребителей электрической энергии, приведенной в главе 1, и анализа ветровых районов для исследуемой местности можно предложить установить девять ВЭУ, выполненных по принципу действия, приведенного в патенте РФ М9 1783 - 144 с турбогенератором мощностью 300 кВт, 3000 об/мин. разработанным и созданным в ВНИИ "Электромаш" с основными характеристиками приведенными в таблице 4.

Таблица 4. Основные данные турбогенератора

Для исследуемого района, где среднегодовая скорость ветра составляет 5…7 м/с, необходима установка принципиально новой конструкции, которая позволяет использовать ветровую энергию с максимально возможным к.п.д. Рассмотрим от каких основных параметров зависит энергетическая эффективность ВЭУ.

Как известно, кинетическая энергия движущегося тела W = mV²/2.

Если речь идет о воздушном потоке, то V, естественно, и есть его скорость. С массой т чуть сложнее. В данном случае берется масса объема воздуха, проходящего единицу времени. Значит,

т = pSV,

где р - плотность воздуха, S - сметаемая площадь, V - та же скорость ветра. И тогда исходное выражение принимает вид

W=pSV³/2.

Это величина энергии в единицу времени, по сути - мощность. Итак, значение W определяется двумя переменными - S и V. Как в принципе можно ее увеличить? Если за счет S, то придется смириться с неизбежным ростом габаритов и массы ВЭУ.

Но из полученной формулы виден и другой порок такого подхода:

Сметаемая площадь связана с площадью S прямо пропорционально, линейно. Зато влияние скорости V гораздо сильнее - зависимость тут уже кубическая. Насколько важна эта разница, поясним на примере:

Допустим, нам удалось каким-то путем удвоить величину V. Понятно, что мощность воздушного потока на лопастях возрастет в 8 раз. И если теперь мы решим сохранить прежнюю мощность установки, то сможем соответственно уменьшить сметаемую площадь ветрового колеса. Тогда его диаметр (то есть, в первом приближении, и остальные линейные размеры ВЭУ) сократился бы в корень из 8 = 2,83 раза. Если же сумеем увеличить V втрое, выиграем в габаритах более чем в 5 раз (корень из 27), и т.д.

Что ж, ускорить ветер в принципе нетрудно: нужно загнать его в некое подобие аэродинамической трубы, попросту говоря - в сужающийся канал. В нем, как известно, скорость потока растет обратно пропорционально площади сечения. А общий коэффициент ускорения равен отношению площадей входного и выходного отверстий. Даже для обычных ВЭУ уже разработаны подобные устройства - так называемые конфузоры, или дефлекторы. Смысл их применения в том, что они собирают ветер с гораздо большей площади, чем сметаемая площадь.

Но почему, ступив на верный путь, конструкторы не пошли по нему дальше? Сделаем входное сечение конфузора переменным - и сразу решим ту, "не решаемую", проблему - поддержания постоянной скорости потока на лопастях независимо от капризов ветра! Проще всего тут применить поворотное воздухозаборное устройство (ВУ). Легко понять, что его эффективное сечение максимально в направлении "фордевинд" и уменьшается при отклонении в любую сторону. Причем такое ВУ способно ловить ветер со всех румбов, и потому остальные элементы можно сделать неподвижными, да и смонтировать прямо на земле, что гораздо удобнее.

На таком принципе работы основана установки, изображенная на рис. 8 (патент РФ М9 1783-144). Главное ее отличие - мощный "ветроускоритель": ряд воздуховодов с полноповоротными ВУ на концах, сходящихся в общий конфузор и далее в рабочий канал. Каких же скоростей достигает там воздушный поток? Ясно, что это зависит от отношения двух величин: суммарного эффективного сечения всех ВУ на входе и сечения рабочего канала - на выходе. Пусть диаметр одного ВУ всего втрое превышает диаметр канала, а площадь соответственно - в девять раз. Тогда, скажем, при пяти ВУ общий коэффициент ускорения равен 45. Правда, мы не учли турбулизацию воздушных потоков в системе и ее общее аэродинамическое сопротивление, но для первичной оценки такой расчет правомерен. А это значит, что самый обычный, умеренный ветер (5 м/с) порождает в канале сверхураган в 225 м/сек! Напомним, что по шкале Бофорта ураганным считается ветер с жалкой скоростью -12 м/сек.

Рис. 8. Ветроэнергетическая установка.
1 - направление ветра; 2 - воздухозаборное устройство; 3 -входные воздуховоды; 4 - конфузор; 5 - серводвигатель поворота; 6 - поворотный круг; 7 - диаметр ВУ; 8 - устройство сброса; 9 - отводящие воздуховоды; 10 -диффузор; 11 -рабочий канал; 12- электрогенератор, 13 - турбина.

Выходит, обычное ветровое колесо тут уже не годится: его лопасти просто не выдержат такого напора. Нужна настоящая турбина, с лопатками иной формы, гораздо меньшего размаха и более прочными - короче, типа авиационной. Кстати, подобное устройство намного эффективнее использует аэродинамическую энергию воздушного потока. А здесь к тому же он ограничен стенками рабочего канала, сечение которого почти полностью перекрыто лопатками. В результате общий КПД установки должен заметно возрасти по сравнению с обычной, горизонтально-осевой.

Не забудем только, что аэродинамический поток, вырвавшийся из турбинного канала, надо снова затормозить. Эту обратную задачу выполняет система, зеркально отображающая входную: диффузор ("расширитель") и воздуховоды с устройствами сброса (УС) на концах. Конструкции ВУ и УС опять-таки одинаковы. Единственное отличие - диаметры элементов отводящей системы должны быть больше, чем у их входных аналогов, чтобы обеспечить эффективный перепад давлений.

Скорость потока в турбинном канале регулируется простым вращением ВУ. При слабом ветре воздухозаборники ориентируются "лицом" к нему, а по мере усиления все больше отворачиваются, если это нужно. Устройства сброса, естественно, всегда направлены "спиной" к ветру. Координируют работу всех ВУ и УС микропроцессорные блоки контроля и управления их электроприводами, датчик направления ветра и центральный процессор с зашитой в нем программой. Режим регулирования вполне может быть не плавным, а дискретным, прорывным, что упростит систему управления. Оценим энергетические показатели такой установки по полученной формула мощности W и сравним абсолютные энергетические показатели старого и нового вариантов. Зададимся плотностью воздуха р = 1,2 кг/м³ и скоростью ветра V= 5 м/с.

Для первого варианта возьмем предельный диаметр ветрового колеса - 120 м, что дает площадь S (СП) чуть больше 11 000 м². Подставив эти данные в формулу, получим мощность ветрового потока всего 0,8 МВт.

Для новой ВЭУ используем нашу оценку скорости V в рабочем канале (около 200 м/с) и зададимся скромной величиной СП| турбины - 10 кв.м. Аналогичный показатель составит 48 МВт! Энергетическое преимущество настолько явное, что дополнительные затраты (если они вообще понадобятся) непременно окупятся. Разумеется, в обоих вариантах, с учетом различных потерь, электрогенераторы утилизуют далеко не всю аэродинамическую мощность. Но и здесь, как мы убедились, новая ВЭУ должна иметь преимущество - более высокий КПД. Как показывают простейшие расчеты, стоит поставить несколько лишних ВУ да немного увеличить их диаметр - и мы быстро подойдем к пределу возможностей даже авиационных турбин. То есть данное условие само по себе и определяет число и размеры ветроэнергетической установки.

Далее целесообразно рекомендовать еще один вариант исполнения ветроэнергетической установки комбинированной с гелиоустановкой. Такая комбинация является наиболее эффективным вариантом использования ВЭУ большой и средней мощности. Относительно простая схема позволяет максимально использовать энергию ветра, располагать ВЭУ в наиболее выгодных по ветровым условиям местах (на возвышениях, в долинах с сильными местными ветрами), работать с любым числом различных электростанций, не усложняя при этом схему электрических соединений и не увеличивая протяженность питающих линий электропередачи.

