Общие понятия и характеристика
Ветроустановка (ВЭУ) улавливает кинетическую энергию ветра лопастями и преобразует ее через электрогенератор в электрическую энергию.
Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок равен 0.593. В настоящее время ветроустановки могут вполне достичь величины в 0.4. Т. е. около 60 % энергии ветра рассеивается в окружающей среде (в виде остаточных потоков воздуха, воздушных вихрей при движении воздуха вдоль лопастей ротора и др.).
Ветроустановки бывают 2 типов:
1) вертикально-осевые;
2) горизонтально-осевые.
Вертикально-осевые (карусельные: лопастные и ортогональные) ветроустановки имеют следующие преимущества:
1) не требует ориентации на ветер (т. е. дополнительных энергозатрат);
2) саморегулирование максимальной скорости при вращении;
3) тихоходны;
4) быстро наращивается сила тяги.
Недостатками такого типа ветроустановок являются:
1) дороги по себестоимости;
2) более дороги в эксплуатации и ремонте;
3) массивны и громоздки.
Горизонтально-осевые (крыльчатые) ветроустановки имеют следующие преимущества:
1) сранительно меньшая стоимость;
2) возможность промышленного применения (уже существуют лопасти диаметром более 80 м).
Недостатками такого типа ветроустановок являются:
1) необходимость ориентации на ветер;
2) высокий процент поломки лопастей при высоких скоростях или резких изменениях направления ветра.
В настоящее время больше всего используют ветродвигатели с горизонтальной осью вращения. Ветряные электрогенераторы с горизонтальной осью занимают 95 % всего мирового производства ветроэлектростанций.
Таким образом, вертикально-осевые ветроустановки лучше использовать в частных целях, а горизонтально-осевые - в промышленных целях. Так, например, уже в мире существуют горизонтально-осевые установки более 4 МВт, высотой более 120 м и с диаметром лопастей - более 80 м. Однако такого типа ветроустановки хорошо подойдут и для частного использования (менее 100 кВт). Главное, чтобы направление ветра в целом не было резким на протяжении месяца или более длительного срока.
По мощности получаемой энергии различают следующие типы ветроэлектроустановок (ВЭУ):
1) очень малой мощности (до 1 кВт) - микроветроэнергетика;
2) малой мощности (до 100 кВт) - малая ветроэнергетика;
3) средней мощности (от 100 до 1000 кВт) - ветроэнергетика как частного, так и промышленного назначения;
4) большой мощности (свыше 1000 кВт) - промышленная ветроэнергетика.
Сферы применения ВЭУ:
1) в промышленности (для выработки электричества мегаваттных мощностей);
2) в сельском хозяйстве (для подъема грунтовых вод);
3) в сфере услуг (для освещения бигбордов и др.);
4) в иных целях (для зарядки мобильных телефонов, на яхтах, в целях освещения для частных домов и т. п.).
Для промышленного освоения ветра сооружают целые фермы ветряков, называемых ветроэлектростанцией.
Ветровая электрическая станция (ВЭС) представляет собой группу ветровых электрических установок (или отдельная ветровая электрическая установка), оборудования и сооружения, которые расположены на одной территории, функционально связаны между собой и составляют единственный комплекс, предназначенный производить электроэнергию, превращая кинетическую энергию ветра в электрическую энергию.
Для промышленного освоения ветра важно, чтобы среднегодовая скорость ветра в конкретной местности, где предполагается устройство ветряка, превышала 5 - 6 м/с.
Во многих случаях, строение малой ветряной установки следующее:
1) ротор с лопастями;
2) генератор (как правило это асинхронный трёхфазный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов напряжением =24 В);
3) мачта с растяжками;
4) контроллер заряда аккумуляторов;
5) аккумуляторы (необслуживаемые на 24 В);
6) инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц);
7) сеть.
Во многих случаях, строение промышленной ветряной установки следующее:
1) фундамент;
2) силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления;
3) башня;
4) лестница;
5) поворотный механизм;
6) гондола;
7) электрический генератор;
8) система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр);
9) тормозная система;
10) трансмиссия;
11) лопасти;
12) система изменения угла атаки лопасти;
13) колпак ротора.
К тому же в состав промышленной ветроустановки входят:
1) система пожаротушения;
2) телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора;
3) система молниезащиты.