2.3. Классификация ветроэнергетических установок

В Российской Федерации классификация ветроэнергетических установок по назначению определяется стандартом – ГОСТ Р 51990-2002 «Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Классификация». ВЭУ классифицируют: по виду вырабатываемой энергии; по мощности; по областям применения; по назначению; по признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса (ВК); по способам управления; по структуре системы генерирования энергии.

ВЭУ в зависимости от вида вырабатываемой энергии подразделяют на две группы: механические и электрические. Электрические ВЭУ, в свою очередь, подразделяют на ВЭУ постоянного и переменного тока.

ВЭУ в зависимости от мощности подразделяют на четыре группы:

а) большой мощности – свыше 1 МВт;

б) средней мощности – от 100 кВт до 1 МВт;

в) малой мощности – от 5 до 99 кВт;

г) очень малой мощности – менее 5 кВт.

В зависимости от области применения механические ВЭУ подразделяют на две подгруппы: ветронасосные и ветросиловые.

Электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на три подгруппы: ветрозарядные –зарядка аккумуляторных батарей (АК), гарантированного питания-гарантированное снабжение электроэнергией потребителей одновременно или отдельно от двух источников энергии ВК и АК и негарантированного питания – работа ВЭУ без АК, нагрузка питается через блок управления, имеющий регулятор напряжения.

Электрические ВЭУ переменного тока подразделяют по назначению, согласно таблице 2.

Таблица 2. Классификация ВЭУ по назначению

Общая схема классификации ВЭУ приведена на рис. 19.

.

Рис. 19 Общая классификация ВЭУ

Структурная схема автономных ВЭУ показана на рис. 20. Структурная схема гибридных

ВЭУ показана на рис.21, а сетевых ВЭУ – на рис.22.

Г – генератор; СГ – синхронный генератор; АГ – асинхронный генератор;

БС – балластное сопротивление; ПЧ – преобразователь частоты

Рис.20 Структурная схема автономных ВЭУ

Классификация по типу применяемой ветротурбины. В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа.

СГ – синхронный генератор; АсГ – асинхронизированный генератор; ПЧ – преобразователь частоты

Рис. 21 – Структурная схема гибридных ВЭУ

СГ – синхронный генератор; АГ – асинхронный генератор; АсГ – асинхронизированный генератор; ПЧ – преобразователь частоты

Рис.22 – Структурная схема сетевых ВЭУ

Классификация по типу применяемой электромашины представлена на рис.23.

Рис.23 Классификация ВЭУ по типу применяемой электрической машины

Глава 3. Малая ветроэнергетика

3.1 Области применения ветроустановок

К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1кВт относятся к микро-ветряной энергетике. Они применяются на, с/х фермах для водоснабжения и т.д.

Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети. Обеспечение потребителей электроэнергией за счет ветроэлектрических установок (ветряков) напрямую зависит от наличия ветра в месте установки оборудования, его силы и постоянства. Разумеется, метеорологическая карта ветров очень приблизительно оценивает скорость ветра в том или ином регионе и, как правило, это среднегодовые осредненные данные. Поэтому необходимо оценивать возможность эффективной работы ветроустановки индивидуально в каждом конкретном случае. Во многом наличие и сила ветра зависят от рельефа местности, открытости пространства, присутствия вблизи водоемов, рек и т. п. Даже около высоких сооружений возможна весьма эффективная работа ветровых систем из-за возникновения эффекта «сквозняков» между зданиями. Более того, независимо от направления ветра «сквозняки» между зданиями, в лощинах, вдоль русла рек, в оврагах присутствуют практически всегда, и скорость ветра , как правило, достаточна для успешной работы ветроустановки. Поэтому, перед принятием решения о приобретении ветроэлектостанции целесообразно понаблюдать за ветром, Есть множество случаев, когда вам может понадобиться небольшое количество электроэнергии, например, освещения, механизм открывания ворот, предупредительные огни, подъем воды из скважины, показатели уровня воды и другие маломощные устройства. Для этих целей может быть применена ветроустановка с ротором Савониуса, рис.24, которая проста в изготовлении и может производить достаточно энергии для маломощных устройств.

Рис.24 Ветроустановка с ротором Савониуса

Ветроустановка мощностью 1.5 кВт, ВЭУ-1.5 представлена на рис. 25. Она может использоваться для питания светильников общественного и персонального освещения.

