Двухконтурная аккумулирующая ветровая электростанция

Обоснование проекта

стр. 2

Следует отметить, что в процессе развития ветроэнергетики существенно увеличилось разнообразие конструкций ветряков; при этом, кроме стандартных конструкций с горизонтальной осью, появилось значительное количество конструкций с вертикальной осью. К ним, в частности, относится конструкция карусельного типа (см. рис. 6а). Особенностью данной схемы является возможность работы в режиме слабого ветра: “В регионах с малыми ветрами эффективно работают только тихоходные малооборотные ветроустановки. Один из вариантов исполнения тихоходного ветрогенератора – с вертикальной осью вращения, так называемого “карусельного типа”. Такие ветроустановки способны выдавать номинальные параметры при скорости ветра от 2–4 м/с, в то время как установки с горизонтальной осью вращения – крыльчатые – требуют более высокой скорости ветра, и номинальные параметры достигаются при скорости ветра от 8–12 м/с” [10]. Не менее интересна конструкция типа архимедова винта, использованная А. Абушенко (рис. 6 б) по примеру чехов, где “малогабаритные ветроустановки – автономные аэраторы и накачивают воздух под воду для того, чтобы рыба не засыпала и лучше питалась” [11].

в

б

Рис. 6

Данная тенденция параллельного развития конструкций с горизонтальной и вертикальной осями прослеживается и при проектировании мощных ветровых установок. Из конструкций с горизонтальной осью хотелось бы выделить два мощных ветрогенератора, которые смонтированы крупнейшей фирмой NEG Micon со штаб-квартирой в Дании [6] (см. рис. 7а), и крупнейший в мире ветрогенератор, сооруженный фирмой REpower Systems AG в результате совместного проекта “Еврокомиссии и германской земли Schleswig-Holstein. Гигантский трёхлопастный ротор вознесся над землёй на башне высотой более 180 метров.
Сама установка называется REpower 5M, что обозначает её мощность – 5 мегаватт. Это самый мощный ветрогенератор в мире… Интересно, что ранее та же компания уже сооружала в Германии несколько меньшие ветрогенераторы, которые также превосходят большинство известных в мире – с роторами диаметром 70 и 82 метра и мощностью в 1,5 и 2 мегаватта” [12 (рис. 7б)]. На рис. 7 представлены моменты установки указанных генераторов.

а

б

Рис. 7

Другим направлением развития ветрогенераторов с горизонтальной осью являются роторные ветрогенераторы, вид которых показан на рис. 8 (а – в деревне Янковцы, б –Минский р-н). По оценкам авторов, в частности, “ветропотенциал Белоруссии, технически пригодный к использованию, составляет 300–400 млрд. кВтч в год. Проблема заключается в том, что существующие в настоящее время и широко используемые в мире лопастные <ветрогенераторы неустойчиво и неэффективно работают при> малых скоростях ветра, характерных для Белоруссии (как и для любой континентальной части Земли) и имеют высокую стоимость. ООО “Аэролла” разработана роторная ветроэнергетическая установка (ВЭУ) (см. рис. 8 б – авт.). Ветротурбина данной ВЭУ роторная; с использованием известного эффекта Магнуса. Проведенный ранее 000 “Аэролла” НИР по данному направлению показал, что КПД (коэффициент использования) такой турбины удается повысить в 2–3 раза относительно лопастных” [13].

а

б

Рис. 8

Тем не менее и роторная турбина при всех ее преимуществах перед лопастными обладает существенным недостатком – малой мощностью при слабых потоках ветра. Так, турбина “Аэролла”, по данным авторов [13], которые представлены в табл. 1, достигает проектной мощности 100 кВт при скорости ветра 6 м/с.

Табл. 1. Расчет мощности и годовой производительности установки

Обозначения в таблице:

Р_{1 i} – мощность ветрового потока через 1м ометаемой поверхности, создаваемая ветром со скоростью V_i ,

Р_{S i} , кВт – мощность ветрового потока по всей ометаемой площади,

Р_уст , кВт – мощность установки,

Е_i , тысяч кВт-ч в год – энергия, вырабатываемая установкой на данной скорости ветра V i c учетом ее годовой повторяемости, коэффициентов использования мощности ветрового потока для роторных ВЭУ и установленной мощности.

Наиболее же характерные для данной местности значения ветровой нагрузки лежат ниже данного уровня в 6 м/с, и это составляет пятую часть всего времени года, когда ветер имеет скорость выше 3 м/с. Если же к этому учесть, что полное время, когда ветер имеет скорость больше 3 м/с, составляет 59% стандартного года, то полное время, когда турбина работает ниже своей проектной мощности, составляет 66,4 % стандартного года. Безусловно, данная эффективность достаточна низка, учитывая к тому же, что эффективность использования турбиной потоков выше 6 м/с существенно падает с ростом скорости потока. Последнее обусловлено требованиями стабилизации напряжения, генерируемого турбиной.

При этом, если анализируемые характеристики роторной турбины, согласно расчетам авторов, в 3 раза выше, чем у генераторов лопастного типа, то можно с уверенностью говорить о еще более низкой эффективности ветростанций лопастного типа при низких скоростях потока ветра, характерного для большинства равнинных областей. И это подтверждается данными, приведенными самой фирмой NEG Micon. Согласно представленной ими таблице 2 [6], ветростанция начинает работать только при скорости ветра 3–4 м/с и достигает номинального режима при 16 м/с. Сравнивая с распределением годовой ветровой нагрузки в табл. 1, можно действительно ожидать низкую эффективность лопастных ветрогенераторов при малых скоростях средней ветровой нагрузки.

Табл. 2

Следует сразу отметить, что выше номинальной скорости ветра коэффициент использования лопастных ветрогенераторов тоже падает вследствие регулирования отдаваемой ветростанцией мощности. Вероятно, поэтому фирма NEG Micon устанавливает ветростанции в морях, где интенсивность потоков выше и турбулентность ниже, а сами потоки более стационарны, чем на суше.