Стоимость ветрогенераторов, безусловно, высока, поскольку это сложные устройства, которые не находятся в широком обращении, как, например, телевизоры или автомобили. Кроме самого ветрогенератора, комплектующие ветроэлектростанции также включают аккумуляторы, контроллер и инвертор. Также мачты, на которых устанавливаются ветрогенераторы, представляют собой дорогую и незаменимую часть всей конструкции.
Ветрогенератор
Ветрогенератор — это устройство, предназначенное для преобразования энергии ветра в электрическую энергию, а также в механическую, которая может использоваться для приводов различных механических устройств, таких как насосы для подачи воды. Современные ветрогенераторы являются эволюцией ветряных мельниц. В прошлые века ветряные мельницы использовались для того, чтобы перемалывать зерно или поднимать воду, но с развитием технологий и началом электрической эры они начали вращать генераторы, производящие электричество.
- Устройство и принцип работы ветрогенераторов.
- Разнообразие типов и моделей ветрогенераторов.
- Генераторы, применяемые в конструкциях ветрогенераторов.
- Цены на ветрогенераторы и сферы их использования.
Существуют промышленные ветрогенераторы, которые устанавливаются правительствами или крупными энергетическими компаниями для обеспечения электроэнергией промышленных объектов. Промышленные ветровые турбины отличаются наиболее значительными размерами и мощностью — часто исчисляемой в мегаваттах. Такие установки не устанавливаются поодиночке; вместо этого создаются целые ветропарки в местах с оптимальными условиями для выработки электроэнергии. Чаще всего такие места располагаются на побережьях или открытых возвышенностях. Электрическая энергия, вырабатываемая ветрогенераторами, направляется прямо в электросети, а стабильность частоты вращения генераторов поддерживается различными механизмами, такими как системы регулирования углов установки лопастей относительно направления ветра. Это позволяет поддерживать постоянные обороты как ветроколеса, так и генератора, что крайне важно для гарантии стабильно высвобождаемой энергии.
Ветропарк в море — промышленные ветрогенераторы
К примеру, в Северном море расположены ветропарки, состоящие из 80 ветрогенераторов, которые в совокупности обеспечивают производство 400 мегаватт энергии, что в свою очередь может удовлетворить потребности около 455 000 домохозяйств. Этот ветропарк находится примерно в 140 километрах от побережья Нижней Саксонии.
Кроме того, есть коммерческие ветрогенераторы, устанавливаемые с целью продажи электричества или обеспечения энергией производства в местах, где собственных мощностей недостаточно, или вовсе отсутствуют электросети. Такие ветроэлектростанции также состоят из множества ветрогенераторов различной мощности. Энергия, вырабатываемая такими ветрогенераторами, может поступать напрямую в электросеть, если они обеспечивают стабильное переменное напряжение от 220 до 380 вольт и более. Либо же ветрогенераторы могут использоваться для зарядки массивов аккумуляторов, с которых электрическая энергия затем преобразуется в переменное напряжение и подается в электросистему.
Кроме того, существуют небольшие бытовые ветряки, предназначенные для частного использования. На их установку не требуется никаких разрешений, если высота мачты не превышает 25 метров и они не создают помех для самолетов. Эти ветрогенераторы работают на низковольтной энергии и предназначены, в основном, для зарядки аккумуляторов с напряжением 12, 24 или 48 вольт. Из этих аккумуляторов энергия преобразуется в стандартное напряжение 220 вольт, 50 Гц, как в домашних розетках. Такие ветряные установки чаще всего используются для обеспечения электроэнергией частных домов, дачный участков, подсобных хозяйств, а также для питания небольших удалённых объектов.
Ветровая электростанция: назначение и устройство
Ветровая электростанция представляет собой комплекс ветряных турбин, создаваемых для преобразования энергии движущегося ветра в механическую работу генератора, который производит электрический ток.
Одна такая станция может содержать любое количество ветроэнергетических установок (ВЭУ). Крупнейшие из них могут включать сотни таких элементов.
Принцип работы каждой установки основан на использовании кинетической энергии ветра для вращения подвижной части ветряка, соединенной с ротором генератора. Внутри установлено устройство, называемое редуктором, который увеличивает скорость вращения вала. В результате этой работы создается трехфазный переменный ток.
Для преобразования переменного тока в постоянный в конструкциях предусмотрен контроллер. Этот постоянный ток затем заряжает аккумуляторные батареи, которые, в свою очередь, передают электричество на инвертор.
В инверторе этот постоянный ток снова преобразуется в переменный, который может быть использован в электроприборах. Его напряжение становится 220 В, а частота — 50 Гц.
Обслуживание ветровых установок
Ветряные электроустановки имеют множество подвижных частей, которые подвержены преждевременному износу ввиду высокого коэффициента трения и сильных механических нагрузок. К таким элементам относятся вращающиеся валы, подшипники и планетарные редуктора.
Диаметр этих элементов может достигать нескольких метров, и с улучшением технологии и увеличением производительности станций, его размеры могут удваиваться и утраиваться.
Для повышения надежности и продления срока службы таких высоконагруженных механизмов, чье постоянное обслуживание затруднительно, используется антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY 1003, которое не нуждается в обновлении на протяжении всего срока службы ветроэнергетической установки.
Это покрытие создает на поверхности деталей устойчивый сухой слой, позволяя значительно снизить трение между сопряжёнными элементами и тем самым продлить их ресурс эксплуатации. Благодаря этому установки функционируют намного дольше, что практически сводит к нулю риск их отказов.
На корпусе ветряного генератора устанавливаются специальные площадки для работы персонала в случае поломки оборудования. Часто также предусмотрено поле для посадки вертолетов, чтобы решение проблем с оборудованием было легким, особенно когда мачта турбин может достигать сотен метров в высоту, а расположение от ближайших населённых пунктов может быть значительным.
Ремонт может потребоваться в случае повреждения системы тормозов, ударов молнии, обледенения лопастей и других непредвиденных обстоятельств. Кроме того, необходимо проводить регулярные профилактические осмотры работы оборудования для его надежного функционирования.
Крылом по ветру
Не случайно во время сильного шторма на кораблях спускают паруса — использование энергии ветра эффективно лишь до определённых пределов. При сильных порывах ветра системы управления должны обеспечивать защиту: начинаются увеличенные нагрузки на лопасти, мачту и корпус гондолы. В прежние времена, когда масштабы ветроэнергетических установок были менее значительными, проблему защиты от сильных ветров решали за счёт более массивных башен и прочных лопастей. Если рассматривать профиль крыльев, то его конструкция была такова, что при достижении определенной скорости ветра сверху к лопастям прикасался поток воздуха, что вызывало возникновение явления потокового срыва, что в свою очередь снижало подъемную силу. Это позволяло предохранять генератор от работы на нерасчетных оборотах, что могло привести к его повреждению. Однако по-настоящему революционным решением, которым было внедрение системы управления углом атаки лопастей (pitch control), стало возможным достигать мегаваттной мощности современных ветрогенераторов. Эта интеллектуальная система отслеживает количество энергии, поступающей на ветроколесо, и поддерживает оптимальную скорость вращения за счёт поворота лопастей вокруг продольной оси, что изменяет подъемную силу. Изменение угла атаки осуществляется с помощью специальных приводов в ступице, которые вращают лопасти.
Система управления углом атаки (pitch control) позволяет не только поддерживать вращение ротора в заданных пределах скорости, но и служит дополнением к общей системе безопасности ВЭУ — она позволяет остановить ветроколесо при сильный ветер и избежать резонансного раскачивания башни. Дело в том, что ветрогенератор может вступать в резонанс под действием некоторых нагрузок, вызванных как пульсацией воздуха, так и толчками, возникающими, когда лопасть проходит мимо мачты. Хотя данный эффект практически не заметен издалека, при близком наблюдении его можно ощутить. Представим себе ситуацию, когда частота таких толчков совпадает с резонансной частотой колебаний самой башни. Последствия такой ситуации могут быть предсказуемы — ВЭУ может разрушиться. Для борьбы с подобным эффектом можно либо увеличить частоту колебаний башни (что потребует утолщения и утяжеления конструкции), что не только увеличит монтажные затраты и количество используемых материалов, но и усложнит проект. Либо же оставить башню легкой и за счет системы управления углом атаки сохранить вращение ветроколеса в безопасных пределах.
15 тонн как часы
Содержимое гондолы ветрогенератора также является высокотехнологичным. В большинстве современных ВЭУ мегаваттного класса используется мультипликатор — 3-4-ступенчатая система зубчатых передач, которая повышает скорость оборотов с 15 об/мин на валу ветроколеса до 1500 об/мин на валу электрогенератора. Хотя шестеренками сегодня никого не удивишь, мультипликатор в ВЭУ — это совершенно особый случай. Современный мультипликатор имеет массу около 12-15 тонн и КПД не ниже 97%. Это сочетание значительных размеров с высочайшей точностью механики. Для производства мультипликатора требуются высококачественные сплавы и сверхточная обработка поверхности, особенно это касается высокооборотной ступени, которая находится ближе к генератору. Чтобы облегчить работу механизма и отводить в систему охлаждения тепло от тех 3% потерь, которые преобразуются в тепловую энергию, применяются специальные масла. Это позволяет достигнуть как низкого веса мультипликатора, так и высокого КПД, а также значительной устойчивости к износу конструкции, что, в конечном итоге, обеспечивает длительный срок службы механизма.
Какие могут быть проблемы?
В России имеется весьма сложная инфраструктура, обслуживающая газовую и атомную энергетические отрасли. Тысячи людей работают в этих областях. Поэтому просто так перейти на альтернативные источники энергии, пусть даже более экологически чистые и экономически эффективные, у нас не получится.
