Использование альтернативных источников энергии является актуальной задачей, решением которой занимаются ученые и изобретатели всего мира. Существуют различные способы извлечения энергии ветра, которые, как правило, отличаются конструктивными особенностями установок, призванных решать эту задачу. Различают следующие виды ветростанций: лопастные, роторные, многорядные. Все они по разному реагируют на изменение характеристик ветровой нагрузки по скорости и по направлению. Кроме того, они отличаются коэффициентом использования энергии ветра.
Лопастные ветростанции состоят из нескольких лопастей(2-х, 3-х и более), которые устанавливаются на мачте (опоре). Мачта крепится только снизу. Расположение генераторов верхнее. Лопасти и генератор имеют поворотный механизм, позволяющий лопастям вращаться на мачте при изменении направления ветра. Мощность ветростанции лопастного типа рассчитывается по формуле:
где ρ= 1,22 - плотность воздуха (стандартная), кг/м3V - скорость ветра, м/сηг•ηм- коэффициенты полезного действия генератора и механической передачи между ветроколесом и генератором,
Cp - коэффициент использования ветра, зависящий от профиля лопастей и других режимных параметров, предельное значение которого равно 0,593, а достигнутое в эксплуатации- 0,4-0,45,А - площадь ветротурбины, в случае пропеллерной турбины
вычисляется по формуле:
где D, м- диаметр ротора,π=3,14.
Поскольку мощность ветростанции такого типа зависит от скорости ветра и от размеров лопастей. По проведенным замерам известно, что скорость ветра увеличивается с увеличением высоты, то конструкторы стремятся увеличить высоту мачты и для увеличения мощности увеличивают размеры лопастей, что неизбежно приводит к увеличению массы, так как необходимо устанавливать более мощные генераторы. Для увеличения прочности опорной мачты неизбежно приходится увеличивать габаритные размеры мачты и использовать более прочные, а соответственно, более дорогостоящие материалы. Увеличение массы лопастей и генераторов неизбежно сказывается на чувствительности поворотного меха-низма, который не всегда успевает отреагировать на резко меняющиеся скорости и направления ветра, что резко снижает надежность таких установок. Кроме того, больших габаритных размерах таких установок увеличивается трудоемкость доставки оборудования на место установки, его монтажа и технического обслуживания. Коэффициент использования ветровой энергии для конструкций такого типа в практическом применении находится в пределах 0,3 – 0,45. Однако, в отличии от ветроустановок роторного типа, они имеют большую шумность.
Ветростанции роторного типа, приведенные на рис. 2, также имеют конструктивные различия между собой, варьируются количеством лопастей, их исполнением. Такие ветростанции устанавливаются на опорной мачте и могут дополнительно фиксироваться сверху тросами, которые тоже крепятся снизу. Это дает определенную устойчивость, но не решает всех проблем. Расчет мощности таких ветростанций производится по аналогичной формуле, то есть мощность таких ветростанций зависит от габаритных размеров и скорости ветра. Такие ветроустановки имеют нижнее расположение генератора, что существенно снижает нагрузку на опорную мачту. Эти ветростанции могут работать при любых направлениях ветра. Однако, коэффициент использования ветровой энергии на этих установках значительно ниже и составляет при практическом использовании 0,2 – 0,4. Такие ветростанции обладают теми же недостатками, что и ветростанции лопастного типа, т.е. создаются определенные трудности при транспортировке, монтаже и обслуживании.
Ветростанция на двух опорах отличается от рассмотренных выше вариантов большей устойчивостью. По сравнению с классическими ВЭУ, такая установка имеет ряд преимуществ:
- Высокую сейсмоустойчивость, так как ВЭУ имеет две V образные опорные конструкции.
- Вырабатывать электроэнергию при более высоких скоростях ветра, тогда как классические ВЭУ работают до скорости ветра 25 м/с. При достижении его они отключаются от сети и становятся в безопасное флюгерное положение.
- Данная ВТ размещаются гораздо более компактно на рабочей площади ветроэлектростанции (ВЭС). Это позволяет сильно уменьшить расходы на кабельную продукцию, а также упрощает эксплуатацию ВЭС.
- Из-за простоты конструкции значительно повышается надежность и износоустойчивость ВЭУ, а эксплуатационные расходы снижаются.
- Себестоимость ВТ, благодаря простоте конструкции, составляет примерно 800 долларов США за 1 кВт мощности, тогда как у мировых производителей этот показатель 1 200 до 1500 долларов США (например –наша ВЭУ мощностью 750 кВт стоит около 600 тыс. долларов США, а классических той же мощности – около 1, 5 млн. долларов США).
- Так как габарит этих ВТ гораздо ниже, значительно снижаются строительные и транспортные расходы.
Однако, из-за большей ширины лопастей, данная ветростанция требует изготовление их из дорогостоящих сверхпрочных материалов, увеличивается масса конструкции, что неизбежно приводит к достаточно высокой трудоемкости изготовления, транспор-тировки, монтажа и обслуживания. Кроме того, данный тип ветростанций ограничен по высоте, так как, чем выше конструкция, тем она менее устойчива и при значительных порывах ветра лопасти не успевают приобрести безопасное флюгерное положение, что приводит к поломкам. К недостаткам можно отнести и невозможность работы в условиях быстро меняющихся направлениях ветра. Данная ветростан-ция более шумная, по сравнению с предыдущими, так как имеет лопасти значительных размеров. Эта ветро-станция имеет такие же коэффициенты использования ветровой энергии, что и предыдущие.
