Классификация и принцип действия ветроэлектрических установок

ВЭУ по своему назначению и виду преобразования энергии ветра в другие виды подразделяют на: ветромеханические, ветроэлектрические, ветротепловые и комбинированные (получение, например, механической и электрической энергии). Наиболее универсальны ветроэлектрические установки, по этой причине они получили наибольшее распространение. С точки зрения автономности использования различаются ВЭУ:

— автономные;

— работающие с другими энергоисточниками (дизельные электростанции, фотоэлектрические установки и др.);

— работающие в составе энергосистемы электроснабжения.

Автономные ВЭУ могут использоваться в качестве источника энергоснабжения, и в первую очередь — электроснабжения объектов, удаленных от ЛЭП (линии электропередач), газопроводов и других коммуникаций. Учитывая непостоянство скорости ветра, а зачастую и его отсутствие, для непрырывного энергоснабжения в составе таких ВЭУ необходимо иметь аккумуляторы того вида энергии, который производится с помощью данной установки. Так, для ветроэлектрических установок необходимо иметь электрический аккумулятор, способный обеспечить бесперебойное поступление электроэнергии на объект не менее 2-х суток. ВЭУ, работающие с другими энергоисточниками, позволяют наилучшим образом выполнять задачу непрерывного энергоснабжения любых объектов. Благодаря наличию дизель-генератора, фотоэлектрической станции, мини-ТЭЦ или небольшой ГЭС имеется возможность исключить потребность в аккумулировании энергии, производимой ВЭУ. При этом за счет использования ВЭУ обеспечивается экономия традиционного топлива. При работе ВЭУ в составе энергосистемы также обеспечивается полное использование энергетического потенциала этой установки и экономия других ТЭР, потребляемых электростанциями, которые питают энергосистему. Основным рабочим органом ветродвигателя ВЭУ является ветроколесо, принимающее на себя энергию ветра и преобразующее ее в механическую энергию своего вращения. Оно вращается за счет аэродинамических сил, возникающих при взаимодействии ветрового потока и лопастей. Различают быстроходные и тихоходные ветроколеса. Быстроходное ветроколесо имеет небольшое число лопастей, обычно две или три. Взаимодействие ветрового потока и лопастей показано на рис.6. Плоскость вращения Рис

Векторная диаграмма сил и скоростей в сечении лопасти быстроходного ветроколеса: υ_в — скорость ветра; ωR — окружная скорость сечения лопасти; υ_п — скорость набегающего потока; R — радиус вращения сечения лопасти; φ угол установки лопасти; а— угол атаки; F_a — полная аэродинамическая сила; F_n — подъемная сила; F_c — сила лобового сопротивления.

Для сечения лопасти, удаленного от центра вращения на расстояние R (радиус вращения), при угловой скорости вращения (ω линейная скорость кругового движения (окружная скорость) сечения будет равна ωR. Вектор этой скорости расположен в плоскости вращения ветроколеса. Для данного сечения воздушный поток набегает с относительной скоростью υ_п' которая будет превышать скорость ветра υ_в' так как она складывается (векторно) из υ_в и окружной скорости ωR. Возникающая аэродинамическая сила F_a раскладывается на подъемную — F_п' создающую вращающий момент в направлении вектора окружной скорости ωR, и на силу лобового сопротивления F_c' действующую против направления вращения лопасти. Меняя угол установки лопасти φ путем ее поворота, можно изменять величину и направление векторов сил, действующих на лопасть. Этим достигается регулирование частоты вращения ветроколеса, ограничение его мощности, а также пуск и остановка ветродвигателя. Мощность (кВт), развиваемая на валу ветроколеса, приближенно можно определить по формуле

Р_вк = 3,85∙10^-4∙р∙ D² ∙υ_в^З∙К_исп'

где р — плотность воздуха, кг/м³; υ_в — скорость ветра, м/с; D — диаметр ветроколеса, м; К_исп — коэффициент использования энергии ветра.

Предельное значение К_исп для быстроходного идеального ветроколеса определено русским ученым Н. Е. Жуковским и равно 0,593. Из формулы видно, что Р_вк пропорциональна υ_в³, что и определяет необходимость регулирования скорости вращения ветроколеса для обеспечения постоянства развиваемой мощности. Тихоходное ветроколесо конструктивно может быть выполнено в виде лопастных колес, с числом лопастей от 6 и более. Кроме того, имеются разработки тихоходных ветродвигателей карусельного, барабанного, парусного типов и др. Значение К_исп для многолопастных ветроколес не превышает 0,38, для карусельного ветродвигателя — меньше 0,18. Особенностью всех тихоходных ветродвигателей является то, что они при небольшой скорости вращения развивают большой вращательный момент. Регулирование частоты вращения и ограничение мощности достигается путем поворота оси вращения ветроколеса от направления ветра, уменьшением площади рабочих поверхностей ветроколеса и др. В зависимости от ориентации оси вращения рабочего органа (ветроколеса, ротора и др.) ветродвигатели делятся на горизонтально - и вертикально-осевые. Горизонтально-осевые — это такие, у которых ось вращения ветроколеса расположена вдоль направления ветрового потока. Для нормальной работы такие ветродвигатели требуют установки плоскости вращения ветроколеса перпендикулярно вектору скорости ветра. Вертикально-осевые имеют ось вращения рабочего органа, расположенную вертикально относительно горизонтальной плоскости. Для таких устройств не требуется установка на ветер.