Альтернативная энергетика

Особенности конструкций ветродвигателей. Энергия ветра имеет свои особенности: малую концентрацию, отнесенную к единице объема воздушного потока, случайный характер изменения скорости. Энергия вырабатывается, когда лопасти ветродвигателя вращаются под напором ветра. Величина вырабатываемой энергии при этом зависит от размеров, формы, количества лопастей, от силы ветра и растет пропорционально квадрату длины лопасти и кубу скорости ветра. Количество лопастей в роторе может быть разным: 1, 2, 3, 4, 8, 18, 30 и другое.

А = mV²/2,

где m – масса движущегося воздуха, кг; V – скорость ветра, м/с.

Мощность ветрового потока определяется как

Р = А/τ = ρFV³/2

где τ – плотность воздуха, кг/м³; F – площадь, пересекаемая ветровым потоком, м².

Теоретический КПД идеального ветрового колеса (критерий Бетца), характеризующий превращение в мощность на валу колеса мощности проходящего через площадь его сечения потока воздуха, составляет 16/27=0,59. Однако, реальный к.п.д. не превышает 0,45. Так, например, ветровое колесо с лопастью длиной 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь мощность на валу не более 85 кВт.

В настоящее время имеется много различных конструкций ветроагрегатов: не только пропеллерного типа, но и в виде качающихся под напором ветра щитов (с горизонтальной и вертикальной осью вращения). Современные ветродвигатели – это сложные автоматизированные электромеханические системы по преобразованию энергии ветра в электроэнергию заданного качества. Главные элементы ветроагрегата – ротор (лопасти), генератор, коробка передач, токособиратели, электрокабели, мачта (рис.7.6).

Рис.7.6 – Ветроагрегаты

В зависимости от мощности генератора, ветроустановки делятся на классы, параметры и назначения которых приведены в табл.7.7.

Большинство крупных ветродвигателей рассчитано на работу при скоростях ветра 17-58 км/ч, так как ветер со скоростью меньше 17 км/ч дает мало полезной энергии, а больше 58 км/ч – возникает опасность поломки агрегата. Большие пропеллерные лопасти подвержены “усталости”. Как правило, двигатели устанавливают на высоких мачтах (башнях) – от 30-40 до 60-70 м, чтобы лопасти были открыты более сильным ветрам, дующим на больших высотах. Высокие мачты требуют особой прочности конструктивных материалов.

Так как скорость ветра варьирует, значительно изменяется в короткие промежутки времени и ведет к резкому изменению числа оборотов генератора в секунду, то переменный ток, вырабатываемый при вращении оси, выпрямляют, т.е. преобразовывают в постоянный (электронный преобразователь – в больших ветродвигателях, аккумуляторные батареи – в малых).

Таблица 7.7 – Классификация ветроустановок

Класс установки	Мощность, кВт	Диаметр колес, м	Количество лопастей	Назначение
Малой мощности	15-50	3-10	3-2	Зарядка аккумуляторов, насосы, бытовые потребители
Средней мощности	100-600	25-44	3-2	Энергетика
Большой мощности	1000-4000	>45	2	Энергетика

Аккумуляторные батареи совершенно необходимы для запаса электроэнергии на периоды, когда ветра нет.

Опыт эксплуатации ветродвигателей за последние 20 лет показал, что гигантские ветротурбины (типа MOD-2, США, башня высотой 61 м, лопасти рабочего колеса турбины имеют общую длину 92 м, вес каждой – 80 т, мощность – 2,5 МВт) не будут рентабельны, слишком сложны и ненадежны. Значительно перспективней считается разработка ветродвигателей мощностью 50, 100, 200 и 500 кВт для электроснабжения городов, муниципальных предприятий и 8-50 кВт – для обеспечения сельских районов, фермерских хозяйств.

Срок окупаемости ветроэнергетической установки в зависимости от местности, обеспеченности коммуникациями, мощности установки и т.п., — от 3 до 8 лет.

Удельные капитальные расходы для станции малой мощности составляют 800-1000 долларов США за 1 кВт установленной мощности и уменьшаются с увеличением мощности установки. Так, капитальные расходы на ветроэнергетическую станцию мощностью 250 кВт (Дания) составляют 40 тыс. долларов США при сроке окупаемости 6,7 года.

Производство электроэнергии за счет ветроустановок в странах ЕС приведено на рис.7.7.

Рис.7.7 – Производство электроэнергии за счет ветроустановок в странах ЕС

В 1993г. в Украине, в Крыму, в районе залива Доузлав пущена в эксплуатацию и эффективно работает ветростанция, построенная при сотрудничестве американских и украинских специалистов. Ее мощность составляет 500 МВт (53 агрегата USW-56-100). Успешно функционирует Акташская ВЭС (11 ВЭУ АВЭ-250 производства НПО “Южное”). Ветроэлектростанции Крыма с начала эксплуатации к концу века выработали около 10 млн. кВтч.

Согласно комплексной программе строительства ВЭС в Украине до 2010г. предусмотрено строительство в Крыму пяти ВЭС общей мощностью до 200 МВт (Сакская, Джанкойская, Миновская, Пресноводненская, Восточно-Крымская – самая большая, состоящая из 150 ВЭУ общей мощностью 150 МВт). Преимущество отдается тихоходным установкам, рассчитанным на скорости ветра от 3 до 12-15 м/с.

Стоимость производства электроэнергии украинскими ВЭУ в 1,5 раза ниже, чем американскими.