Многоярусная многоуровневая ветро-станция роторного типа (МВЭС).
Для обеспечения этой цели МВЭС состоит из многоярусной эстакады, установленной и закрепленной на фундаменте. На каждом ярусе разме-щаются кожухи с ветродвигателями, соединенные с эстакадой. Кожух состоит из входного и выходного патрубков, в которых размещаются ветродвигатели и средней части, каждый кожух соединен, сверху и снизу с эстакадой через подшипники, создающие возможность разворота кожуха для ориентации ветродвигателей относительно направле-ния ветра и удержания его от смещения под действием ветрового усилия.
Кожух состоит из частей с вертикальными и горизонтальными разъемами, а на поверхностях его устанавливаться звукоизоляция.
Установленные в кожухе ветро-двигатели крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения соединены с отдельными генераторами, ветродвигатели карусельного и ортогонального типов могут соединяться как с отдельными генераторами, так и через систему механических передач к одному общему валу и к одному генератору на группу.
МВЭС с ортогональными ветро-двигателями комплектуются ветродви-гателями крыльчатого типа, обеспечи-вающими запуск ортогональных ветродвигателей, после запуска их электроэнергия от крыльчатых или карусельных ветродвигетелей поступает в сеть.
Свободное пространство под первым ярусом эстакады используется для размещения аккумуляторной, инвертора, ремонтных мастерских, различных служебных помещений, складов, а при создании на базе МВЭС ветродизельного комплекса на площадях этого пространства размещается и дизель-генератор. Недостатком данного устройства является необходимость механического регулирования кожуха при изменении направления ветра.
Нами предлагается новая конструкция - многоуровневая, многорядная ветростанция роторного типа с вертикальным расположением вала.
Суть предлагаемой технологии заключается в следующем. Строится облегченный каркас многоэтажного дома без стеновых панелей, где в каждой секции устанавливается ветростанция роторной конструкции, которая крепится за счет напольных и потолочных плит. Напольные и потолочные плиты в центре снабжены радиально-упорными подшипниками. Размер секций определяется исходя из удобств монтажа и обслуживания. Длина такого строения и высота определяется в зависимости от сейсмоустойчивости района. Энергия всех установленных ветростанций суммируется и подается потребителю через трансформаторную подстанцию. Излишки электроэнергии хранятся в аккумуляторной подстанции и при ослаблении скорости ветра подаются в сеть. Для удобства обслуживания ветростанций на первых 2-3 этажах, где скорость ветра достаточно невысока, предусматривается помещения для обслуживающего персонала и аппарат-ная, куда стекается информация с датчиков, установленных на каждой ветростанции, о состоянии каждой ветростанции. Для удобства доступа к ветростанциям предусмотрена рабочая площадка на каждом этаже, перемещение обслуживающего персонала по этажам при значительной длине строения осуществляется с помощью транспорт-ных средств, а доступ на этажи осуществляется с помощью грузового лифта. Для обеспечения безопасности с одного из торцов здания предусмотрена пожарная лестница, а для создания комфортных условий при ремонте и обслуживания каждая потолочная панель снабжена жалюзями, которые выдвигаются автоматически. Кроме того, жалюзи позволяют изменять направление ветра. Напольные и потолочные плиты играют роль диффузора, что способствует увеличению коэффициента использования ветровой энергии на 30-50%.
Параметры представленной техноло-гии и параметры конкурирующих современных разработок:
- Себестоимость ветростан-ции (в долларах на 1 кВт\ч мощности)
- Лопастные – 1500; роторные – 1400; двух опорные – 800, многоуровневая, многорядная – 500.
- Себестоимость 1 Квт*ч электро-энергии.( цент на 1 кВт\Ч)
- Лопастные – 10; роторные – 10; двух опорные –8, многоуровневая, многорядная – 1.
- Максимально допустимая скорость ветра (м\с).
- Лопастные – 25; роторные – 20; двух опорные –40, многоуровневая, многорядная – без ограничений.
- Коэффициент использования ветровой энергии.
- Лопастные – 0,4 - 045; роторные – 0,2-0,4; двух опорные -0,4 – 0,45; многоуровневая, многорядная – 0,7-0,8.
- Надежность (%) .
- Лопастные – 45-60; роторные – 40-60; двух опорные – 70-80, многоуровневая, многорядная –100.
Список использованных источников:
- В.С.Кривцов, А.М.Олейников, А.И.Яковлев. «Неисчерпаемая энергия. Книга 1. Ветроэлектрогенераторы»Изд. Национальный аэрокосмический ун-т, Харьков, 2003 г.
- В.С.Кривцов, А.М.Олейников, А.И.Яковлев. «Неисчерпаемая энергия. Книга 2.Ветроэнергетика»Изд. Национальный аэрокосмический ун-т, Харьков, 2004 г.
- Шефтер Я.И., Рождественский И.В. «Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках».