О некоторых особенностях использования ветроустановок малой мощности

Шихайлов Н.А., гл. инж.

г. Киев, ЧП «АВАНТЕ»

В настоящее время во всем мире в силу экономических и экологических проблем наблюдается повышенный интерес к альтернативным источникам энергии, в частности, к ветроэнергетике. Появляется большое количество новых и хорошо забытых старых технических предложений, но в новом конструктивном исполнении. Поэтому необходимо как-то ориентироваться в этом многообразии пока еще нового для потенциального потребителя виде товара.

Прежде всего необходимо уяснить, что мощность ветроустановки (ВУ) определяется исключительно ее геометрическими размерами, расчетной скоростью ветра и эффективностью использования энергии ветра.

В самом деле мощность N ветрового потока, проходящего через площадь F, определяется выражением

, (1)

где кг/м³ - плотность воздуха; - скорость ветра, м/с; - площадь, через которую проходит воздушный поток, м².

Естественно, что ВУ в состоянии отобрать лишь часть энергии потока воздуха, которая характеризуется коэффициентом использования энергии ветра (коэффициентом мощности) Ср. Тогда установленная мощность ВУ определится по формуле

, (2)

где - расчетная (номинальная) скорость ветра, м/с; - ометаемая площадь ротора (для горизонтально-осевых ВУ диаметр ротора, м²).

Из выражения (2) вытекает, что установленная мощность ВУ в наибольшей степени зависит от значения расчетной скорости ветра (в кубе) и диаметра ротора (в квадрате). В меньшей степени зависит от коэффициента мощности и плотности воздуха .

Расчетная скорость ветра оказывает решающее влияние на значение установленной мощности ВУ, поэтому заслуживает более подробного расмотрения.

Во-первых, ее значение до некоторой степени определяет ореал использования данного типа ВУ, т.к. из литературных источников известно, что значение расчетной скорости ветра должно быть не более чем в 1,5-2 раза выше среднегодовой скорости ветра в месте предполагаемой установки ВУ. Отсюда вытекает эффективность использования конкретной ВУ в том или ином регионе, которая характеризуется коэффициентом использования установленной мощности (КИУВ). Так, если в конкретном месте для конкретной ВУ ее паспортное значение больше чем 1,5-2 - кратное значение среднегодовой скорости ветра, то она большую часть времени будет работать с недогрузкой, генерируя лишь часть заявленной потенциальной возможной мощности. Естественно, что ее КИУВ будет иметь заниженное значение.

Во-вторых, ее значение до некоторой степени определяет конструктивный облик ВУ и, в первую очередь, ее массогабаритные показатели. Более высокие значения Vp предполагают более мощную трансмиссию, электрогенератор, несущую опору, кабеля и т.д.

Таким образом, необходимо оптимальное соотношение между расчетной и среднегодовой скоростями ветра в конкретном месте установки ВУ. В большинстве регионов Украины расчетная скорость ветра не должна превышать значения 8 м/с.

Диаметр ротора позволяет уже конструктивно привязать конкретную ВУ к конкретному месту ее установки. Однако слепое изменение геометрических размеров ротора (количественные изменения) не означает достижения необходимых (номинальных) параметров ротора (качественные изменения).

Последние определяются исключительно коэффициентом мощности .

Коэффициент мощности характеризует эффективность использования энергии ветрового потока. С некоторыми оговорками его можно считать КПД ВУ. На скоростях ветра до расчетной его значения желательно должны быть максимальными для данного типа ротора, что обеспечивает большую выработку. Для скоростей ветра выше расчетной его значения должны уменьшаться по закону, обеспечивающему постоянство мощности на выходе ВУ. Таким образом обеспечивается регулирование мощности ВУ. (Здесь следует оговориться, что у ВУ с регулированием уводом ротора из-под ветра одновременно с изменением Ср изменяется также F).

Все конструктивное многообразие ВУ можно разбить на два основных типа:

- использующие силу лобового давления;

- использующие аэродинамическую подъемную силу.

