Глава 1. Ветер как источник энергии

Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании кинетической энергии ветрового потока. Ветер представляет собой движение воздуха в атмосфере, возникающее под действием различных факторов. Прежде всего он возникает от разности давлений у поверхности Земли и границы атмосферы. Возникает также разность давлений в горизонтальной плоскости – барический градиент, который вынуждает воздух перемещаться в горизонтальном направлении. Неравномерный нагрев атмосферы, земной поверхности и мирового океана из-за солнечной радиации, вращение Земли и связанное с ним действие сил Кориолиса также оказывают воздействие на поток воздуха. В области экватора воздух нагревается и поднимается вверх. Верхние слои движутся в направлении полюсов, там охлаждаются и опускаются к Земле. Вместе с тем, существуют зоны стабильных ветров – пассатов, которые находятся в области, лежащей между 25 и 30 северной и южной широтами соответственно. Постоянный западный ветер дует с запада на восток в полосе от 40 до 60 южной широты. Постоянно дующими ветрами являются муссоны в Индийском океане.

Основные характеристики ветра – скорость и его направление крайне изменчивы и зависят от многих факторов, а именно: рельеф местности, удаленность от берегов и океанов, климатические зоны и т.д. Скорость ветра может меняться в широких пределах: от легкого дуновения до урагана (около 100 м/с). Колоссальная энергия ветра может нанести громадный ущерб в виде разрушенных при ураганах зданий, линий передач и т.д. или может быть использована в народнохозяйственных целях. Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например – городами), без ущерба для хозяйственной деятельности. Природно-техническая система с ВЭУ представлена на рис.1.Таким образом, можно сделать обобщающий вывод о том, что ресурс ветроэнергетике достался не постоянный и существенно подверженный влиянию местных условий.

Рис.1 Природно-техническая система с ВЭУ

Ветер как источник энергии характеризуется, прежде всего, скоростью. Скорость ветра в данном месте очень непостоянная величина. Для нее характерны быстрые изменения (порывы) и медленные (погодные, суточные, сезонные). Поэтому данное место характеризуют среднегодовой скоростью ветра. Обычно в справочниках на основании данных метеостанций приводятся скорости ветра на высоте 10 м. Для сооружения крупной (ВЭУ) предпочтительно знать скорость ветра на высоте 80 – 100 м. Кинетическая энергия потока воздуха E (Дж), занимающего объем V(м³), имеющего плотность ρ (кг/м³) и движущегося со скоростью w (м/с), определяется по формуле:

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже для указанного рабочего диапазона скоростей ветра приведены значения удельной мощности Nуд:

С помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ) в механическую энергию может быть преобразована только часть энергии ветрового потока. Отношение кинетической энергии ветрового потока Eв, преобразованной с помощью ветровой турбины в механическую энергию, к кинетической энергии невозмущенного ветрового потока E называется коэффициентом мощности или коэффициентом использования энергии ветра – Ср. Коэффициент использования мощности иногда называют критерием Жуковского-Бетца по имени двух учёных, которые теоретически обосновали его предельное (идеальное) значение 0,593.

Для каждой ВЭУ можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра:

Wminр, при которой 0≤w≤wminр и мощность ВЭУ равна нулю;

wNр, при которой wminр≤w≤wNр и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

wmaxр, при которой w>wmaxр и мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от wminр до wNр полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра w на высоте башни Hб(м) и диаметре ротора ВЭУ w (м) рассчитывается по формуле:

где S = πD2/4; ηр— КПД ротора (около 0,9); ηг— КПД электрогенератора (около 0,95); Ср – коэффициент мощности, обычно принимаемый равным 0,45 в практических расчетах; ρ = 1,226 кг/м³

После подстановки всех указанных значений в формуле получаем для ориентировочных расчетов:

Для малых ВЭУ wminр находится обычно в пределах 2,5–4 м/с, а wNр – от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4–5 и 12–15 м/с.

Для реальных современных ВЭУ Ср лежит в диапазоне 0,38…0,48. Для получения электрической мощности ВЭУ вышеприведённое выражение необходимо ещё умножить на произведение механических (редуктор, подшипники и т п.) и электрических (генератор, трансформатор и т. п.) КПД элементов силового тракта ВЭУ. Обычно для современных ВЭУ суммарный КПД элементов можно принимать в диапазоне 0,90…0,93.

Для разработки конструкции ветроколеса (ВК), кроме параметра, – коэффициент использования мощности–Ср, используется еще один важный параметр – коэффициент быстроходности-λ.

Быстроходность ветроколеса представляет собой отношение линейной скорости конца лопасти к скорости набегающего потока и служит аэродинамической характеристикой ветроколеса. При оптимальной быстроходности лопасть ветроколеса не попадает в поток, турбулизированный предыдущей лопастью. Этот поток успевает покинуть область ветроколеса. В то же время воздух не проходит через сечение ветроколеса свободно, без взаимодействия с его лопастями. Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра Ср от быстроходности ВК λ для различных типов ВЭУ представлены на рис.2.

Быстроходность важна тем, что для получения электрического тока приемлемого качества (~50Гц) необходимо, что бы быстроходность ВК была как можно больше. Больше линейная скорость конца лопасти, т. е. больше частота вращения ВК, т. е. больше число оборотов генератора, т. е. ток, вырабатываемый этим генератором ближе к желаемым 50 Гц. На практике недостающие обороты, помимо быстроходности «добирают» применением редукторов (коробки передач, повышающей число оборотов на валу генератора), применения многополюсных генераторов, использованием электрических схем повышающих частоту переменного тока и т. п.

Быстроходность остаётся одним из определяющих понятий для выбора типа ВЭУ. Оперируя этими двумя важными параметрами и глядя, на вышеприведённый график можно рассуждать о том, почему же в современной ветроэнергетике в подавляющем большинстве случаев применяют трёхлопастные горизонтальноосевые башенные ВЭУ, использующие подъёмную силу. ВК использующие подъёмную силу имеют больший коэффициент использования мощности, чем использующие силу сопротивления при достаточно большом коэффициенте быстроходности. Башенные – потому что позволяют использовать ветровой поток на высоте 100 м от земли, горизонтальноосевые по тем же причинам (наилучшее соотношение λ с Ср ). А вот с тремя лопастями вопрос остаётся открытым. Казалось бы, двухлопастные ВК имеют наилучшее соотношение λ с Ср , а применяются крайне редко. Точнее в «большой» ветроэнергетике вообще практически не применяются. Причин две: при слишком высоком λ может возникнуть такая ситуация, когда конец лопасти уйдёт в так называемый флаттерный режим при превышении скорости звука (~340 м/с); двухлопастные ВК подвержены сложным динамическим нагрузкам (биение) связанным с двухполюсностью (по числу лопастей) ВК. В то время как трёхлопастные ВК более равномерно распределяют нагрузки от лопастей на три полюса. С другой стороны, становится понятным, почему для получения механической энергии (момент на валу) при, например подъёме воды из используются многолопастные ВЭУ. При неплохом Ср он имеет крайне низкий λ, т. е. вращается крайне медленно, но, по закону сохранения момента количества движения с максимально возможным для ВЭУ усилием.

Рис.2 Главные энергетические характеристики наиболее распространенных ветродвигателей

Существуют два способа регулирования мощности. Первый способ – поворотом лопасти относительно направления ветра, изменяя так называемый «угол атаки», то есть угол, под которым ветер набегает на лопасть и от которого зависит «подъемная» сила лопасти, которая преобразуется в ее вращение. Этот способ по-английски называется «питч-регулирование» (pitch – «ставить», то есть лопасть принудительно ставится в определенное положение). Ветроустановки с поворотом лопастей можно использовать для регулирования мощности как в зависимости от скорости ветра, так и по заданию диспетчера. При этом наибольшая возможная мощность определяется скоростью ветра.

Второй способ заключается в том, что профиль лопасти выполняется различным по длине. В результате при увеличении скорости ветра на отдельных частях лопасти наступает, срыв потока и ее «подъемная» сила уменьшается. Таким образом, при скорости ветра выше номинальной удается держать мощность ветроустановки равную номинальной. Способ называется «стол» (stall – «застревать»), то есть часть потока ветра как бы застревает и не производит работу. В ветроустановках такого типа принудительно регулировать мощность нельзя. И это их недостаток. Но их достоинство состоит в том, что не нужен сложный механизм поворота лопастей. Тем не менее, практически во всех мощных ВЭУ используется первый способ. Коэффициент использования энергии ветра Ср зависит от многих конструктивных особенностей, но, в конечном счете, от профиля лопасти и от степени ее шероховатости, а также от соотношения между скоростью вращения лопастей и скоростью ветра, называемом коэффициентом быстроходности. Этот коэффициент определяет, в конечном счете, экономичность ветроустановки.

Ветроустановку характеризуют следующие параметры ветра:

– стартовая скорость ветра, обычно в диапазоне от 2,5 до 4,0 м/с, при которой ВЭУ начинает вращение;

– номинальная скорость ветра, обычно от 10 до 14 м/с, при которой мощность ветроустановки достигает номинального значения;

– максимальная скорость ветра, при которой ветроустановка отключается от сети и останавливается, обычно в диапазоне 20-25 м/с.

Существует еще так называемая «буревая скорость ветра». Это скорость, при которой остановленная ветроустановка не должна разрушаться (обычно от 60 до 80 м/с).

Принято считать, что крупные ВЭУ целесообразно устанавливать в месте, где среднегодовая скорость ветра не ниже 5 м/с. Для оценки количества электроэнергии, которое будет произведено данной ВЭУ за год, необходимо также знать усредненную по многолетним наблюдениям вероятность наличия ветра с той или иной скоростью. На этом основании вычисляется коэффициент использования установленной мощности (Киум) и представляет собой отношение действительной выработки электроэнергии к максимально возможной, т. е. максимальное значение коэффициента равно единице или 100%. Для традиционных электростанций он колеблется от 0, 4 до 0, 8. Что касается ветростанций, то их Киум в Европе в среднем составляет 0,2-0,3, но зависит он в основном от ветровых условий. Есть примеры ВЭС, где он равняется 0,4 и выше. Для благоприятных мест с более или менее постоянным ветром (ущелья, горные хребты, шельф) этот показатель может достигать 3000 ч/год (коэффициент использования установленной мощности около 0,3).

По величине энергии проходящей на один кв. метр обметаемой поверхности существует подразделение местности на семь классов. Фактически это подразделение местности по среднегодовой скорости ветра на высоте 50 м над поверхностью. Названия классов и их характеристика приводятся в таблице 1.

Эти данные являются ориентиром для выбора площадки сооружения ВЭС большой мощности. Для ВЭУ малых мощностей это не является решающим фактором. Срок энергетической окупаемости ветроустановки (или любой другой электростанции) —это термин, обозначающий за какое время ветроустановка (или электростанция другого типа) выработает количество энергии, равное количеству, затраченному на её производство, монтаж (строительство), обслуживание и утилизацию. По оценкам Британской и Американской ветроэнергетических ассоциаций этот срок для ВЭУ составляет от трёх до восьми месяцев (в зависимости от среднегодовой скорости ветра) – это один из самых коротких сроков всех видов электроустановок, тогда как для угольных и атомных электростанций он составляет шесть и более месяцев.

Другая оценка этого явления – «коэффициент энергетической эффективности» – это отношение энергии, выработанной ветроустановкой (или любой электростанцией) за срок службы к энергии, затраченной на производство установки, строительство, обслуживание и утилизацию ветроустановки (или любой другой электростанции). По исследованиям университетов США, коэффициент энергетической эффективности ветростанций Среднего Запада Америки составил от 17 до 39 (в зависимости от среднегодовой скорости ветра. В то время как для атомных электростанций он оказался равным – 16, а для угольных – 11.

Таблица 1. Классификация ветроэнергетических ресурсов на высотах 10 и 50 м от поверхности земли

Класс

Высота 10 м

Высота 50 м

Скорость ветра, м/с

Удельная мощность, Вт/

Скорость ветра, м/с

Удельная мощность, Вт/

0–4,4

0–100

0–5,6

0–200