Ветроэнергетические установки: марки, схемы оборудования, технико-экономические характеристики, эффективность, особенности использования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Астраханский государственный технический университет

Кафедра «Теплоэнергетика и

холодильные машины»

Доклад

Ветроэнергетические установки: марки, схемы оборудования, технико-экономические характеристики, эффективность, особенности использования

Выполнил:

Адельшинов И.Р.

Астрахань 2022

Содержание

Вступление

1. Марки

2. Схемы оборудования

3. Технико-экономические характеристики

4. Эффективность

5. Особенности использования

Вывод

Список литературы

Вступление

Ветроэнергетические установки представляют собой комплексы оборудования, предназначенного для выработки, подготовки и снабжения потребителей электрическим током. Поскольку ветер является бесплатным источником энергии, все расходы на выработку тока сводятся к первоначальным вложениям на приобретение (или создание) ветрогенератора и смежного оборудования и последующее обслуживание.

Ветряные генераторы, в том числе и производимые в России, по своему целевому назначению делятся на следующие виды:

- промышленные;

- бытовые.

К промышленным установкам относятся генераторы, мощность которых достигает нескольких мегаватт. Их устанавливают на территории крайнего севера и на территориях с постоянными сильными ветрами.

Марки

Одним из самых простых и доступных по цене российских ветрогенераторов является установка «ВЭУ-2000» с мощностью в 200 Вт, а характеристика напряжения составляет 24 В. Рассматриваемый генератор имеет три лопасти, которые изготовлены из стекловолокна. Высота устройства достигает шести метров, а диаметр крыльчатки - 2,2 м. Устройство очень компактно и для его установки достаточно участка площадью 4 кв. м. Для работы этого бюджетного аппарата достаточно ветра скоростью 4 м/с.

Рисунок 1 - Ветрогенератор ВЭУ-2000

Мировые бренды по производству устройств для преобразования силы ветра в электрическую энергию принадлежат странам, в которых развитие этого источника возобновляемой энергии является задачей государственной важности.

Итак, передовыми производителями в этой отрасли являются:

- Vestas - Дания;

- GEEnergy - США;

- Sinovel, Goldwind, Dongfang Electric, United Power - Китай;

- Enercon, Siemens Wind - Германия;

- Suzlon Energy - Индия.

- Gamesa - Испания.

Vestas - датский производитель ветрогенераторов, который является мировым лидером в этой сфере. Производство генераторов под этим брендом налажено не только в Дании, но и далеко за ее пределами. Стремительное развитие и удержание на протяжении долгих лет позиции лидера компании удается благодаря беспрерывному совершенствованию своей продукции и внедрению инноваций в процесс ее производства.

Американская компания GEEnergy в отличие от своего датского конкурента имеет производственные мощности только на территории Америки и большая часть ветрогенераторов в США устанавливается на фермерских землях, на основании заключения соответствующего соглашения с правообладателем этих земель.

Sinovel, Goldwind, DongfangElectric, UnitedPower - китайские лидеры по производству ветрогенераторов, которые на всех уровнях, в том числе и законодательном поддерживаются государством, вследствие чего данные компании с 2008-2009 годов наладили производство продукции не только для внутренних рынков, но и для экспорта.

Enercon, SiemensWind - немецкие производители. Их деятельность заслуживает только положительных оценок. Прогнозирование и дальновидность, характерные для немецкой нации не обошли стороной и эту отрасль экономики, благодаря чему после Чернобыльской аварии в стране началось всестороннее развитие ветроэнергетики.

SuzlonEnergy - ведущий индийский производитель ветряных генераторов по результатам 2010 года он замыкал пятерку лидеров мировых производителей. Географическое расположение страны также способствует развитию данной отрасли. В результате этих благоприятных факторов и наблюдается рост ветроэнергетики с неимоверной скоростью.

Испанская компания Gamesa не отстает от своих европейских коллег и год за годом увеличивает объемы своих производств. В результате плодотворной деятельности компании в 2013 году доля электроэнергии, полученной от ветряных установок, обошла объемы АЭС и продолжает свою деятельность по повышению этого показателя и по сегодняшний день.

Схемы оборудования

Существует две группы ВЭУ, отличающиеся друг от друга положением оси вращения рабочего колеса:

- горизонтальные (внешне напоминают пропеллер);

- вертикальные (лопасти таких устройств вращаются вокруг вертикальной оси).

