Назначение и классификация ветроэнергетических установок

В общем случае ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенный для преобразования энергии ветра в другие виды энергии (электрическую, механическую, тепловую и др.) И включает в себя ветроагрегат и ветродвигатель.

Ветроагрегат, являясь основной частью ВЭУ, состоит из ветродвигателя, системы передачи ветровой мощности на нагрузку (потребителю) и самого потребителя ветровой энергии (какого-либо устройства: электромашинного генератора, водяного насоса, нагревателя и т. П.).

Ветродвигатель является устройством для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию рабочего движения неподвижны. Рабочие движения, которые делает ветродвигатель, могут быть разными. На существующих сегодня ветродвигатель в качестве рабочего движения используется круговой вращательное движение. Вместе с тем известны многочисленные предложения (иногда даже реализованы) по использованию других видов рабочего движения, например колебательного.

Учитывая явные преимущества электрической энергии с точки зрения ее генерации, передачи, распределения и преобразования, преимущественного развития и распространения приобрели ветроэлектрическ установки. Современные ветроэлектрическ установки (в зарубежной литературе их называют ветротурбины) представляют собой сложную автоматизированную электромеханическую систему по преобразованию кинетической энергии движущихся масс воздуха (ветрового потока) в электрическую с заданным качеством. Мировой опыт использования ВЭУ показал, что конструктивно она должна состоять из ветродвигателя (ВД) 1, машинного отделения 2, опоры 3 (рис. 2.13).

Ветродвигатель непосредственно преобразует энергию ветрового потока в механическую, которая в дальнейшем используется для привода различных механизмов и машин (например, насосов) или трансформируется в электрическую энергию. Ветродвигатели, используемые в качестве привода электрического генератора ВЭУ, разделяют на два основных типа:

- Горизонтально-осевые (ТО), характеризующихся Коллинеарность вектора угловой скорости вращения ветродвигателя и аксиальной составляющей вектора скорости ветрового потока (рис. 2.8, а)

- Вертикально-осевые (ВО), характеризующихся ортогональность векторов угловой скорости вращения ветродвигателя и аксиальной составляющей вектора скорости ветрового потока (рис. 2.8, б).

Общий вид ветроэлектрической установки: а - с горизонтально-осевой ротором;  б - с вертикально-осевым ротором

Рисунок 2.13 - Общий вид ветроэлектрической установки: а - с горизонтально-осевой ротором; б - с вертикально-осевым ротором

ВЭУ классифицируют по следующим признакам: виду вырабатываемой энергии, уровню мощности, назначению, областях применения, признаком работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса, способам управления, типом системы передачи ветровой мощности потребителю.

В зависимости от вида энергии, вырабатываемой ВЭУ разделяют на ветроэлектрическ и витромеханични. Электрические ВЭУ, в свою очередь, делятся на ветроустановки, производящие электроэнергию постоянного или переменного тока. Механические ВЭУ служат для привода рабочих машин.

По уровню мощности ВЭУ подразделяют на четыре группы:

- Очень малой мощности, менее 5 кВт;

- Малой мощности, от 5 до 100 кВт;

- Средней мощности, от 100 до 1000 кВт;

- Большой мощности, свыше 1 МВт.

Ветроустановки каждой группы отличаются друг от друга прежде всего конструктивным исполнением, типом фундамента, способом установки ветроагрегата на ветер, системой регулирования, системой передачи ветровой мощности, способу монтажа и способом обслуживания.

В зависимости от назначения электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на:

- Витрозарядни;

- Гарантированного электроснабжения потребителя;

- Необоснованного электроснабжения.

Электрические ВЭУ переменного тока подразделяют на:

- Автономные;

- Гибридные, работающие параллельно с энергосистемой соизмеримой мощности (например, с дизельной установкой)

- Сетевые, которые работают параллельно с мощной энергосистемой.

Механические ВЭУ по назначению разделяют на:

- Витронасосни для привода водяных насосов;

- Ветросиловые для работы с промышленными и бытовыми механизмами.

Классификация ВЭУ по областям применения определяется их назначением. При расчете и проектировании ветродвигателя и выборе его номинальных параметров необходимо учитывать:

- Тип нагрузки (электрогенератор, водяной насос и т. П.);

- Тип системы передачи ветровой мощности к потребителю;

- Тип системы генерирования и аккумулирования электроэнергии.

Как правило, ветроэлектрическ установки состоят из следующих функциональных частей:

- Первичного преобразователя;

- Электрического генератора;

- Опорно-поворотного устройства;

- Системы управления ВЭУ.

Горизонтально-осевые ВЭУ средней и большой мощности могут иметь механизм регулировки угла установки лопастей ротора и механизм ориентации ветроагрегата.

Первичный преобразователь включает в себя ветродвигатель и предназначен для преобразования кинетической энергии ветра во вращательное движение ротора электрического генератора. Электрический генератор предназначен для преобразования механической энергии вращения в электрическую энергию. Первичный преобразователь и электрический генератор образуют ветроагрегат (ВА). Опорно-поворотное устройство предназначено для размещения ветроагрегата на башне (опоре).

