Ветроэнергетические установки (ВЭУ) в мире развиваются по трём направлениям — системные ВЭУ, ветродизельные ВЭУ и зарядные ВЭУ, работающие на заряд аккумуляторов. К малым ВЭУ относятся, согласно классификации МЭК, ВЭУ мощностью до 50 кВт, имеющие площадь ометаемой поверхности до 200 м², с выходным напряжение по переменному току до 1000 В и постоянному до 1500 В [1].
ВЭУ малых мощностей активно развивается во всём мире. По статистике WWEA за 2016 год [2, 7], в 2011 году зарегистрировано более 327 предприятий мира, занимающихся производством ВЭУ малых мощностей, из которых 74 % выпускают горизонтально-осевые ВЭУ, 18 % — вертикально-осевые ВЭУ, 6 % выпускают ВЭУ обоих типов.
Вертикально-осевые ВЭУ начали выпускать пять-семь лет назад и их средняя мощность составляет от 2,5 до 7,5 кВт. В мире на конец 2015 года было зарегистрировано 990 966 ВЭУ малых мощностей. Среднегодовой прирост числа ВЭУ малых мощностей за 2015 год составил 4,88 %, а с 2010 года по 2014-й их прирост составил более 51 %. Суммарная мощность малых ВЭУ в 2015 году составляла 948,873 МВт. Ежегодный прирост мощности малых ВЭУ составляет более 10 %, а с 2010 по 2015 годы он составил 114,07 %, то есть их суммарная мощность более чем удвоилась.
Таким образом, можно говорить о тенденции устойчивого развитии в мире ветроэнергетики малых мощностей.
Говоря о развитии малой ветроэнергетики в России, можно отметить, что именно у нас, ещё в начале прошлого века, были заложены основы теории ВЭУ Н. Е. Жуковским, Н. В. Красовским, Г. Х. Собининым [3]. Расцветом советской ветроэнергетики можно назвать 1959 год, когда за год было выпущено около 10 тыс. ВЭУ малых мощностей. В последующие годы в связи с развитием единой системы энергоснабжения произошёл спад их выпуска, а в 1990-е годы предприятия, выпускавшие ВЭУ в Астрахани и подмосковной Истре, прекратили своё существование.
В России 2/3 территории не охвачено единой системой электроснабжения. Питание крупных потребителей осуществляется от мощных тепловых и дизельных станций. Кроме того, имеется значительное число малонаселённых пунктов с числом жителей от двух до 50–100 человек, куда просто нецелесообразно вести линии электропередач, и именно там-то и должна применяться малая энергетика. Как правило, электроснабжение таких поселений осуществляется от дизель-генераторных установок малых мощностей (от 2–4 до 100 кВт). Довольно остро стоят вопросы завозки дизельного топлива и его экономии. Это характерно, например, для поселений Кольского полуострова, Якутии, Дальнего Востока, Камчатки, Чукотки и даже центральных регионов России. Аналогичная ситуация имеется и в Республике Казахстан.
При наличии ветров на этих территориях целесообразно применять ВЭУ малых мощностей, которые могут успешно работать вместе с солнечными батареями и для обеспечения значительного числа удалённых территорий, где нет централизованного электроснабжения.
Таким образом, можно говорить о необходимости промышленного развития выпуска ветроустановок малой мощности. Проведённые исследования показали, что наиболее востребованы могут быть ветроустановки мощностью от 200 Вт до 5–15 кВт, которые могут применяться как для обеспечения электроснабжения частных хозяйств, малых производств, сельскохозяйственных ферм, систем связи, систем технического контроля и наблюдения, охранных и осветительных системах и т.д.
Для обеспечения бесперебойности электроснабжения в качестве дополнительного первичного источника электроснабжения необходимо применять дизельные генераторы, которые обеспечивают электроснабжение потребителей в случае отсутствия ветра и солнца или когда будут разряжены аккумуляторные батареи. При включении данного дизельгенератора будут заряжаться аккумуляторные батареи и обеспечиваться питание потребителей электрической энергии. По завершению заряда аккумуляторов дизель-генератор отключается. Заряд аккумуляторов может происходить как при одновременной работе всех трёх первичных источников, так и от одного из них. Приоритетными первичными источниками являются ветроэнергетические установки и солнечные батареи.
Обобщённая структурная схема комплекса гарантированного электроснабжения с применением в качестве первичных источников ВЭУ, солнечных батарей и резервного дизель-генератора, представлена на рис. 1.
Комплектация комплексов электроснабжения определяется как конкретными климатическими условиями, так и финансовыми возможностями потребителей. Предполагаем, что основным источником энергии в таких комплексах является ВЭУ.