Принципиальным отличием этих двух типов конструкции является необходимость ориентирования горизонтальных устройств по направлению ветра и нетребовательность к этому вертикальных ветряков. Кроме того, для горизонтальных устройств обязательно наличие высокой мачты, так как расположение на высоте обеспечивает более интенсивное воздействие потоков ветра на ротор. Вертикальные конструкции в подъеме над уровнем земли нуждаются в меньшей степени.

При этом эффективность горизонтальных ветряков в целом выше, чем у вертикальных устройств. Это происходит потому, что лопасти вертикальных роторов испытывают как полезное воздействие на рабочие части, так и противодействующие нагрузки на обратные стороны. Снижение уравновешивающего воздействия потока на обратные стороны лопастей является основной задачей конструкторов, пытающихся разработать наиболее удачную форму рабочего колеса.

Существуют опытные образцы, обеспечивающие высокую эффективность использования потока, но широкого производства таких устройств пока не наблюдается.

Рисунок 2 - Принципиальная схема устройства ВЭУ: с горизонтальной и вертикальной осью вращения

Технико-экономические характеристики

К основным техническим характеристиками ВЭУ относятся:

- номинальная мощность устройства;

- минимальная скорость ветра, при которой происходит запуск ротора;

- максимальная скорость ветра, при которой требуется торможение вращающейся части.

Таблица 1 - Технические характеристики ветрогенератора ВЭУ-2000

Таблица 2 - Технические данные ветротурбины Vestas V164-8MW

Таблица 3 - Технические данные ветротурбины Enercon E-126/7,5MW

Таблица 4 - Технико-экономические характеристики ВЭУ малой мощности отечественного производства

При приобретении ветряных генераторов для потребителя, как и в любом другом вопросе важна его стоимость. И зарубежные аппараты в этом плане занимают далеко не выигрышную позицию.

Так, рядовой россиянин при необходимости ветрогенератора для использования в частном доме может приобрести отечественный аппарат за 15-27 тысяч рублей.

Для большинства наших сограждан сумма довольно приемлемая, а зарубежный аппарат с аналогичными техническими характеристиками обойдется в 60-100 тысяч рублей, которые уже не являются такой незаметной суммой для семейного бюджета.

Эффективность

Основным показателем определяющим себестоимость является годовое производство электроэнергии. Однако само по себе оно не дает представления об эффективности. Для любого вида электростанций эффективность их работы оценивается показателем называемым коэффициентом использования установленной мощности (). Это есть отношение фактической годовой выработки генерирующего устройства к максимально возможной. Другими словами этот коэффициент можно представить следующим образом:

Наибольшее количество современных ВЭУ, подключенных к энергосистеме, работают с коэффициентом использования установленной мощности от 0,15 до 0,30. Электростанции на невозобновляемых источниках энергии работают с коэффициентом от 0,4 до 0,8. Например, в 2005 г. коэффициент использования установленной мощности всех электростанций России составил 0,5. Коэффициент использования установленной мощности любого генерирующего источника зависит:

- от его надежности, т.е. как часто требуется его останавливать, устранять неисправности или проводить ремонтные и регламентные работы и сколько на это потребуется времени. И чем больше требуется остановок, и чем они продолжительнее, тем меньше упомянутый выше коэффициент;

- от графика нагрузки, т.е. требуемой потребителем мощности, которая меняется в течение суток, месяца и года от нуля до максимального значения, причем максимальная мощность требуется обычно в течение нескольких часов.

У ветроустановок этот коэффициент еще зависит от наличия ветра и его скорости. Вот почему коэффициент использования установленной мощности ветроустановок существенно меньше, чем у других генераторов, хотя ветроустановки в хороших ветровых условиях работают с = 0,5.

В настоящее время активно проводятся научные и инженерные исследования, касающиеся ветроэнергетических установок (ВЭУ), их конструкции и способов управления. Важной задачей, которую приходится решать при этом, является повышение эффективности работы ВЭУ, а также управление мощностью при больших скоростях ветра.

Сегодня для наиболее распространённых типов ветровых турбин с горизонтальной осью вращения ветроколеса существует два основных механизма ограничения мощности ВЭУ - так называемые pitch и stall методы. В последнем используют лопасти специальной конструкции, для которых при превышении скорости ветра происходит срыв воздушного потока, начиная с края лопасти. При этом снижается создаваемый вращающий момент, что не позволяет ветроколесу разогнаться до критических скоростей. Метод pitch регулирования, или метод изменения угла установки лопасти, в ранней литературе считался излишне сложным для применения, но сейчас, с развитием техники, он стал практически стандартным для всех крупных ВЭУ. Более того, осуществлён переход к более сложной системе регулирования каждой лопасти отдельно, что позволяет осуществлять улучшенный контроль управления мощности и повысить эффективность генерации энергии. Одним из вариантов pitch регулирования является поворот только конца лопасти для создания аэродинамического сопротивления быстрому вращению. Однако, несмотря на все успехи в области создания систем регулирования, разработчики упускают ряд важных деталей, которые играют существенную роль для ВЭУ большой мощности, что в конечном итоге приводит к снижению эффективности их работы.