Одна или несколько групп ветроэлектрических установок образуют ветровую электрическую станцию ​​(ВЭС), в состав которой входят (кроме ВЭУ):

- Система управления ВЭС:

- Одна или несколько метеовишок;

- Трансформаторные подстанции (ТП)

- Подстанция.

Система управления ВЭС осуществляет управление, контроль и учет работы ВЭС в целом и каждой ВЭУ отдельно. Метеовишка предназначена для определения скорости и направления ветра и выдачи этой информации в систему управления ВЭС. Трансформаторная подстанция обслуживает несколько ВЭУ (группу) и обеспечивает повышение напряжения от генераторов ВЭУ до величины линии электропередачи на подстанцию. Подстанция ВЭС предназначена для распределения и передачи энергии от ВЭС в электросеть энергосистемы.

Функциональная схема ВЭС на базе типовой ветротурбины большой мощности представлена ​​на рис. 2.14.

Ветродвигатели классифицируют по ряду различных признаков, как основных, так и второстепенных. Одним из основных признаков классификации является ориентация

Функциональная схема ВЭС

Рисунок 2.14 - Функциональная схема ВЭС

вектора угловой скорости вращения ротора ветродвигателя по векторов скорости ветра в свободном атмосферном потоке. По этому признаку ветродвигатели подразделяют на коллинеарны и ортогональны.

Коллинеарных называют ветродвигатель, для которого векторы скорости ветра и угловой скорости вращения ротора ветродвигателя, параллельные или антипараллельны. Таков горизонтально-осевой ветродвигатель. Ортогональным в общем случае называют ветродвигатель, для которого векторы скорости ветра и угловой скорости вращения ротора ветродвигателя, перпендикулярны. Возможны два случая вариантов их сочетания:

- Вектор вращения угловой скорости вращения ротора ветродвигателя перпендикулярно поверхности земли; таким ветродвигателем является вертикально-осевой ветродвигатель, называемый иногда роторным или карусельным;

- Вектор вращения угловой скорости вращения ротора ветродвигателя параллельный поверхности земли; такой ветродвигатель называется иногда барабанным.

Возможен ветродвигатель, у которого угол между векторами скорости ветра и угловой скорости вращения ротора ветродвигателя является острый (от 0 до 90 °).

Такой ветродвигатель можно назвать похилоосьовим. Примером реализации этой схемы является шнековый ветродвигатель.

По другой основным признаком, по принципу силовой аэродинамической взаимодействия лопастной системы ветродвигателя с потоком набегающего на него воздуха, ветродвигатели можно подразделить на два типа:

- Ветродвигатели, которые используют во время движения лопастной системы подъемную силу, возникающую на рабочих элементах лопастной системы (жестких лопастях, цилиндрах, вращающиеся) и создает круглый момент;

- Ветродвигатели, которые используют во время движения лопастной системы различия в аэродинамических силах, возникающих на различных элементах лопастной системы (крыльевых лопастях или каких-либо других поверхностях), в моменты движения этих поверхностей по направлению ветра и против направления ветра, то есть различия в аэродинамическом опоре, возникающая на элементах лопастной системы.

Несмотря на многообразие теоретически возможных и практически реализуемых схем ВЭУ, современные ветроагрегата независимо от уровня мощности есть или пропеллерными горизонтально-осевыми, или ортогональными вертикально-осевыми ветродвигатель (используют подъемную силу на лопастях), поскольку именно эти два типа ветродвигателя имеют наиболее высокие технико-экономические показатели.

Горизонтально-осевые ветродвигатели по сравнению с вертикально осевыми имеют следующие преимущества:

- Возможность самостоятельного пуска без вспомогательного привода за счет изменения угла установки лопастей;

- Большее значение коэффициента использования энергии ветра;

- Большее значение коэффициента быстроходности X и, как следствие этого, большую частоту вращения ветродвигателя, что позволяет уменьшить массогабаритные показатели электромеханического оборудования;

- Исключение необходимости в угловой передачи крутящего момента.

К основному недопику пропеллерных горизонтально-осевых двигателей следует отнести необходимость в устройстве ориентации на направление ветра.

Ортогональных вертикально-осевые двигатели по сравнению с пропеллерными горизонтально-осевыми обладают такими преимуществами:

- Независимостью функционирования от направления ветрового потока, что устраняет необходимость ориентирования ветродвигателя на это направление;

- Вертикальным валом, позволяет размещать электромеханическое оборудование у основания ВЭУ, снижает требования к прочности и жесткости опоры, не ограничивает массогабаритные показатели оборудования, упрощает техническое обслуживание и ремонт;

- Возможностью крепления лопастей к ротора в нескольких местах, снижает требования по прочности и жесткости лопасти;

- Меньшим значением окружной скорости лопасти при меньших значений коэффициента быстроходности;

- Относительной простотой изготовления лопастей.

К числу недостатков вертикально-осевых ветродвигателей следует отнести: меньший коэффициент использования энергии ветра; меньшую быстроходность.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >