Вітроенергетичні установки - Школа для електрика все про електротехніку та електроніку
Вітроенергетична установка (ВЕУ) є комплексом взаємопов'язаного обладнання та споруд, призначений для перетворення енергії вітру в інші види енергії (електричну, механічну, теплову тощо).
Вітроагрегат будучи основною частиною ВЕУ, складається з вітродвигуна, системи передачі вітрової потужності на навантаження (споживачеві) і самого споживача вітрової енергії (будь-якого пристрою: електромашинного генератора, водяного насоса, нагрівача тощо).
Вітродвигун є пристроєм для перетворення кінетичної енергії вітру на механічну енергію робочого руху вітродвигуна. Робочі рухи, які здійснює вітродвигун, можуть бути різними. На існуючих сьогодні вітродвигуна як робочий рух використовується круговий обертальний рух. Разом з тим відомі численні пропозиції (іноді навіть реалізовані) щодо використання інших видів робітничого руху, наприклад коливального.
Лопатева система вітродвигуна (ветроколесо) може мати різне конструктивне виконання. У сучасних вітродвигунів лопатева система виконана у вигляді жорстких лопатей з криловим профілем у поперечному перерізі (іноді в цьому випадку використовують терміни крильчасті, або пропелерні, вітродвигуни).
Відомі успішно працюючі лопатеві системи, в яких замість лопатей використовуються циліндри, що обертаються (використання ефекту Магнуса). Є пропозиції щодо створення лопатевої системи на основі різного типу лопатей з гнучкими поверхнями (вітрила).
Таким чином, лопата - це складова частина вітроколеса, що створює момент, що крутить. Лопатева система вітродвигуна з робочим круговим обертальним рухом можемати горизонтальну чи вертикальну осі обертання.
При розрахунку та проектуванні конкретного вітродвигуна, крім вітрових умов його роботи, необхідний облік як особливостей вітроагрегату, тик і всієї ВЕУ. У зв'язку з цим ВЕУ класифікують за такими ознаками:
виду енергії, що виробляється,
ознакою роботи з постійною або змінною частотою обертання вітроколеса,
типу системи передачі.
Залежно від виду енергії, що виробляється, всі вітроенергетичні установки поділяють на вітроелектричні і вітромеханічні. Електричні ВЕУ, своєю чергою, поділяються на встроустановки, які виробляють електроенергію постійного чи змінного струму. Механічні ВЕУ служать приводу робочих машин.
Залежно від призначення електричні ВЕУ постійного струму поділяють на вітрозарядне, гарантоване електропостачання споживача, негарантоване електропостачання. Електричні ВЕУ змінною струму поділяють на автономні, гібридні, що працюють паралельно з енергостистемою сумірної потужності (наприклад, з дизельною установкою), мережеві, що працюють паралельно з потужною енергостистемою.
Класифікація вітроенергетичних установок з областей застосування визначається їх призначенням.
При розрахунку та проектуванні вітродвигуна та виборі його номінальних параметрів необхідний облік типу навантаження (електрогенератор, водяний насос тощо), типу системи передачі вітрової потужності до споживача, типу системи генерування та акумулювання електроенергії.
Система передачі вітрової потужності є певним комплексом різних пристроїв для передачі потужності від валу вітроколеса до валу відповідної машини вітроагрегату (споживача) з підвищенням або без підвищення частотиобертання мняної машини. У сучасній вітроенергетиці найчастіше використовують механічний спосіб передачі потужності.
Система генерування електроенергії є електромашинним генератором і комплексом пристроїв (пристрої управління, силової електроніки, акумулятор і т. д.) для підключення до споживача зі стандартними параметрами електроенергії.
Випускаються та працюють ВЕУ потужністю від кількох ватів до тисяч кіловат. Виділяють чотири групи: дуже малу потужність - менше 5 кВт, малу потужність - від 5 до 99 кВт, середню потужність - від 100 до 1 000 кВт, велику потужність - понад 1 МВт. Вітроустановки кожної групи відрізняються один від одного насамперед конструктивним виконанням, типом фундаметнта, способом встановлення вітроагрегату на вітер, системою регулювання, системою передачі вітрової потужності, способом монтажу та способом обслуговування.
Переважне поширення набули горизонтально-осьові вітроенергетичні установки.