Первый тип - это, как правило, многолопастные ВУ с жесткозакрепленными лопастями (голландские мельницы, «ромашки», роторы Савониуса, чашечные, барабанные и т.д.), которые предназначены для создания большого крутящего момента и используются для приводов сельскохозяйственных машин (мельницы, крупорушки и т.д.) и поршневых насосов. Они характеризуются низкой быстроходностью и, самое главное, низким значением коэффициента мощности, что автоматически влечет за собой увеличение геометрических размеров ВУ по сравнению с ВУ, использующих аэродинамическую подъемную силу.

Второй тип - быстроходные ВУ с лопастями аэродинамического профиля, создающими при вращении подъемную силу (горизонтально-осевые, обычно трехлопастные ВУ, роторы Дарье), которые предназначены в основном для выработки электроэнергии благодаря высоким значениям угловой скорости. Они характеризуются высокими значениями быстроходности и коэффициента мощности.

Согласно работ [1] и [2] средние значения в реальных условиях эксплуатации составляют:

- для ВУ первого типа - = 0,2-0,25;

- для второго - = 0,35-0,45.

Анализируя формулу (2), можно сделать следующие важные заключения.

Во-первых, поскольку мощность зависит от скорости ветра в кубе, то ВУ любого типа должна иметь систему ограничения мощности, а лучшие две независимых друг от друга.

Наиболее распространенными системами ограничения мощности являются:

- изменение угла атаки лопастей;

- увод ротора из-под ветра;

- всевозможные аэродинамические ограничители.

Основная задача этих и других систем - на скоростях ветра, выше расчетных, поддерживать постоянное значение развиваемой ВУ мощности за счет соответствующего изменения коэффициента мощности.

Отсутствие у ВУ системы ограничения мощности недопустимо по следующим причинам.

Как сказано выше, , а это значит, что если мощность не ограничивать, то во избежание разрушения необходимо существенное усиление трансмиссии и установка электрогенератора большей мощности.

Сила лобового давления на ротор ограничивается, как правило, той же системой ограничения мощности. Поэтому при ее наличии нет нужды в усилении несущей опоры и фундамента.

Особенно важно наличие системы ограничения мощности для многолопастных ВУ, т.к. при равной мощности с быстроходными ВУ они имеют большие габариты за счет более низкого значения коэффициента мощности , имеют большую парусность и значение опрокидывающего момента. Кроме того, поскольку мощность ВУ может быть определена как произведение крутящего момента на угловую скорость, т.е.

, (3)

где - крутящий момент на валу ротора, Нм; - угловая скорость ротора, с^-1,

то при равной мощности более тихоходные многолопастные ВУ имеют большие значения М при меньших значениях , что приводит к еще большему усилению трансмиссии и необходимости в мультипликаторе или специальном тихоходном электрогенераторе, габариты и цена которого значительно выше, чем у быстроходных ВУ.

Во-вторых, количество лопастей в явном виде в формуле (2) не фигурирует. Эффективность работы ротора определяется аэродинамическими качествами лопастей (коэффициентами подъемной силы, лобового сопротивления, качества, геометрической и аэродинамической круткой и т.д.), а не их количеством. Совокупность этих качеств и определяет коэффициент мощности ротора.

В мировой практике ветроиспользования наибольшее распространение получили ВУ с трехлопастным быстроходным ротором. Это обусловлено следующими причинами:

– лопасть как первичный элемент преобразования энергии ветра в электроэнергию является наиболее дорогостоящим элементом ВУ, и поэтому их количество должно быть минимальным;

– как правило, уменьшение количества лопастей приводит к увеличению быстроходности ротора, что очень важно для выработки электроэнергии;

– одно- и двухлопастные роторы очень сложно балансировать, особенно динамически.

Поскольку мощность, развиваемая ротором ВУ в любой момент времени, и мощность подключенной нагрузки носят случайный характер (первая зависит от скорости ветра, а вторая - от потребностей пользователя), то необходима буферная система между генерирующей и потребляющей частями системы энергообеспечения.

Поэтому автономные и резервные ветроэнергетические системы малой мощности, как правило, строятся по схеме бесперебойного питания, т.е. с буфером - накопителем. В частности, для ветроэлектрических систем (ВЭС) таким буфером являются обычно электрохимические аккумуляторные батареи (АБ). При этом очень важно сбалансировать мощность ВУ, мощность преобразователя энергии (инвертора), который необходим для преобразования накопленной в АБ энергии постоянного тока в энергию с параметрами сети (~220В, 50 Гц), и емкость АБ. Так, при завышенном значении мощности инвертора по отношению к мощности ВУ последняя не будет успевать подзаряжать АБ при максимально возможном (номинальном) значении мощности нагрузки. А если при этом еще и емкость АБ невелика, то мощный потребитель за короткий срок разрядит батарею и ВЭС его отключит, перейдя в режим зарядки от ВУ, который возможен только при наличии либо ветра достаточной силы, либо сети. Для автономного режима функционирования (при отсутствии сети) такая ситуация недопустима, т.е. вызывает ощутимые перебои в энергообеспечении, не говоря уже о стоимостных показателях. Поскольку стоимости ВУ и инвертора соизмеримы, то необдуманное увеличение мощности инвертора приведет только к увеличению стоимости всей системы, а при автономном режиме работы еще и к сбоям в энергообеспечении.

Для увеличения гибкости системы целесообразнее использовать системы преобразования энергии с внешними АБ любой емкости, а не со встроенными АБ фиксированной емкости.

В подтверждение вышеизложенного приведем сравнительный анализ двух ВЭС малой мощности, присутствующих в настоящее время на рынке Украины (см. табл.1).

Таблица 1

Как видно из табл.1, при скорости ветра 7,5 м/с трехлопастная ВУ вырабатывает на зажимах генератора 750Вт, в то время как многолопастная - всего 216Вт.

Так же очевидно, что многолопастная ВЭУ имеет коэффициент использования энергии ветра меньше, чем принято в расчетах (Ср=0,22), поскольку даже при номинальной скорости ветра 12м/с мощность на зажимах генератора составляет 844Вт вместо заявленных 1000Вт.

Таким образом, как энергетические, так и стоимостные преимущества быстроходных трехлопастных ВУ с регулируемыми лопастями по сравнению с многолопастными ВУ очевидны.

Еще одним фактором, ограничивающим область применения приведенной в табл.1 многолопастной ВУ (это касается и остальных ВУ), является форма выходного напряжения, поскольку для многих видов нагрузки (например, электродвигателей) желаемая форма - синусоида. Отклонения от синусоиды приводит к снижению КПД, перегреву, снижению надежности и т.д.

При всем этом многолопастные ВУ широко используются для привода сельскохозяйственных машин (мельниц, крупорушек и т.д.) и поршневых насосов, т.е. там где необходимо большое значение крутящего момента при небольшой угловой скорости.

Об установленной мощности ВУ

При выборе установленной мощности ВУ потенциальные заказчики, как правило, суммируют значения номинальной (паспортной) мощности всех энергопотребителей, игнорируя при этом тот факт, что эти потребители практически никогда не функционируют одновременно, а если и функционируют, то непродолжительное время. Для снижения значения необходимой установленной мощности, а следовательно, и цены ВЭС рекомендуется:

- отключать не нужные в данный момент нагрузки, особенно при отсутствии ветра;

- максимально использовать энергосберегающее оборудование, например, энергосберегающие лампочки;

- мощные нагрузки, которые, как правило, функционируют относительно недолго, покрывать за счет бензиновых (БЭС) и дизельных электростанций.

Если первая рекомендация в комментариях не нуждается, то об остальных этого не скажешь.

Психология (или менталитет) наших постсоветских потребителей такова, что они не обременяют себя расчетами на перспективу. Сказывается хваленая «уверенность в завтрашнем дне советского человека». Но те времена безвозвратно ушли и настала эпоха прагматизма, трезвого расчета и обеспокоенности за будущее нашей планеты. Взять хотя бы энергосберегающие лампочки, которые позволяют пятикратно снизить энергопотребление. Кажется дорого (4-6 у.е.), но если подсчитать стоимость потребленной электроэнергии обычной лампочкой (срок службы 1000 часов) и энергосберегающей (8000 часов) за 8000 часов с учетом стоимости самих ламп, то разница окажется существенной. Так, например, для экономичной лампочки мощностью 23 Вт (по освещенности эквивалентна обычной мощности 100 Вт), то экономия только на одной лампе составит около 80 грн при тарифе 15,6 коп /кВтчас.