Примером такого использования может служить следующая комбинированная гелиоветровая установка предложенная сотрудниками НПО "Солнце".

Рис. 9. Комбинированная гелиоветровая установка.

Установка содержит солнечный коллектор 1, связанный с ветровым агрегатом 2, тепловой насос 3 и секционный бак-аккумулятор 4, секции 5 и 6 которого входными патрубками 7 и 9 сообщены с выходами 10 и 11 коллектора 1 и охладителя 12 теплового насоса 3 соответственно, а нижняя секция 13 - с входами 14 и 15 коллектора 1 и циркуляционного насоса 16, сообщенного с охладителем 12 теплового насоса 3. Бак-аккумулятор выполнен трехсекционным, причем входной патрубок 9 его средней секции 6 сообщен с входом,15 циркуляционного насоса 16 перемычкой 17 с двумя установленными на ней трехходовыми клапанами 18 и 19. Нагреватель теплового насоса 3 выполнен в виде последовательно соединенных испарителя 20 и дополнительного теплообменника 21, вход 22 которого через трехходовой клапан 23 сообщен с выходным патрубком 24 бака-аккумулятора 4, а выход 25 - с входом 14 коллектора 1 через обратный клапан 26. Тепловой насос 3 снабжен компрессором 27, связанным с ветроагрегатом 2 и дроссельным клапаном 28. Элементы установки соединены трубопроводами 29-31.

Комбинированная гелиоветровая установка работает следующим образом.

В расчетном режиме установка работает при расчетных среднесуточной суммарной солнечной радиации и среднесуточной скорости ветра. При этом температура в испарителе 20 стабильна.

Теплоноситель, например вода, нагретая под действием солнечной радиации в солнечном коллекторе 1 за счет термосифонной циркуляции, поступает через выход 10 и патрубки 7 в бак-аккумулятор 4, а параллельно солнечному коллектору 1 работает тепловой насос 3 с компрессором 27, привод которого осуществляется от ветроагрегата 2. В испарителе 20 испаряется холодильный агент, пары которого поступают из испарителя 20 в компрессор 27, где в результате сжатия повышается их давление и температура. Горячие пары из компрессора 27 поступают на конденсацию в охладитель 12, через который посредством циркуляционного насоса 16 подается теплоноситель из нижней секции 13 бака-аккумулятора 4 через трубопровод 30, трехходовый клапан 19 в среднюю и верхнюю секции 6 и 5 бака-аккумулятора 4 соответственно через патрубки 8 и 9. При этом трехходовой клапан 19 настраивается так, что при определенной температуре клапан пропускает теплоноситель из нижней секции 13 бака-аккумулятора 4 в охладитель 12, а перемычка 17 перекрыта. Сконденсированный холодильный агент из охладителя 12, пройдя дроссельный клапан 28, вновь поступает в испаритель 20. Далее цикл работы теплового насоса повторяется. Нагретый теплоноситель из верхней секции 5 бака-аккумулятора 4 поступает к потребителю, а недостающий объем компенсируется холодной водой, поступающей из водопровода в солнечный коллектор 1.

3. Перечень ветроэнергетических установок

ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И ГИБРИДНЫЕ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ СЕРИИ ЛМВ.

Совместное предприятие с голландскими инвестициями "Компания ЛМВ Ветроэнергетика" специализируется на производстве автономных ветроэлектростанций (ВЭС) мощностью от 0,25 до 10 кВт, ветросолнечных электростанций мощностью от 50 Вт до 100 кВт и сопутствующих гибридных энергосистем (ветросолнечных, ветродизельных, ветронасосов и ВЭС работающих совместно с сетью) Ветроэлектростанций мощностью 10 кВт объединяются в системы мощностью 100 кВт.