Одним из динамически развивающихся предприятий, занимающимся проблемами создания и производства ветроустановок малой мощности является московское предприятие НИЦ «Виндэк», которое было создано в 1992 году, и оно ставило перед собой задачу создание отрасли по производству автономных ВЭУ малых мощностей.
Основными компонентами ветроэнергетической установки являются генератор и ветродвигатель. Энергия, получаемая от такой установки, через контроллер обеспечивает заряд аккумулятора и через инвертор, преобразующий постоянное напряжение в переменное, питает нагрузку переменного тока.
Вентильные генераторы серии «Виндэк»
Для организации выпуска ВЭУ в первую очередь необходимо было спроектировать и организовать производство как генераторов, так и ветродвигателей, согласованных между собой по частоте вращения и мощности. Для снижения себестоимости ВЭУ целесообразно применение прямого привода передачи вращения от ветродвигателя к генератору.
Проведённые расчёты и анализ характеристик ВЭУ показали, что частоты вращения ветроколёс, а, соответственно, и генераторов в зависимости от их мощности лежат в диапазоне от 1000 до 1500 мин–1 для ВЭУ мощностью 100–200 Вт, а также 650 мин–1 — для ВЭУ мощностью от 0,5 до 1,0 кВт, 350–450 мин–1 для ВЭУ мощностью 1,0 кВт, 150–300 мин–1 для ВЭУ мощностью от 2 до 10 кВт. Исходя из этого, были разработаны и организован промышленный выпуск генераторов серии «Виндэк» обращённой конструкции ВГ-02(14)/ 1400-17-02Об; ВГ-05(12)/650-28-04Об; ВГ-1 (12)/450-56-02Об и генераторов необращённой конструкции для горизонтальноосевых и вертикально-осевых ветроустановок ВГ-2(24)/150-56-02Г и 02В; ВГ-3(28)/ 200-96-02Г и 02В, ВГ-5(28)/300-112-02Г и 02В; ВГ-8(28)/200-112-02Г и 02В; ВГ-10 (28)/200-220-02Г и 02В.
Структура обозначения генераторов серии «Виндэк» представлена на рис. 2. Характеристики генераторов представлены в табл. 1 и 2 [4].
Ветроустановки «Виндэк» мощностью от 200 Вт до 5 кВт
В настоящее время широкое применение находят горизонтально-осевые ВЭУ с числом лопастей от одной до трёх и более лопастей.
Как известно, мощность горизонтально-осевых ВЭУ с прямым приводом «ветроколесо–генератор» определяется следующим выражением:
где N — мощность ВЭУ; V — скорость воздушного потока, м/с; η — КПД генератора; ρ = 1,225 кг/м³ — удельная плотность воздуха при t = 18 °C; Cp — коэффициент использования энергии ветра; Sвк — площадь, ометаемая ветроколесом, м².
Между коэффициентом использования энергии ветра Ср, быстроходностью Z и относительным моментом М´ существует соотношение:
Cp = M´ Z, (2)
Момент, развиваемый ветроколесом, определяется выражением
где ω = πn/30 — угловая скорость вращения ветроколеса, рад/с; n — частота вращения ВК, мин–1.
С другой стороны, момент, развиваемый ветроколесом, определяется как:
M = P/ω. (4)
Быстроходность ВОВЭУ ТТ — Z — определяется выражением:
Z = ωR/V, (5)
n = 30RZ/pV. (6)
Анализируя (3) и (4) можно сделать вывод о том, что мощность развиваемая ВЭУ, практически, не зависит от числа лопастей ВЭУ [5]. Быстроходность же ВЭУ, зависит от коэффициента заполнения лопастями площади ометаемой ветроколесом. С увеличением быстроходности ВЭУ, то есть частоты вращения ветроколеса, уменьшается вес генератора, но лопасти при большом их числе получаются узкими и их прочность мала. При эксплуатации подобных ВЭУ возможна их деформация, что неоднократно наблюдалось при разработке двухи трёхлопастных ВЭУ повышенной быстроходности, достигавших значений Z = 10–15. В связи с полученным выводом о незначительном влиянии числа лопастей на мощность, вырабатываемую ВЭУ, возможна разработка однолопастных ВЭУ с быстроходностью Z = 10–15.
На основе разработанных генераторов НИЦ «Виндэк» разработал и организовал выпуск горизонтально-осевых однолопастных ВЭУ мощностью 0,2; 0,5 и 1,0 кВт. Установки имеют двухступенчатый центробежный регулятор частоты вращения. Надёжность пуска обеспечивается увеличением угла установки лопасти до 15°. Рабочие углы установки лопасти находятся в диапазоне от 2° до 5°. Применяется антифлюгерное регулирование лопасти, которое позволяет сузить диапазон регулирования углов установки лопасти от +2° до –10° и обеспечить стабильную частоту вращения ветроколеса в режимах от холостого хода до номинальной нагрузки, что существенно упрощает схему управления и исключает необходимость применения балластного сопротивления, применяемого для нерегулируемых ветроколёс. Применение центробежного регулятора позволяет существенно расширить диапазон рабочих ветров от 2,0–2,5 до 50–55 м/с. Разработанные ВЭУ, в зависимости от профиля применяемых лопастей, имеют коэффициент использования энергии ветра 0,4–0,5.
На рис. 4 приведена конструкция однолопастной ветроэнергетической установки мощностью 100 Вт с частотой вращения ветроколеса 1800 мин–1. В качестве профиля алюминиевой лопасти был взят профиль Эсперо. Многолетние испытания установки, показали надёжность её пуска при скорости ветра V = 1,8 м/с и возможность работы ветроэнергетической установки в широком диапазоне ветров. Масса такой ВЭУ без учёта мачты составляет 3,0 кг, что предполагает её применение для туристов и путешественников. Оценивая её шумовые характеристики, можно отметить, что до момента начала регулирования частоты вращения ветроколеса уровень шума не превышает 35 дБ(А), при регулировании частоты вращения, то есть при больших скоростях ветра (V ≥ 12 м/с) уровень шума существенно возрастает за счёт срыва воздушного потока, так как применено антифлюгерное регулирование частоты вращения лопасти ветроколеса.
В последние годы всё бóльший интерес проявляется к вертикально-осевым ветроэнергетическим установкам, что объясняется такими преимуществами их перед горизонтально-осевыми как:
- возможность работы при любых направлениях ветра и, следовательно, отсутствие необходимости иметь устройство ориентации на ветер;
- отсутствие токосъёмных устройств, что значительно повышает надёжность работы цепей электроснабжения;
- пониженный уровень шума — менее 45 дБ(А) — за счёт малой быстроходности ветроколёс.
Вместе с тем им присущи и недостатки, которые зачастую сдерживают их применение, такие как:
- неравномерность вращения ветроколеса;
- плохие пусковые свойства;
- изгибающая деформация лопастей и возникающие механические напряжения в местах крепления лопастей;
- более низкий коэффициент использования энергии ветра, чем у горизонтально-осевых ВЭУ.
По результатам испытаний в аэродинамической трубе коэффициент преобразования энергии ветра находится в диапазоне Cp = 0,12–0,40.
Для устранения этих недостатков вертикально-осевых ВЭУ НИЦ «Виндэк» были проведены научно-исследовательские работы и аэродинамические испытания различных конструкций ВЭУ. В качестве основной была выбрана вертикально-осевая ВЭУ турбинного типа с направляющим аппаратом. Для упрощения конструкции выбраны лопатки с профилем «дужка». Аэродинамическая схема ВЭУ приведена на рис. 5.
На основе проведённых аналитических и экспериментальных исследований моделей ВЭУ в аэродинамической трубе были оптимизированы геометрические параметры лопаток рабочей турбины и направляющего аппарата, что позволило для рассматриваемой конфигурации получить коэффициент преобразования энергии ветра 0,3 [5]. По разработанной методике проектирования была изготовлена опытная ветро-солнечно-дизельная станция, которая показала высокую эффективность разработанной ВЭУ.
При установке одного модуля с собственным генератором на другой модуль возможно наращивание установленной мощности ВЭУ. При этом работа нижнего ветромодуля и его генератора не зависит от работы вышерасположенного ветромодуля и его генератора.
Применение раздельных контроллеров заряда аккумуляторов позволяет обеспечить их параллельную работу по постоянному току на заряд единой аккумуляторной батареи. Питание нагрузки переменного тока осуществляется через единый инвертор.
Выводы
В соответствии с выбранной стратегией развития предприятия организовано:
1. Разработка и мелкосерийное производство вентильных многополюсных генераторов для ВЭУ мощностью от 200 Вт до 10 кВт.
2. Получен вывод о независимости мощности ВЭУ от числа лопастей.
3. Разработан двухступенчатый регулятор частоты вращения ветроколеса ВЭУ.
4. Разработаны горизонтально-осевые однолопастные ветроустановки мощностью от 200 Вт до 1,0 кВт.
5. Разработаны вертикально-осевые модульные ВЭУ турбинного типа с направляющим аппаратом мощностью от 1,0 до 5,0 кВт.