Что касается покрытия только пиковых нагрузок посредством БЭС, то это очевидно. Бензо- и дизельстанции имеют довольно жесткую нагрузочную характеристику, т.е. их удельное потребление топлива, за редким исключением, практически не зависит от величины подключенной нагрузки.

Другими словами, для электростанций на базе двигателей внутреннего сгорания удельный расход топлива как при работе маломощного телевизора, так и при работе бетономешалки одинаков. Поэтому запитывать потребителей длительное время от БЭС невыгодно экономически и менее комфортно (постоянная дозаправка топливом, замена масла и фильтров, капремонты, шум, выхлопные газы и т.д.). Проведем сравнительный анализ расходования средств на приобретение, строймонтажные работы (СМР) и эксплуатацию ветроэлектрической системы энергообеспечения (ВЭС) и бензиновой электростанции (БЭС) соизмеримой мощности при условии работы 8 часов в сутки.

При проведении сравнительного анализа были приняты следующие допущения:

- транспортные расходы по доставке оборудования одинаковы;

- оборудование ВЭС и БЭС за сравниваемый период не выходит из строя и не требует капитального ремонта;

- во время сравниваемого периода параметры оборудования остаются неизменными.

Для справки

Для ВЭС текущий ремонт рекомендуется через 5-6 лет эксплуатации и заключается в замене подшипников главного вала и аккумуляторных батарей, реже лопастей. При использовании более дорогостоящих АБ со сроком эксплуатации 15-20 лет замена вообще не требуется.

Для БЭС капитальный ремонт как минимум означает замену поршневой группы, расточку коленвала, гильз и т.д. При ежедневной 8-часовой эксплуатации его рекомендуется проводить через 20 месяцев (5000 моточасов для лучших образцов ведущих мировых производителей).

Данные сравнительного анализа приведены в таблице 2.

Таблица 2

Как видно из таблицы 2, себестоимость электроэнергии от ВЭС в среднем на порядок ниже, чем от БЭС. Она определялась из условий безаварийной работы оборудования в течении 20 лет как частное от деления суммы всех затрат (стоимость оборудования, СМР и эксплуатационные расходы) на общую выработку электроэнергии за этот период.

Понятие «срок окупаемости» для БЭС не имеет смысла, т.к. стоимость затрат на генерирование электроэнергии на порядок выше стоимости самой выработанной энергии.

Причиной, толкающей потребителей на осознанные убытки, является либо стремление к обеспечению комфортных условий существования, либо технологическая необходимость, а также традиционность и распространенность БЭС и дизель-генераторов при недостатке информации об альтернативных источниках энергии и ограниченности номенклатуры существующих устройств или их сочетаний (так называемых гибридных систем, например ветросолнечных). Для гибридных систем использования фотоэлектрических батарей (даже более дорогостоящих по сравнению с ВЭС) экономически целесообразнее, чем использование БЭС при кажущейся первоначальной относительно малой стоимости.

Себестоимость с учетом затрат на ремонты и замену оборудования за весь срок эксплуатации оборудования ориентировочно составит:

- для ВЭС за 20 лет эксплуатации (2 текущих ремонта, возможная замена подшипников, возможная замена лопастей, 1-2 замены АБ в зависимости от типа):

;

- для БЭС за 20 лет эксплуатации (при моторесурсе 10000 часов понадобится 6 замен оборудования, не говоря о капремонте) Honda - 28 центов/кВтчасов; Geko - 32 цента/кВтчас; SDMO - 25 центов/кВтчас.

Таким образом, более экономичным и экологически чистым средством для решения задач электроснабжения является ВЭС.

Совместное использование ВЭС и БЭС в периоды длительного безветрия и отсутствия сети оправдано тем, что в этом случае бензостанция иммитирует сеть и может подзаряжать АБ.

Об экономической целесообразности использования ВЭС

Как было сказано выше, маломощные ВЭС строятся по схеме бесперебойного питания и могут работать в режимах автономного или резервного источников питания [3]. Если об экономической эффективности использования ВЭС в качестве резервного источника питания (режим экономии сетевой энергии) еще можно поспорить, то автономный режим вопросов не вызывает, т.е. в этом случае альтернативой могут быть лишь БЭС и дизеля (см.табл.2) или прокладка ЛЭП со столбами, проводами, КТП, ТУ на подключение, проектом, антивандальными мероприятиями и т.д.