Специалисты ЛМВ имеют 20-летний опыт в области разработки и производства ветряных электростанций, что позволяет ЛМВ прочно держать позицию лидера на мировом рынке. Качество ветротурбин ЛМВ проверено временем и отвечает всем мировым стандартам. Наша продукция предназначена для энергоснабжения изолированных потребителей (удаленных от ЛЭП и т. д.), а также объектов, нуждающихся в автономном бесперебойном питании, таких как лесозаготовительные, фермерские и рыболовецкие хозяйства, метеостанции, световые и радиомаяки, телекоммуникационные системы, поселки и деревни, частные дома и больницы, водонасосные станции, системы катодной защиты и др.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ:

Таблица 5.ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ВЭС

КОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕРАТОРА ВЭС

В ВЭС используется бесщеточный многополюсный синхронный генератор с постоянными магнитами. Генератор выполнен из стандартных конструктивных элементов в полностью закрытом корпусе. Полюсное колесо генератора выполнено с выступающими полюсами, закрытыми постоянными магнитами. Для увеличения КПД применена трехфазная обмотка, класс изоляции F со специальной защитой. Магнитные материалы, использованные в конструкции полюсного колеса, поддерживают напряженность магнитного поля постоянной, благодаря чему электрические характеристики этого генератора подобны характеристикам тахогенератора.

Отсутствие редуктора исключает необходимость в регулярной замене масла, а закрытые самосмазывающиеся подшипники обеспечивают надежную работу генератора.

Электрический ток, вырабатываемый генератором, поступает на регулятор напряжения с выпрямителем и используется для зарядки аккумуляторных батарей. Диапазон рабочей температуры генератора ~ -60 +60 гр. С.

ЛОПАСТИ

Все ветротурбины ЛМВ комплектуются стандартными лопастями, произведенными на основе высококачественного стекловолокна и эпоксидной смолы. Производство лопастей основано на запатентованном методе известном как "прессовая намотка". Поэтому каждая лопасть является цельнолитой, в отличие от других лопастей, которые производятся путем склеивания двух частей вместе. Лопасти диаметром 3 и 5 м полые внутри, а 7 м - монолитные. Ведущая кромка лопастей покрыта эластичным полиуретаном для защиты против эрозии.

РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ВЫПРЯМИТЕЛЕМ (СИСТЕМА КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ)

Предназначен для управления зарядкой аккумуляторных батарей и электрического торможения генератора. Контроль за током зарядки и напряжением аккумуляторных батарей осуществляется с помощью приборов (амперметра и вольтметра), расположенных на передней панели регулятора, там же расположен тумблер электрического торможения.

Для ВЭС ЛМВ 500,1003, 2500, 3600 регулятор оснащается нагрузочным баластным сопротивлением (при полной зарядке аккумуляторных батарей происходит автоматическое переключение на нагрузочное балластное сопротивление).

Регулятор напряжения ВЭС ЛМВ 10000 при полной зарядке аккумуляторных батарей производит автоматическое отключение генератора и зарядка прекращается.

ИНВЕРТОР

С помощью инвертора постоянное напряжение с аккумуляторных батарей преобразуется в стабилизированное переменное напряжение 220 или 380 В частотой 50 Гц. Диапазон рабочих температур инверторов от 0 до 40 гр. С при влажности до 90% без кондиционирования. Инвертор имеет несколько видов защиты от перегрузки, короткого замыкания, перегрева и др. и работает в автоматическом режиме.

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

В системе электростанций ЛМВ используются стартерные свинцово - кислотные аккумуляторные батареи импортного производства напряжением 12 В и емкостью от 100 до 230 А/ч каждая. По желанию заказчика электростанции могут комплектоваться щелочными или стационарными необслуживаемыми аккумуляторными батареями.

КОМПЛЕКТНОСТЬ ПОСТАВКИ

Ежегодная выработка электроэнергии в большой степени зависит от местных ветровых условий. Если они фиксируются и анализируются, то возможно рассчитать количество и тип оборудования, которое может быть поставлено и определить оптимальное место установки ВЭС и др. ЛМВ может помочь Вам в принятии правильного решения.