Обычно ВЭУ большой мощности (более 3 МВт) используют ветроколесо с горизонтальным расположением оси и малым числом лопастей аэродинамического профиля. Типичные размеры можно представить на примере ВЭУ «SeaTitan 10 MW» с диаметром ротора 190 м. С увеличением размеров ветроколеса падает частота вращения. Так, если для ВЭУ Enercon E-44 / 900 kW она составляет до 34 об/мин, то для SeaTitan

10 MW она равна 10 об/мин.

Главной особенностью ВЭУ большой мощности являются значительный диаметр и малая скорость вращения ротора. При этом появляется вопрос о том, можно ли при расчёте характеристик использовать предположение о равномерном потоке ветра через сечение ротора. Для малых турбин это приближение работало, поскольку осреднение проводилось по малой площади и за малое время одного оборота. Для больших ВЭУ уже невозможно считать, что ветровой поток будет постоянным через всё сечение ротора в течение времени одного оборота. Поскольку ветровой поток будет непостоянным, то добиться оптимального угла установки лопасти для повышения эффективности преобразования энергии ветра в существующих системах невозможно.

Для решения этой проблемы предлагается использовать лопасть, разделённую на несколько сегментов. Каждый сегмент может изменять свой угол установки независимо от других. Информация об аэродинамических условиях определяется исходя из сигналов от датчиков давления, которые массивом расположены на каждом сегменте лопасти. При такой архитектуре системы возможен контроль угла атаки сегмента лопасти в режиме реального времени и поддержание его оптимальным путём управления углом установки при изменении характеристик ветрового потока на протяжении всей траектории движения рассматриваемого сегмента.

Эффективность работы ВЭУ при этом может быть повышена на величину, равную объёму энергетических потерь, происходящих по причине неоптимального расположения лопасти в неравномерном ветровом потоке.

Особенности использования

В сельском хозяйстве для подъема воды из любых водоисточников (скважины, колодца, открытого водоема) без применения электропровода или двигателя внутреннего сгорания может быть использована технология с применением ветронасосных установок, которые принадлежат к числу современных устройств данного класса и приблизительно идентичны по ряду основных параметров.

Рисунок 3 - Общий вид ветронасосной установки

Ветронасосные установки бесшумны в работе, не требуют постоянного контроля за их работой, удобны в эксплуатации, снабжены устройством, позволяющим качать воду при отсутствии ветра в ручном режиме, позволяют подавать воду ритмичными порциями, и могут быть использованы при поливе участков по бороздам, капельным методом, дождеванием. При использовании емкости для накопления воды полив может осуществляться прогретой солнцем водой.

В ходе исследований установлено, что для целей водоснабжения, мелиорации оптимальная мощность источников энергии составляет 4-10 кВт.

Вывод

В будущем прогнозируется устойчивый рост использования возобновляемых источников энергии, к которым относится и ветер, поскольку общество начинает понимать, что в его интересах сменить источник энергии для хозяйственных и других нужд. Исчерпаемость запасов органических видов топлива приведет к увеличению использования ВИЭ.

Мировые бренды по производству устройств для преобразования силы ветра в электрическую энергию принадлежат странам, в которых развитие этого источника возобновляемой энергии является задачей государственной важности.

Передовыми производителями в этой отрасли являются:

- Vestas - Дания;

- GEEnergy - США;

- Sinovel, Goldwind, Dongfang Electric, United Power - Китай;

- Enercon, Siemens Wind - Германия;

- Suzlon Energy - Индия;

- Gamesa - Испания.

Список литературы

ветроэнергетическая установка электрический ток

1. П.П. Безруких, П.П. Безруких (мл.), С.В. Грибков - «Ветроэнергетика», 2014 г.;

2. С.А. Конаков, Д.В. Гринько - «Повышение эффективности ветроэнергетических установок»;

3. https://slarkenergy.ru/vetrogenerator/rossijskogo-proizvodstva-cena.html;

4. к.т.н. Каргиев В.М. - «Ветроэнергетика: руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности».

Размещено на Allbest.ru