В общем случае ВЭС целесообразно использовать в следующих случаях:

- низкое качество электроэнергии в сети (повышенное или пониженное напряжение, частые сбои, отключения);

- полное отсутствие сети.

За счет наличия в системе буфера (АБ) и инвертора потребитель всегда получит кондиционную энергию независимо от ее качества в сети, если таковая присутствует вообще или не отключена в данный момент. Мало того, если сеть внезапно отключится, то потребитель этого даже не заметит благодаря построению ВЭС по принципу источника бесперебойного питания. Вот здесь и возникает почва для споров с оппонентами.

Да, при действующих тарифах на электроэнергию срок окупаемости ВЭС относительно высок. Но учитывая, что в Украине парк оборудования ТЭЦ, вырабатывающих более половины электроэнергии, изношен на 90% и требует либо замены, либо модернизации, тарифы в ближайшее время поднимуться и существенно, что автоматически приведет к уменьшению сроков окупаемости ВЭС.

Кроме того, никто почему-то не учитывает убытков, обусловленных низким качеством сетевой энергии (уменьшение КПД агрегатов, выход из строя оборудования) или отключением сети (остановка непрерывных технологических процессов, например в инкубаторах, несостоявшаяся прибыль и т.д.), т.е. эффективность работы ВЭС увеличивается на величину предотвращенных убытков и упущенной выгоды в связи с избежанием материальных потерь, вызванных сбоями в сети или ее отключением вообще.

Никто также не подсчитывал экономического эффекта, обусловленного уменьшением объемов вредных выбросов в атмосферу за счет экономии органического топлива, сжигаемого на ТЭЦ для получения эквивалентного количества энергии.

Еще труднее количественно оценить эффективность ВЭС в качестве устройства, позволяющего сохранить комфортность существования.

О воздействии ВЭС на окружающую среду

ВЭС в общем случае является источником механических (от электрогенераторов, мультипликаторов, трансмиссии) и аэродинамических (от элементов ротора) шумов.

Механические шумы могут быть снижены чисто конструктивными мероприятиями, как-то: применение тихоходных электрогенераторов, которое предусматривает исключение из схемы мультипликатора, размещение подвижных элементов конструкции в звукоизолирующем кожухе и т.д.

Аэродинамический шум лопастей - это характерный ритмичный свистящий звук, который генерируется сходящими вихревыми потоками на законцовках лопастей, а также передней и задней кромках профиля. Обусловленные сходом вихрей энергетические потери (концевые и индуктивные) составляют не более 5% от мощности набегающего на ротор ветрового потока. Естественно, что энергетика шумов, обусловленных этими вихрями, еще ниже. На этот свистящий звук накладывается шум, который генерируется при прохождении лопастей в ветровой «тени» опоры. При этом генерируются колебания основной частоты, численно равной количеству лопастей (i), помноженному на число оборотов в секунду, т.е.

, (4)

где - число оборотов ротора в минуту.

Исследования, проведенные Геофизическим институтом в Кируле (Швеция) позволили сделать вывод, что сколько-нибудь значительный уровень звукового давления возникает в районе непосредственного расположения ВЭУ. Но даже здесь расчетные величины настолько низки, что не могут повлиять на окружающую среду.

Очень красноречиво и в то же время аргументировано на основе практического опыта эксплуатации Аджигольской ВЭС (Николаевская обл.) воздействие ВУ на окружающую среду осветило руководство станции в работе [4].

Это все до некоторой степени субъективно, т.к. касается конкретного типа ВУ да еще в составе электростанции.

Понятно, что каждый тип ВУ имеет свои особенности, а особенно ВУ малой мощности и большой быстроходности. Но не стоит беспокоиться, т.к. при серийном производстве ВУ и ВЭС их шумовые параметры должны соответствовать:

· - ГОСТу 12.1.003-83 «ССБТ.Шум. Общие требования безопасности»;

· - ДСНам 3.3.6.037-99 «Державні санітарні норми. Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку”.