Портативная ветроэнергетическая установка благодаря малым размерам может легко транспортироваться на легковых автомобилях среднего класса. Может использоваться для приготовления пищи, обогрева жилища и т.д. Устанавливается без помощи грузоподъемных машин, двумя рабочими с помощью лебедки. Подключив ветроустановку к аккумуляторам, можно заряжать их в ветреную погоду и использовать их емкость во время безветрия. Выпускается с выходом 48В постоянного тока и 220В/50Гц переменного тока (с инвертором).

 

Рис.25 Ветроустановка мощностью 1.5 кВт.

Ветроустановка мощностью 3кВт, 4-лопастная, рис.26, могут использоваться для обеспечения энергопитания небольшого дома, удаленного объекта.

Рис. 26 Ветроустановка мощностью 3 кВт

Ветроустановка мощностью 30 кВт, представлена на рис. 27 может служить удобным автономным источником энергопитания для большого коттеджа, группы домов, офиса или небольшого цеха.

В России начаты разработки малых ветроэнергетических установок роторного типа, которые имеют диапазон рабочих скоростей ветра от 3 до 50 м/с и улучшенные экологические параметры: уменьшенный уровень шума, вибрации и воздействия на фауну местности.

Рис. 27 Ветроустановка мощностью 30 кВт

Опробованы экспериментальные образцы мощностью 1 кВт. На рис.28 представлен схематичный разрез роторного ветрогенератора, с комплектующими элементами и состоящего из осе совмещенных вертикальных роторных модулей, состоящих в свою очередь из кольцевых направляющих аппаратов, внутри которых на подшипниковых узлах установлены роторы, их выходной вал шлицевым соединением присоединен к валу электрогенераторов.

Рис. 28 Схема ВЭУ роторного типа

Направляющий аппарат забирает воздух из свободного потока, направляет на рабочие лопатки виндротора, обеспечивает активный выход отработанного воздуха из объема виндротора. Воздушный поток на лопатках виндротора реализует два своих параметра – динамический напор и скорость, чем определяются высокий момент, создающийся при трогании двигателя при низких скоростях ветра и высокая скорость набора нагрузки при росте скорости ветра. Благодаря двукратному изменению направления потока на лопатках роторов кинетическая энергия ветра с высоким КПД преобразуется в механическую энергию вращения вала роторов, которая электрогенератором преобразуется в электрическую.

К малым ветрогенераторам относятся парусные ветрогенераторы. Предлагаемые парусные ветрогенераторы предназначены для бесперебойного снабжения электроэнергией промышленных параметров 380/220/50 владельцев индивидуальных строений, агроферм и предприятий малого бизнеса и т.д. Типовые модели: 1кВт, 4кВт, 10кВт. Максимальная мощность – до 100кВт. Для подъема воды из любых водоисточников: скважины, колодца, открытого водоема без применения электропровода или двигателя внутреннего сгорания может быть использована технология с применением ветронасосной установки небольшой мощности (1,5-3 кВт). Ветронасосы 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. Ветронасосная установка представлена на рис.29.

Установка состоит из двух основных частей – ветродвигателя и насоса. Ветродвигатель – многолопастной, тихоходный, представляет собой головку с 12-лопастным ветроколесом. При изменении направления ветра он автоматически самоустанавливается с подветренной стороны опоры благодаря повороту головки. Насос является самовсасывающим, с горизонтальной проточной резиновой диафрагмой. Производительность установки увеличивается при увеличении скорости ветра и при уменьшении высоты подъема воды. Установка начинает работать при скорости ветра 2,5м/с и при скорости в 6 м/с производительность ее доходит до 700л/ч при высоте всасывания 8м.

В основном малая ветроустановка состоит из следующих основных компонентов:

– ротор, лопасти, ветротурбина,

– мачта с растяжками

– генератор,

– аккумуляторные батареи,

– контроллер,

– инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц) ,

– анемометр и датчик направления ветра,

– АВР – автоматический переключатель источника питания.

Лопасти ветротурбины приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.

Мачта используется для подъема ветротурбины.

Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра. В зависимости от условий эксплуатации и специфических требований в составе ветроэнергетической установки (ветрогенератора) используются следующие типы генераторов.

Рис.29 Ветронасосная установка

Генератор с аксиальным зазором - синхронный тихоходный генератор с постоянными магнитами. Выходное напряжение является переменным по частоте и амплитуде, необходима сложная электронная регулировка. Генератор может использоваться в автономных системах. Синхронизация с сетью требует дополнительного оборудования.

Генератор с комбинированным возбуждением - низкооборотный генератор с электромагнитами. Дополнительная, регулирующая обмотка стабилизирует выходное напряжение генератора на выходе. Выход – постоянное напряжение (24В, 48В, 96В и т.д.). Генератор может использоваться в автономных системах. Синхронизация с сетью требует дополнительного оборудования.