Михаил Гусев, инженер подразделения электропривод компании ABB отмечает: Россия не ощущает нехватки в электроэнергии. Большинство российских генерирующих предприятий функционирует ниже установленной мощности. В нашем арсенале энергетических компаний всегда имеются атомные и гидроэлектростанции, которые производят электричество с существенно меньшими затратами, чем при генерации на основе углеводородов. Поэтому остро необходимости развивать альтернативные источники энергии у нас не наблюдается. Но вскоре такая нужда может возникнуть, и нужно заранее начать развивать данную отрасль.
Отставание России по количеству ветропарков от США и Европы остается значительным. Как говорит Владимир Максимов, руководитель департамента развития новых направлений бизнеса компании Toshiba Рус, основная причина такого положения — недостаточная эффективность мер государственной поддержки сектора ветровой энергетики. В то же время в сентябре прошлого года было принято правительственное постановление, увеличивающее привлекательность инвестиций в строительство объектов, работающих на базе возобновляемых источников энергии. Надеемся, что это станет хорошим сигналом для инвесторов.
Кроме того, еще одним значительным препятствием к развитию ветроэнергетики в России является высокая степень местной локализации производства компонентов, которая должна достигать 65%, — говорит Владимир Максимов. — Например, у ветропарка в Ульяновске уровень локализации составляет всего 28%. Проектура была спасена лишь благодаря тому, что он был утверждён ещё в 2015 году.
Другой весомой преградой остаются тонкости законодательной базы. Михаил Гусев поясняет, что закон заставляет рассматривать ветроустановку как уникальное сооружение из-за её высоты, что налагает ряд нелогичных ограничений. К примеру, требуется обустраивать подъездные пути к ветроэлектростанциям как автомобильные дороги, что существенно увеличивает финансовые затраты на строительство ветрогенераторов. Но без выполнения этих нормативных требований объекты не могут быть введены в эксплуатацию.
Как работает ветрогенератор
Октябрь, 2019 / Международный научный журнал
Наука через призму времени №10 (31) 2019
Автор: Стоцкий Кирилл Степанович, магистрант 2 курса
Рубрика: технические науки
Название статьи: Строение и принцип работы ветрогенератора
Статья просмотрена: 1095 раз
Дата публикации: 13.10.2019
СТРОЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
Стоцкий Кирилл Степанович
Фазылов Ильшат Занфирович
студенты 2 курса магистратуры
кафедра электромеханики факультет авионики, энергетики и инфокоммуникаций
Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа
Стоцкая Диана Рашитовна
студент 3 курса бакалавриата
кафедра экологии и природопользования, биологический факультет
Башкирский государственный университет, Россия, г. Уфа
научный руководитель: Максудов Денис Вилевич
доцент кафедры электромеханики
Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия, г. Уфа
Аннотация. Ветряная турбина, также известная как преобразователь энергии ветра, представляет собой устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в электрическую. В данной статье рассматриваются все аспекты накопления, преобразования и передачи электрической энергии.
Ключевые слова: ВЭС, ветроэнергетика, энергетика, ветрогенератор, инвертор.
Ветряная турбина, или преобразователь энергии ветра, представляет собой устройство, которое преобразует кинетическую энергию ветра в электрическую энергию.
Ветровые турбины производятся в широком диапазоне с вертикальными и горизонтальными осями. Наименьшие турбины могут применяться, к примеру, для зарядки аккумуляторов, которые обеспечивают дополнительное питание на лодках или в автодомах, а также для питания дорожных предупреждающих знаков. Большие турбины могут использоваться для вклада в электроснабжение, продавая избыточную электроэнергию поставщикам через электросеть. Массивы больших турбин, известные как ветровые электростанции, становятся важнейшим источником прерывистой возобновляемой энергии, и всё больше стран обращаются к ним в рамках своих программ по снижению зависимости от ископаемого топлива. По состоянию на 2017 год, ветер демонстрировал низшие относительные выбросы парниковых газов, минимальное потребление воды и наилучшие социальные последствия, по сравнению с солнечными, гидро-, геотермальными, угольными и газовыми источниками.
Принцип работы
В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно описать следующим образом: сила ветра приводит в движение лопасти, которые через привод вращают ротор. Наличие обмотки статора позволяет преобразовывать механическую энергию в электрический ток. Аэродинамические характеристики лопастей дают возможность генератору быстро и эффективно вращаться.
Затем сила вращения преобразуется в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее ветер, тем быстрее вращаются лопасти, и тем больше энергии они производят. Чтобы ветрогенератор работал на полную мощность, одна сторона лопастей спроектирована с округлой формой, а другая — с относительно плоской. Когда поток воздуха проходит по закругленной стороне, создается участок низкого давления, что тянет лопасть в сторону. Это создает физическую нагрузку, которая заставляет лопасти вращаться.
