Ветрогенератор

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ, ветряк) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.

Работа ветрогенератора

Промышленные ветрогенераторы в Северном море

Ветер раскручивает ротор. Выработанное электричество подаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразует напряжение на контактах (аккумулятора) в пригодное для использования

Ветрогенераторы можно разделить на три категории: промышленные, коммерческие и бытовые (для частного использования).

Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается (ветровая электростанция). Раньше считалось, что они полностью экологичны, чем отличаются от традиционных. Однако лопасти ветрогенератора сделаны из полимерного композита, вторичное использование и переработка которого невыгодны с точки зрения расходов. Сейчас вопрос о переработке лопастей является открытым.

Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 8 МВт.

Мощность ветрогенератора зависит от мощности воздушного потока (${\displaystyle N}$), определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью ${\displaystyle N=pSV^{3}/4}$,

где: ${\displaystyle V}$ — скорость ветра, ${\displaystyle p}$ — плотность воздуха, ${\displaystyle S}$ — ометаемая площадь.

Типы ветрогенераторов

Существуют классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по (шагу винта).

Существуют два основных типа ветротурбин:

• с вертикальной осью вращения («карусельные» — роторные (в том числе «ротор Савониуса», точнее «ротор Братьев Ворониных» В начале октября 1924 года русские изобретатели братья Я. А. и А. А. Воронины получили советский патент на поперечную роторную турбину, в следующем году финский промышленник Сигурд Савониус организовал массовое производство подобных турбин. За ним и осталась "слава" изобретателя этой новинки), «лопастные» ортогональные — (ротор Дарье));
• с горизонтальной осью круглого вращения (крыльчатые). Они бывают быстроходными с малым числом лопастей и тихоходными многолопастными, с КПД до 40%.

Также существуют барабанные и роторные ветротурбины.

Ветрогенераторы, как правило, используют три лопасти для достижения компромисса между величиной крутящего момента (возрастает с ростом числа лопастей) и скоростью вращения (понижается с ростом числа лопастей).

Преимущества и недостатки разных типов ВЭУ

(Закон Беца) предсказывает, что коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок ограничен константой 0,593. К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0,4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0,38. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0,4-0,45 - вполне реальная задача. Таким образом коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки.

Устройство

ВЭУ состоит из:

1. Ветротурбины, установленной на мачте с растяжками и раскручиваемой ротором либо лопастями;
2. Электрогенератора;

полученная электроэнергия поступает в:

• (Контроллер заряда аккумуляторов), подключенный к (аккумуляторам) (обычно на 24 В)
• (Инвертор) (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключенный к электросети

Промышленная ветровая установка

Устройство ветрогенератора

Состоит из следующих деталей:

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 (как правило, три, поскольку роторы с двумя лопастями подвергаются большим нагрузкам в момент, когда пара лопастей вертикальна, а больше трёх лопастей создают избыточное сопротивление воздуха)
12. Система изменения (угла атаки) лопасти
13. (Обтекатель)

• Система пожаротушения
• Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора
• Система молниезащиты
• Привод питча

Маломощная модель ветряного генератора

Состоит из следующих деталей:

1. Небольшой электродвигатель постоянного тока (3-12 В) (используемый как генератор)
2. Кремниевый выпрямительный диод
3. Электролитический конденсатор (1000 мкФ 6 В)

Эффективность

(Закон сохранения массы) требует, чтобы количество воздуха, входящего и выходящего из турбины, было одинаковым. Соответственно, (закон Беца) дает максимально достижимое извлечение энергии ветра ветряной турбиной как 16/27 (59,3%) скорости, с которой кинетическая энергия воздуха достигает турбины.

Таким образом, максимальная теоретическая выходная мощность ветряной машины равна 16/27 кинетической энергии воздуха, который достигает эффективной площади диска машины за единицу времени. При эффективной площади диска ${\displaystyle A}$ и скорости ветра ${\displaystyle v}$ максимальная теоретическая выходная мощность равна

${\displaystyle P={\frac {16}{27}}{\frac {1}{2}}\rho v^{3}A={\frac {8}{27}}\rho v^{3}A}$,

где ρ — (плотность воздуха).

Трение лопастей о воздух и лобовое сопротивление являются главными факторами, определяющими эффективность передачи энергии от ветра к ротору и, следовательно, стоимость энергии, вырабатываемой ветрогенератором. Среди других факторов снижения эффективности — потери в (редукторе), в генераторе и преобразователе. По данным на 2001 год турбины, подключенные к коммерческим коммунальным предприятиям, при номинальной рабочей скорости выдавали от 75% до 80% предельной мощности, определяемой по закону Беца.

Эффективность может немного снизиться со временем из-за пыли, дефектов поверхности лопастей и налипших насекомых, которые снижают ( подъемную силу) лопасти. Анализ 3128 ветряных турбин старше 10 лет в Дании показал, что КПД половины турбин не снизился, а у другой половины снижался в среднем на 1,2% в год.

В целом, более стабильные и постоянные погодные условия (особенно скорость ветра) приводят к повышению эффективности в среднем на 15% по сравнению с неустойчивой погодой.

Было обнаружено, что различные материалы по-разному влияют на эффективность ветряных турбин. В эксперименте Университета Эге были сконструированы три трёхлопастные ветряные турбины диаметром 1 м с разным материалом лопастей: стекловолокно и углеродное волокно с эпоксидным связующим, углеродное волокно, стекло-полистирол. Испытания показали, что материалы с более высокой общей массой имеют больший момент трения и, следовательно, более низкий коэффициент мощности.

Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов

Внутри башни

ВЭС Estinnes 11 × (E-126) возле бельгийского (Эстинн) в июле 2010, за месяц до завершения строительства станции

ВЭС Estinnes 11 × (E-126) (11 × 7,5 МВт) возле бельгийского (Эстинн) 10 октября 2010 года.

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7-10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветровой фермы может занимать год и более. Кроме того, для обоснования строительства ветроустановки или ветропарка необходимо проведение длительных (не менее года) исследований ветра в районе строительства. Эти мероприятия значительно увеличивают срок реализации ветроэнергетических проектов.

Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.

В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:

• Неправильное устройство (фундамента). Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.
• (Обледенение) лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и ротор останется неподвижным.
• Отключение/поломка тормозной системы. При этом лопасть набирает слишком большую скорость и, как следствие, ломается.
• Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает (электрическая защита) аппаратов, входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.
• Нестабильность работы генератора. Из-за того, что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.
• Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветровых электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.
• Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются (молниеотводящие системы).
• Шум и вибрация.

Перспективные разработки

Норвежская компания (StatoilHydro) и немецкий концерн Siemens AG разработали плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в июне 2009 года. Турбина под названием Hywind, разработанная Siemens Renewable Energy, весит 5 300 тонн при высоте 65 метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой, неподалёку от юго-западного берега Норвегии. Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.

Компания Magenn разработала специальный вращающийся от ветра аэростат с установленным на нём генератором, который сам поднимается на высоту 120—300 метров. Нет необходимости строить башню и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра от 1 м/с до 28 м/с. Аппарат может перемещаться в ветряные регионы или быстро устанавливаться в местах катастроф.

В мае 2009 года в Германии компанией Advanced Tower Systems (ATS) был запущен в эксплуатацию первый ветрогенератор, установленный на гибридной башне. Нижняя часть башни высотой 76,5 метров построена из железобетона. Верхняя часть высотой 55 метров построена из стали. Общая высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет 180 метров. Увеличение высоты башни позволит увеличить выработку электроэнерии до 20 %.

В конце 2010 года испанские компании (Gamesa), Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros и DIgSILENT Ibérica создали группу для совместной разработки ветрогенератора мощностью 15,0 МВт.

Евросоюз создал исследовательский проект "UpWind" для разработки (офшорного) ветрогенератора мощностью 20 МВт.

В 2013 году японская компания "(Mitsui) Ocean Development & Engineering Company" разработала гибридную установку: на единой плавающей в воде оси установлена ветровая турбина и турбина, работающая от (приливной энергии).

Самая мощная ветряная турбина в мире — 14-222 DD компании (Siemens Gamesa) (длина её лопасти достигает 108 м, а диаметр — 222 м), рекордсмен по максимальной выработке электроэнергии за сутки: 359 мегаватт-часов; 60 таких турбин будут установлены на ветряной электростанции ^[англ.] в заливе (Мори-Ферт) в Шотландии.

Крупнейшие производители

Таблица 10 крупнейших производителей промышленных ветрогенераторов в 2010 году, МВт:

№	Название	Страна	Объём производства, МВт.
1	(Vestas)	Дания	5 842
2	(Sinovel)	Китай	4 386
3	GE Energy	США	3 796
4	(Goldwind)	Китай	3 740
5	(Enercon)	Германия	2 846
6	(Suzlon Energy)	Индия	2 736
7	(Dongfang Electric)	Китай	2 624
8	(Gamesa)	Испания	2 587
9	(Siemens Wind)	Германия	2 325
10	United Power	Китай	1 600

В 2014 году суммарные мощности производителей турбин достигли 71 (ГВт).

Цены

Компания Bloomberg New Energy Finance производит расчёт ценового индекса ветрогенераторов (Wind Turbine Price Index). С 2008 года до 2010 года средние цены на ветрогенераторы снизились на 15 %. В 2008 году средняя цена ветрогенератора составляла 1,22 млн евро за 1 МВт мощности.

В августе 2010 года средняя цена одного МВт ветрогенератора составляла 1,04 млн евро.

В 2021 стоимость выросла до 4 млн евро (Германия, строительство возле города Флёте).

Малые ветрогенераторы

Три типа ветрогенераторов в действии

Малый (роторный ветрогенератор) на крыше здания

Парусный ветрогенератор

К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветровой энергетике. Они применяются на яхтах, сельскохозяйственных фермах для водоснабжения и т. д.

Строение малой ветровой установки

1. Ротор; (лопасти); ветротурбина; хвост, ориентирующий ротор против ветра
2. Генератор
3. Мачта с растяжками
4. (Контроллер заряда аккумуляторов)
5. (Аккумуляторы) (обычно необслуживаемые на 24 В)
6. (Инвертор) (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключенный к электросети

Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети.

Некоторые современные бытовые (ИБП) имеют модуль подключения источника постоянного тока специально для работы с (солнечными батареями) или ветрогенераторами. Таким образом, ветрогенератор может быть частью домашней системы электропитания, снижая потребление энергии от электросети.

Плюсы и минусы эксплуатации

Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии для использования в промышленности, получаемой от ветрогенераторов, являются:

• необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220 В 50 Гц (применяется инвертор, ранее для этой цели применялся (умформер))
• необходимость автономной работы в течение некоторого времени (применяются аккумуляторы);
• необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется дизель-генератор);

Считается, что применение малых автономных ветрогенераторов в быту малоцелесообразно из-за:

• высокой стоимости аккумуляторных батарей: ~ 25 % стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети);
• достаточно высокой стоимости (инвертора) (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в переменное напряжение стандарта бытовой электросети (220 В, 50 Гц).
• нередкой необходимости добавлять к нему (дизель-генератор), сравнимый по стоимости со всей установкой.

Однако, при наличии общей электросети и современного ИБП с двойным преобразованием эти факторы становятся неактуальными, также часто такие (ИБП) предусматривают возможность дополнения различными нестабильными источниками постоянного тока, такими как ветрогенератор или (солнечная батарея).

Наиболее экономически целесообразным в настоящее время является получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью тепловых насосов в тепло для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:

• Отопление является основным энергопотребителем практически любого дома в России.
• Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.
• Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле.
• В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
• Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности, температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широком диапазоне: 19-25 °С; в бойлерах горячего водоснабжения: 40-97 °С, без ущерба для потребителей.

Развитие

Строительство (Фундамента) для ветрогенератора

Монтаж ветрогенератора

Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается, и за вполне умеренные деньги уже сейчас можно приобрести ветровую установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому. Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 м/с. Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором, а ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами (например, (турбина Дарье) может быть дополнена (ротором Савониуса). При этом одно другому не мешает — источники будут дополнять друг друга).

Наиболее перспективными регионами для развития малой ветроэнергетики считаются регионы со стоимостью электроэнергии более $0,1 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии, производимой малыми ветрогенераторами в 2006 г. в США составляла $0,10-$0,11 за кВт·ч.

(AWEA) ожидает, что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до $0,07 за кВт·ч. По данным AWEA, в США в 2006 г. было продано 6807 малых ветровых турбин. Их суммарная мощность 17 543 кВт. Их суммарная стоимость $56 082 850 (примерно $3200 за кВт мощности). В остальном мире в 2006 г. были проданы 9502 малых турбины (без учёта США), их суммарная мощность 19 483 кВт.

Департамент Энергетики США (DoE) в конце 2007 года объявил о готовности финансирования особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.

AWEA прогнозирует, что к 2020 году суммарная мощность малой ветровой энергетики США вырастет до 50 тыс. МВт, что составит около 3 % от суммарных мощностей страны. Ветровые турбины будут установлены в 15 млн домов и на 1 млн (малых предприятий). В отрасли малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем $1 млрд.

В России тенденция установки ветрогенераторов для оснащения домов электричеством только зарождается. На рынке присутствуют буквально несколько производителей маломощных бытовых ветрогенераторов именно для домашнего использования. Цены на ветрогенераторы мощностью 1 кВт с полной комплектацией начинаются от 35-40 тыс. рублей (на 2012 год). Сертификация на установку данного оборудования не требуется.

См. также

• (Ветроэнергетика)
• Ветровая электростанция
• (Закон Беца)

Примечания

1. Виды ветрогенераторов  (неопр.). Дата обращения: 5 февраля 2013. Архивировано 11 февраля 2013 года.
2. Билимович Б. Ф. Законы механики в технике. — М.: Просвещение, 1975. — Тираж 80000 экз. — С. 173.
3. Почему у ветрогенераторов три лопасти, а не две или четыре? // (Популярная механика). — 2018. — № 5. — С. 16.
4. Что лучше - вертикальный или горизонтальный ветрогенератор? Преимущества и недостатки. КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА  (неопр.). Дата обращения: 20 сентября 2017. 21 сентября 2017 года.
5. Брага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 131 — .
6. The Physics of Wind Turbines Kira Grogg Carleton College, 2005, p. 8  (неопр.). Дата обращения: 6 ноября 2013. 9 сентября 2013 года.
7.   (неопр.). . Дата обращения: 23 апреля 2016. Архивировано из оригинала 9 мая 2019 года.
8. Enercon E-family, 330 Kw to 7.5 MW, Wind Turbine Specification  (неопр.). 16 мая 2011 года.
9. Tony Burton. Wind Energy Handbook / Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins … [и др.]. — John Wiley & Sons, 2001-12-12. — P. 65. — .   (неопр.). Дата обращения: 23 июня 2021. Архивировано 24 июня 2021 года.
10. Sanne Wittrup (2013-11-01). "11 års vinddata afslørede overraskende produktionsnedgang" [11 years of wind data shows surprising production decrease].  (датск.). 25 октября 2018. Дата обращения: 23 июня 2021.
11. Han, Xingxing; Liu, Deyou; Xu, Chang; Shen, Wen Zhong (2018). "Atmospheric stability and topography effects on wind turbine performance and wake properties in complex terrain". Renewable Energy. 126. Elsevier BV: 640—651. doi:10.1016/j.renene.2018.03.048. ISSN 0960-1481.
12. Ozdamar, G. (2018). "Numerical Comparison of the Effect of Blade Material on Wind Turbine Efficiency". Acta Physica Polonica A. 134 (1): 156—158. (Bibcode):2018AcPPA.134..156O. doi:10.12693/APhysPolA.134.156.
13. Файзуллин И.И. Ветровые энергетические установки // Оренбургский государственный университет. — 2014. 23 января 2022 года.
14.   (неопр.). Дата обращения: 9 сентября 2009. Архивировано из оригинала 16 сентября 2009 года.
15. Jorn Madslien. "Floating wind turbine launched". BBC NEWS. London: BBC. p. 5 June 2009. 26 января 2022. Дата обращения: 18 июня 2024.
16. New Tower Reaches High to Catch the Wind
17. Spanish Companies Plan a 15-MW Wind Turbine // December 1, 2010
18. Chris Webb. Wind Turbine Blades Push Size Limits // renewableenergyworld.com, 10.07.2012 / от 18 июня 2013 на Wayback Machine
19. Hybrid Wind-Tidal Turbine To Be Installed off Japanese Coast Июль 12, 2013  (неопр.). Дата обращения: 18 июля 2013. 22 декабря 2014 года.
20. Что больше потрясает: мировой рекорд ветряной турбины в Сиднее или её высота от 16 ноября 2022 на Wayback Machine // Epoch Times Russia, 15.10.2022
21. Tildy Bayar. World Wind Market: Record Installations, But Growth Rates Still Falling (англ.). Renewable Energy World (4 августа 2011). — 10 крупнейших поставщиков 2010 года по данным компании. Дата обращения: 28 мая 2013. Архивировано 28 мая 2013 года.
22. http://www.windtech-international.com/industry-news/news/industry-news/global-wind-turbine-manufacturing-capacity-has-far-surpassed-demand от 13 декабря 2014 на Wayback Machine Global wind turbine manufacturing capacity has far surpassed demand Published: 11 December 2014
23. Stephen Lacey. Wind Turbine Prices Remain Low (англ.). renewableenergyworld.com (4 августа 2010). — По данным компании, цены ветряных турбин снизилась на 15% за последние два года. Дата обращения: 28 мая 2013. Архивировано 28 мая 2013 года.

Литература

•  Современные ветродвигатели = Modern wind-engines: теория и расчет. — Петрозаводск, 1935. — 94 с.: ил.
• Е. М. Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. — М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1948. — 544 с. — 15 000 экз.
• В. Н. Андрианов, Д. Н. Быстрицкий, К. П. Вашкевич, В. Р. Секторов. глава 2. Ветродвигатели, глава 3. Ветроустановки постоянного тока // Ветроэлектрические станции / под редакцией В. Н. Андрианова. — М., Л.: Государственное энергетическое издательство, 1960. — 320 с. — 2000 экз.
• Валерий Чумаков. Токи ветров (рус.) // Вокруг света : журнал. — 2008. — Август (№ 8 (2815)). — С. 98-106. — ISSN 0321-0669.
• // «(Популярная механика)»
• Ю.В. Кожухов, А.А. Лебедев, А.М. Данилишин, Э.В. Давлетгареев. Аудит характеристик ветрогенераторов с применением CFD-моделирования на суперкомпьютере (рус.) //  : журнал. — 2016. — № 7 (107). — С. 81—87. 20 декабря 2016 года.

Ссылки

• Программы ЕС и США по развитию ветроэнергетики