На рис. 1 показана конструкція вітроенергетичної установки та загальний вигляд вітроелектростанції.
Мал. 1. Конструкція вітроелектричної установки: 1 - вітродвигун (вітроколесо), 2 - вітроголовка, 3 - генератор, 4 - редуктор, 5 - поворотна платформа, 6 - вимірювальний пристрій, 7 - щогла ВЕУ містить вітротурбіну та електрогенератор, пов'язаний з валом вітро через редуктор.
ВЕУ містить вітротурбіну та електрогенератор, пов'язаний з валом вітротурбіни безпосередньо або через редуктор.
Вітряна електрична станція (ВЕС) складається з декількох вітроелектричних установок, що працюють паралельно і віддають електроенергію, що виробляється в електроенергетичну систему.
Вимірювальний пристрій дає сигнал на поворотвітроголовки при зміні напрямку або сили вітру, а також регулює кут повороту лопатей залежно від сили вітру.
Існують вітроагрегати на 500, 1000, 1500, 2000, 4000 кВт. Вітроагрегат на 500 кВт має: щоглу висотою 40-110 м, вітроголовку масою 15-30 т, частоту обертання n = 20-200 об/хв, частоту обертання ротора генератора 750-1500 об/хв (редукторний привід) або 2 /хв (прямопривідний агрегат).
Як генератори у ВЕУ частіше використовуються асинхронні генератори з короткозамкненим ротором, які відрізняються від синхронних більшою надійністю, простотою конструкції та меншою масою, що необхідно для підвищення надійності вітроенергоустановки.
Вітроенергетичні агрегати можуть працювати автономно чи паралельно з енергетичною системою. При автономній роботі частота обертання вітродвигуна ВД не регулюється або підтримується в межах ±50 %, тому частота і напруга на затискачах генератора непостійні, тобто електрична енергія, що виробляється, неякісна, а споживачі таких ВЕУ часто не пред'являють високих вимог до якості (в основному нагрівальні прилади). Для отримання якісної енергії застосовуються стабілізатори, що складаються з випрямляча, інвертора та акумулятора.
Потужні ВЕУ працюють паралельно з енергосистемою (рис. 2). Цей паралельний зв'язок забезпечує сталість частоти, напруги та сталість частоти обертання вітродвигуна. Потужність, яку генератор віддає в мережу, залежить від моменту, що обертає двигуна і визначається силою вітру.
Можлива спільна робота ВЕУ з мережею з'єднання через проміжний перетворювач частоти при змінній частоті обертання вітродвигуна.
При використанні асинхронного генератора вітродвигун також може працювати зчастотою обертання, що змінюється, а генератор віддає в мережу якісну електроенергію. Для збудження асинхронний генератор споживає з мережі або спеціальної конденсаторної батареї реактивну потужність, а синхронний - сам її створює.
Мал. 2 . Паралельна робота вітроенергетичної установки з потужною енергосистемою: ВД – вітродвигун, Р – редуктор, Г – генератор, В – випрямляч, І – інвертор, У – блок управління, ЕС – енергосистема
Особливості системних вітроенергетичних станцій (ВЕС):
1. Вони розміщуються у місцях із високим вітровим потенціалом.
2. Мають потужність енергоблоків: 1500-2000 кВт і більше при континентальному базуванні та 4000-5000 кВт при морському та прибережному базуванні.
3. Використовують асинхронні генератори з короткозамкненим ротором і синхронні (часто з збудженням постійними магнітами) з невисокою генераторною напругою (0,50-0,69 кВ).
4. Низький ККД станції – 30-40 %.
5. Відсутність теплового навантаження.
6. Висока маневреність, але повна залежність від погодних умов.
7. Діапазон робочих швидкостей вітру від 3,0-3,5 до 20-25 м/с. При швидкості вітру менше 3,0-3,5 м/с і більше 20-25 м/с ВЕУ відключаються від мережі та встановлюються в неробоче положення, а при відновленні швидкості вітру ВЕУ підключаються до мережі та розганяються за допомогою генератора, що працює у руховому режимі.
8. Відсутність відбору електричної потужності на генераторній напрузі (крім потреб).
9. Передача електроенергії споживачам на напругах 10, 35, 110, кВ.