Показатели вибрационной нагрузки на потребителей не должны превышать санитарных норм, установленных в:

· - ГОСТе 12.1.012-90 «ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования»;

· ДСНах 3.3.6.039 «Державні санітарні норми. Санітарні норми виробничої локальної вібрації”.В противном случае использование ВУ запрещено.

Как механическое, так и аэродинамическое шумовое воздействие ВЭС значительно ослабляется при увеличении высоты опоры и удалении ВУ от жилой зоны.

Установленные за рубежом нормы надежности ВУ (не ниже 0,95) позволяют считать, что с точки зрения охраны труда и безопасности они находятся на уровне других промышленных объектов. Исследования показали, что для человека, находящегося вблизи ВУ, вероятность несчастного случая от удара обломком лопасти или куском льда меньше, чем вероятность удара молнии. И все же основополагающим безопасности должно быть размещение вокруг ВУ зоны безопасности радиусом около 5 диаметров ротора, а также, по возможности, отсутствие жилых построек и проходов в плоскости вращения ротора при доминирующем направлении ветра.

Потери земли при строительстве и монтаже ВУ определяются участками под фундамент и кабельные линии. Для маломощных ВЭС с опорами ферменного типа эта площадь минимальна и ограничивается несколькими квадратными метрами.

Выводы

1 Мощность ВУ определяется исключительно расчетной скоростью ветра, геометрическими размерами ротора (ветроприемного устройства) и эффективностью использования энергии ветра.

2 Необходимо соблюдать оптимальное соотношение между расчетной и среднегодовой скоростями ветра в конкретном месте установки конкретной ВУ.

3 ВУ любого типа должна иметь систему ограничения мощности.

4 Коэффициент мощности определяет эффективность отбора энергии у ветрового потока и до некоторой степени характеризует конструкцию ротора. Так, значение Ср для многолопастных ВУ, использующих силу лобового давления, в реальных условиях эксплуатации не превышает 0,25, а для быстроходных, использующих аэродинамическую подъемную силу, значение Ср может даже превышать 0,5.

5 Количество лопастей не оказывает влияния на значение установленной мощности

6 Автономные и резервные ветроэнергетические системы малой мощности должны строиться по схеме бесперебойного питания с буфером-накопителем. При этом мощность ВУ, мощность инвертора и емкость АБ должны быть сбалансированы с учетом ветропотенциала местности и характера нагрузок.

7 При выборе установленной мощности ВУ не следует механически суммировать паспортные значения мощностей всех энергопотребителей.

8 Себестоимость электроэнергии, произведенной БЭС, на порядок выше, чем энергии от ВЭС. Поэтому использование БЭС целесообразно лишь для кратковременного покрытия пиковых нагрузок.

9 Для автономного энергоснабжения более экономичным и экологически чистым источником энергии является ВЭС по сравнению с БЭС. Прокладка ЛЭП - очень дорогостоящий источник, требующий более сложных антивандальных мероприятий.

10 Срок окупаемости ВЭС имеет тенденцию к снижению, в то время как БЭС вообще никогда не окупается, равно как и капитальные затраты на строительство ЛЭП.

11 Себестоимость одного киловаттчаса электроэнергии ниже существующих тарифов на электроэнергию, утвержденных НКРЭ для потребителей из сети.

12 Шумовое воздействие ВЭС на окружающую среду не превышает значений установленных действующими нормативными документами.

13 ВЭС должны соответствовать установленным нормам надежности для промышленных объектов и иметь зону безопасности.

14 Отчуждаемая площадь земельных угодий при строительстве ВЭС минимальна.

Список литературы

1. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М.: Сельхозгиз, 1957. - 536 с.

2. Оніпко О.Ф., Коробко Б.П. Мала вітроенергетика. - К., 2000. - (Огляд. Інформ. Сер.- Енергетика.- Вип.1).

3. Шихайлов Н.А. Проблемы и развитие малой ветроэнергетики в Украине (Практический опыт ЧП «АВАНТЕ» в издании и эксплуатации ветросистем малой мощности) // Энергосбережение. - Донецк, 2003. - № 2. - С.22-26.

4. Подгуренко В.С., Бордюгов В.Н. Об ошибочных утверждениях, дискредитирующих ветроэнергетику // Энергетика и электрификация. - К., 2000. - № 12.- С.49-53.