ЛМВ - 2500

Общая информация

ЛМВ - 2500 (Максимальная выходная мощность 3 кВт), включая: генератор 24 В / 2500 Вт; суппорт генератора и хвост; лопасти с крестовиной; 12-ти метровую мачту с растяжками и фундаментными закладными; систему контроля напряжения 24 В / 2,5 кВт с электротормозом; инвертор (U вх. 24 В, U вых. 220 В, 3 кВт); аккумуляторные батареи 24 В, 950 А/ч; кабель, комплект мелких изделий для сборки.

Таблица 6. Основные технические характеристики

Цена 236 277 руб.

Сроки поставки от 1 до 3 месяцев после подписания контракта

ЛМВ - 3600

Общая информация

ЛМВ - 3600 (Максимальная выходная мощность 5 кВт), включая: генератор 24 В / 3600 Вт; суппорт генератора и хвост; лопасти с крестовиной; 12-ти метровую мачту с растяжками и фундаментными закладными; систему контроля напряжения 24 В / 3,6 кВт с электротормозом; инвертор (U вх. 24 В, U вых. 220 В, 5 кВт); аккумуляторные батареи 24 В, 1330 А/ч; кабель; комплект мелких изделий для сборки.

Таблица 7. Основные технические характеристики

Цена 294 977 руб.

Сроки поставки от 1 до 3 месяцев после подписания контракта

ЛМВ-1003

Общая информация

ЛМВ - 1003 (Максимальная выходная мощность 1,8 кВт), включая: генератор 24 В / 1000 Вт; суппорт генератора и хвост; лопасти с крестовиной; 12-ти метровую мачту с растяжками и фундаментными закладными; систему контроля напряжения 24 В / 1,5 кВт с электротормозом; инвертор (U вх. 24 В, U вых. 220 В; 1,8 кВт) , аккумуляторные батареи 24 В, 570 А/ч; кабель; комплект мелких изделий для сборки.

Таблица 8. Основные технические характеристики

Цена 155 936 руб.

ЛМВ - 10000

Общая информация

ЛМВ - 10000 (Максимальная выходная мощность 10 кВт), включая: генератор 120 В /10 кВт; суппорт генератора с токосъемником и хвост; лопасти; 12-ти метровую мачту с растяжками и фундаментными закладными; систему контроля напряжения 120 В / 10 кВт с электротормозом; инвертор (U вх. 120 В, U вых. 380 В, 10 кВт); аккумуляторные батареи 120 В, 570 А/ч; кабель; комплект мелких изделий для сборки.

Таблица 9. Основные технические характеристики

Цена 636 218 руб.

Сроки поставки от 1 до 3 месяцев после подписания контракта

Ветроэлектрическая станция - ВЭС-10ТМ

Ветроэлектрическая станция предназначена для производства электрической энергии, используемой для освещения, отопления и питания бытовых электроприборов.Вид работы - автономный.

Таблица 10. Структура условного обозначения ветроэлектрической станции


4. Экологические аспекты использования ветроагрегатов

Главная проблема для окружающей среды, связанная с ветроустановками, - это шум при их работе. В Европе существуют законы в области окружающей среды, которые определяют, какой уровень шума допустим для ветрогенераторов, и какому уровню шума могут подвергаться люди, живущие неподалеку. Из них следует, что отдельно расположенная ветроустановка может находиться на расстоянии примерно 150 метров от ближайшего жилого дома и при этом генерировать шум с максимальнм уровнем 45 децибел. Но это небольшой, и к тому же практически единственный недостаток ветроустановок, особенно если учесть, что срок ее службы обычно весьма продолжителен и составляет 15-20 лет при минимальном техническом обслуживании. Кроме того, ветроагрегаты не следует располагать на путях естественной миграции перелетных птиц.

Следует отметить, что при использовании ветроагрегатов с вертикальной осью вращения шумовые эффекты значительно ниже, чем у агрегатов с горизонтальной осью вращения ветроколеса.