Генератор асинхронный синхронизированный. Обмен активной и реактивной энергией с автоматической (согласно физической природе) стабилизацией частоты и амплитуды выходного напряжения делает такой генератор привлекательным для использования в составе сети. В случае сетевого варианта выход – переменное, согласованное по фазе, частоте и амплитуде напряжение. В случае автономного варианта для получения постоянного напряжения требуется дополнительный регулятор. В таблице 3 представлены технические характеристики низкооборотных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов.

Контроллер необходим для управления работой ветроустановкой (поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др.)

Инвертор необходим для преобразования переменного тока, вырабатываемого генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей. Инверторы бывают четырёх типов:

1.Модифицированная синусоида – преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с модифицированной синусоидой (ещё одно название: квадратная синусоида). Пригоден только для оборудования, которое не чувствительно к качеству напряжения: освещение, обогрев, заряд устройств.

2.Чистая синусоида – преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с чистой синусоидой. Пригоден для любого типа электроприборов: электродвигатели, медицинское оборудование и др.

3.Трехфазный – преобразовывает ток в трехфазный с напряжением 380В. Можно использовать для трехфазного оборудования.

4. Сетевой – в отличие от предыдущих типов позволяет системе работать без аккумуляторных батарей, но его можно использовать только для вывода электроэнергии в местную электросеть. Их стоимость, обычно, в несколько раз превышает стоимость несетевых инверторов.

Таблица 3 Технические характеристики низкооборотных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов

В зависимости от моделей они различаются по входному постоянному напряжению (12V, 24V, 48V) и по мощности подключаемой к ним нагрузки (от 500 Вт до 5 кВт и более). Как правило, все инверторы обеспечивают защиту от перегрузки, короткого замыкания, перезаряда и полного разряда аккумуляторов. Большинство инверторов обладает функцией автоматического переключения питания бытовых приборов на аккумулятор и обратно при "пропадании" сети 220V 50Гц и её "появлении", а также способностью автоматической зарядки аккумуляторов после использования их в качестве источника электроэнергии. Инвертор питает приборы напряжением 220 Вольт 50 Гц и контролирует состояние батареи. В случае нехватки вырабатываемой ветряком и накопленной на аккумуляторах энергии, и падении напряжения на батарее до 22 Вольт, автоматически запускается дизель-генератор. Инвертор переключает потребители на питание от дизеля и одновременно заряжает аккумуляторную батарею. При достижении напряжения на клеммах аккумуляторов 28 (или 30 – в зависимости от емкости батареи) Вольт, дизель-генератор автоматически выключается, и питание приборов инвертор переключает на аккумуляторы.

Аккумуляторные батареи необходимы для накапления электроэнергии, которая будет использована в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им получается стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Определяясь с мощностью приобретаемой ветроэлектрической установки, надо иметь ввиду, что все ветроустановки работают на заряд аккумуляторной батареи. Только так можно обеспечить непрерывное электропитание потребителей определённой мощности требуемым напряжением, при помощи подключаемого к аккумуляторной батарее инвертора. Однако надо учитывать, что максимально возможный зарядный ток на аккумуляторы составляет 10% от их ёмкости. Это значит, что чем мощнее ветрогенератор, тем больше должна быть ёмкость установленной аккумуляторной батареи и, следовательно, большее количество аккумуляторов. Так при мощности генератора в 5 кВт и напряжении на аккумуляторной батарее 48 Вольт, максимально возможный ток заряда батареи составляет около 100 Ампер. Следовательно для батареи, собранной из отдельных 12 вольтовых аккумуляторов ёмкостью по 200 А/час. каждый, необходимо 20 аккумуляторов, чтобы использовать мощность генератора в полном объёме. То есть каждые 4 аккумулятора, соединённые последовательно, составляют одну линейку напряжением 48 Вольт и ёмкостью 200 А/час. Максимально возможный ток для такой линейки составляет 20 Ампер. Таких линеек необходимо 5, соединённых параллельно. Если же аккумуляторов будет меньше (общая ёмкость батареи меньше 1000 А/час.) – то либо придётся ограничивать ток заряда , либо аккумуляторная батарея будет "кипеть" при сильном ветре, и быстро выйдет из строя. Конечно, чем мощнее генератор, тем больше ток заряда при малых ветрах, и быстрее восстановление аккумуляторов до полной ёмкости. Но соотношение цены и мощности ветроустановки, возможность размещения огромной по количеству и дорогой по цене аккумуляторной батареи заставляют подумать о мощности приобретаемого ветрогенератора.