Скільки потрібно вітрогенераторів для цілого міста?

Скільки потрібно вітрогенераторів для цілого міста?

Альтернативна енергетика — наприклад, сонячна або вітрова — дає нам можливість використовувати відновлюваний природний ресурс, добування якого не шкодить навколишньому середовищу і не вимагає витрат на його вилучення, переробку, транспортування і так далі. Для отримання енергії вітру потрібна установка вітрогенератора.

Вітрогенератор, або вітроенергетична установка, перетворює вітровий потік спочатку на механічну енергію обертання валу, а потім за допомогою електрогенератора на електричну енергію. Коли вітер обтікає лопаті вітроколеса, воно починає обертатись, і можна отримувати електроенергію від даного виду відновлюваної енергії.

Сучасні вітроенергетичні установки з вітроколесом аеродинамічного типу мають досить високий ККД — у вітроенергетиці він називається коефіцієнтом використання енергії вітрового потоку. Зрозуміло, що ми не можемо використовувати всю енергію, яка проходить в периметр вітроколеса. Відповідно до закону Беца, максимально можливий коефіцієнт використання енергії вітру становить 0,59, а сучасні енергетичні установки досягають 0,5. Якщо умовно уявити його у вигляді ККД, то це було б більше 84%. Це дуже високий ККД. Для порівняння: ККД у парових турбін близько 30%, газових — 34%. Діаметр вітроколеса потужністю 3 мегавати складає близько 100 метрів — воно встановлюється на башті заввишки від 100 метрів.

Чому у вітрогенератора три лопаті

В роботі вітрогенератора важливим параметром є швидкохідність вітроколеса — це відношення лінійної швидкості кінця лопаті до швидкості набігаючого потоку. В результаті численних досліджень з'ясувалось, що найбільш ефективно перетворюють енергію вітрового потоку вітроколеса, що мають швидкохідність (тобто це відношення), що дорівнює 6—7. Таких значень досягають вітроустановки з трьома лопатями. Бувають і однолопатні, і дволопатні ВЕУ. Часто в американських вестернах можна побачити вітроагрегати з більшою кількістю лопатей, які досить повільно обертаються.

Нерідко в установках використовують системи перетворення частоти обертання (редуктор, іноді це називають «мультиплікатор») між вітроколесом і електрогенератором. Тобто вітроколесо обертається, наприклад, з частотою 18—20 обертів на хвилину, а редуктор перетворює частоту обертання генератора на тисячу обертів. Тим самим оптимізується робота вітроколеса і робота генератора. Однак застосування редуктора знижує загальний коефіцієнт корисної дії всього вітроагрегата. Тому за можливості потрібно мати такі вітроагрегати, які не мали б редукторів. Зараз інновації полягають в більш широкому застосуванні можливостей силової електроніки при управлінні якістю електричного струму і нових типів генераторів, які дозволяють позбутись редуктора.

Показники вітроагрегата

Основна проблема підвищення ефективності вітроагрегатів — підвищення коефіцієнта використання енергії за допомогою вітроколеса. Це широка сфера для застосування нових матеріалів і нових технологій при виготовленні лопатей для вітроагрегатів.

На зорі розвитку вітроенергетики лопаті виготовляли з дерева або металу. Вони мали дуже жорсткі характеристики і не дозволяли вітроколесу ефективно перетворювати енергію вітрового потоку. Але в подальшому стали застосовувати різні полімери, склопластики, композитні та інші матеріали. При цьому доводилось практично вручну виготовляти вітроколесо. Потрібно було ретельно шліфувати поверхні, щоб шорсткість вітроколеса була якомога меншою для якісного перетворення енергії вітрового потоку. Застосування синтетичних матеріалів дозволяло робити лопаті більш ефективними, гладенькими, гнучкими і пружними, але ручне виготовлення значно більш трудомістке. Ймовірно, в подальшому можна буде виготовляти лопаті, в тому числі і значної довжини, на основі цифрового проектування, тобто 3D-моделювання. Комп'ютерне моделювання дозволяє використовувати роботизовані системи для виготовлення лопатей, які виходять ідентичними одна одній, не вимагають спеціальних систем балансування і випускаються одразу з повною готовністю.

Матеріал для лопатей підбирається залежно від діючих навантажень. Бажано, щоб він був також електропровідним, щоб можна було забезпечувати захист вітроагрегата від блискавки, пропускаючи через лопать високі напруги і гасити їх в основі вітроагрегата. Тому матеріали і конструкція вітроагрегата мають бути адаптованими до тих умов, в яких експлуатуватиметься вітроенергетична установка.

Адаптація вітрогенератора

Існує поняття адаптаційних заходів. При введенні вітроустановки потрібно враховувати ті кліматичні умови, які можуть зустрітись при експлуатації вітроустановки, — особливо актуально це для сьогоднішнього освоєння Арктики. Адже крім низької температури можуть бути й інші складності для роботи, такі як обмерзання лопатей, різкі, рвучкі вітри або вічна мерзлота. Будівництво на вічній мерзлоті вимагає спеціальних технологій. Впроваджуючи адаптаційні заходи, ми вносимо додаткові витрати у виготовлення вітроагрегата. Але при цьому він працюватиме триваліший час в суворих кліматичних умовах і вироблятиме більше електроенергії. Хоча можна піти іншим шляхом: зупиняти роботу вітроагрегата в період екстремальних умов і недовиробляти енергію, а потім знову запускати.

Різкі пориви вітру впливають на характер перетворення вітрової енергії, оскільки вітроколесо в поривах прагне розкрутитись більше або, навпаки, менше. Відбуваються коливання напруги і частоти обертання, і це негативно впливає на якість електропостачання. Зараз існують електротехнічні комплекси, які дозволяють компенсувати коливання параметрів електричного струму, — так звані системи повного перетворення електричної енергії. В цьому випадку первинна неякісна енергія інвертується спочатку в постійний струм, а потім конвертується знову у змінний з необхідними параметрами електричної мережі. Тим самим вітроустановка не вносить дисонансу в роботу енергосистеми.

Електроенергія вітрогенератора

Вітрогенератор діаметром 6 метрів має потужність 2 кіловати. У приватному будинку встановлена потужність електрообладнання — 10 кіловат. Але вони, як ми розуміємо, працюють не всі одночасно. Існує певний графік навантаження енергоспоживання. Тому для автономного або приватного енергопостачання, наприклад, вітроагрегат потужністю 10 кіловат в умовах середньорічної швидкості вітру близько 5 метрів на секунду може забезпечити приватний будинок електроенергією. І звичайно, повинен бути якийсь акумулятор енергії, щоб перерозподіляти енергію в періоди розбіжності приходу і споживання.

Для мережевого енергопостачання великої потужності вітрогенератори завжди встановлюються поруч і утворюють вітропарки. Потужність мережевих вітропарків досягає сотень мегават. Цього достатньо, щоб забезпечити електрикою ціле місто.

Очевидно, найголовніше для роботи вітроустановки — наявність вітру. Ефективно використовувати енергію вітру там, де його середньорічна швидкість на висоті флюгера перевищує 4,5—5 метрів на секунду. Звичайно, в маловітряних місцях встановлювати вітроагрегат нераціонально, оскільки він більшу частину часу простоюватиме. Інший важливий показник — це діаметр вітроколеса, який характеризує можливу потужність вітрового потоку. Вітер зі швидкістю 10 метрів на секунду дає потужність приблизно 300 ват з квадратного метра. Отже, якщо ми хочемо мати 3 кіловати, то діаметр вітроколеса повинен бути не менше 20 метрів, оскільки використовується тільки половина від усієї енергії.

Є різні принципи роботи вітроелектростанцій для виробництва електроенергії. Для великих мережевих вітропарків вони, як правило, працюють паралельно з мережею і видають стільки енергії, скільки дозволяє вітровий потік. Акумулюванням енергії займається системний оператор. Він дбає про те, щоб був певний резерв потужності, який потрібно буде підключати для компенсації недовиробітку вітростанції. Якщо ж говорити про роботу в автономній енергосистемі, де вітроагрегат є основним генеруючим обладнанням, то, звичайно, в ній потрібно використовувати якісь системи акумулювання енергії, для того щоб в години недовиробітку передавати її в мережу. Можна використовувати електрохімічні акумулятори. Але можуть бути і зовсім інші схеми. Для великих обсягів акумулювання — 1000 і більше мегават на годину — можуть бути використані гідроакумулюючі електростанції, які споживають електроенергію, коли вона в надлишку, і віддають, коли вона в дефіциті.

Наразі на ринку акумулюючих систем 92% займають саме гідроакумулюючі електростанції. Інший варіант — повітряне акумулювання вітрової енергії: коли утворюється надлишок енергії від працюючих вітроагрегатів, за допомогою систем приводу компресорів повітря закачується в підземні ємності, а коли потрібно виробляти енергію, підключається повітряна турбіна, яка виробляє електричну енергію. Існують також схеми — наприклад, надпровідні індукційні накопичувачі і суперконденсатори.

Переваги та перспективи вітроенергетики

Головна перевага — використання відновлюваного ресурсу, дарованого природою, який нічого не коштує. Також це екологічно чисте джерело енергії, оскільки воно практично не забруднює навколишнє середовище. А ті забруднення, які воно вносить, наприклад шумові, піддаються розрахунку та оптимізації з точки зору розміщення на місцевості. Ще одна перевага — це розподілена система генерації, тобто кілька установок в різних місцях замість однієї великої. Скажімо, якщо відбувається якась аварія, вихід з ладу одного з таких агрегатів не завдає жодних збитків при експлуатації енергосистеми. Безумовно, є і недоліки, пов'язані з тим, що все-таки це низькопотенційний ресурс, для отримання якого потрібні досить матеріаломісткі і висотні конструкції.

Однак очевидно, що напрямок вітроенергетики є дуже перспективним, адже в даний час встановлена потужність вітростанцій у світі складає понад 500 мільйонів кіловат, а щорічний приріст потужності — більше 10—15%.

X

Вхід

Завантажую...