Энергоинформ – развитие энергетики и информационных технологий

Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии

Энергоинформ / Точка зрения / Ветроэнергетика

Ветроэнергетика

Использование в биосферных поселениях бесшумного высокоэффективного ветроэлектрогенератора, коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) которого, как минимум, больше 1.2

Введение

Потребность в энергетике в мире возрастает в 2 раза каждые 10 лет и, несмотря на широкое развитие тепловых, гидроэлектростанций и АЭС, развитие экономики во многих странах требует небольших, легко транспортируемых на место работы, источников электроэнергии, которые могли бы быть использованы в любой географической точке. По сей день универсальным, автономным источником, безусловно, является дизель-генератор. Он находит широкое применение благодаря высокой надежности. Кроме того, он обеспечивает не только электроэнергией, но и теплом. В связи с непрекращающимся ростом цен на традиционные энергоносители — нефтепродукты, которые используются сегодня для выработки электроэнергии дизельными электростанциями в удаленных регионах, становится экономически целесообразным, а значит и актуальным, переход на использование природных возобновляемых источников — энергии ветра и безнапорного (без плотины) течения рек. Многие регионы мира обладают на побережье высоким ветровым потенциалом (среднегодовой скоростью ветра). К таким источникам электроэнергии относятся ветроэнергоустановки, которые располагаются везде, где дуют постоянные ветры. Попутно решаются проблемы экологии, энергосбережения, снижаются транспортные расходы (на доставку ГСМ). Наиболее широко распространёнными являются ветроустановки с рабочей частью в виде воздушного винта (пропеллера) с несколькими лопастями.

В России к началу нынешнего века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. В США к 1940 году построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать — экономисты подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную электростанцию.

Построенная в 1980 году в городке Бун (США) ветроэлектростанция, дающая 2 тысячи киловатт, действовала безотказно, но вызывала нарекания жителей городка, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой скоростью, создают шум. Во время работы ветряка в окнах дребезжали стекла и звенела посуда на полках. Было установлено, что шестидесятиметровый винт при определенной скорости вращения издавал инфразвук. Он не ощущается человеческим ухом, но вызывает низкочастотные колебания предметов и небезопасен для человека. После доработки лопастей от инфразвуковых колебаний удалось избавиться.

Традиционная компоновка ветряков — с горизонтальной осью вращения — неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует с разной скоростью. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей. Например, в Калмыкии построена ветроустановка с лопастью — 56 метров. На конце лопасти — сверхзвуковая скорость. После аварийного разрушения, станция до сих пор не восстановлена.

Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическая — мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии.

В большой ветроэнергетике только при массовом строительстве можно рассчитывать на то, что цена киловатт-часа снизится до десяти центов.

Есть страны традиционного применения «ветряков», например Голландия, где мощность ветроустановок достигает нескольких тысяч киловатт, а длина лопастей установок доходит до 50 и более метров. По прогнозам фирмы Боинг (США) — длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров, что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 МВт. Сегодня самые крупные из них — вдвое «слабее».

Вращающаяся часть ветроустановки требует постоянного наблюдения и ухода. Скорость ветра при урагане может достигать 70 метров в секунду. Если скорость ветра доходит до значений выше критических, то лопасти ломаются. Их замена часто связана со значительными трудностями и затратами. Технические характеристики зарубежных аналогов, предлагаемых на российском рынке, определяющие их экономические показатели, не являются высокими. Сравнение их удельных энергетических характеристик с характеристиками предлагаемых, в которых использованы наши теоретические наработки, позволяет сделать аргументированный однозначный выбор в пользу последних.

Бесшумный высокоэффективный ветроэлектрогенератор для производства ветроэнергетических установок единичной мощностью 10—25—50—100 кВт.

Ветроэлектростанция мощностью 5 киловатт
Ветроэлектростанция мощностью 5 киловатт

Суть предлагаемого технического решения — принципиально новый способ снятия энергии с ветрового потока без движущихся открытых лопастей, обладающих большой массой и напряженностью конструкции, измененная структура установки и применение для получения электроэнергии быстроходного высокоэффективного электрогенератора без повышающих редукторов с их низким КПД. опирающиеся на особенности ветровой энергии — зависимость мощности, которую может развить поток движущейся среды, от его скорости в третьей степени. Для достижения необходимой генерируемой мощности, ветроэнергетические установки на основе высокоэффективного трансформатора и концентратора энергии воздушного потока с последующими вариантами преобразования с помощью турбоэлектрогенератора или волнового резонансного ветроэлектрогенератора, могут объединяться в генераторные кластеры или в ветроэлектрофермы. Для обеспечения потребителей энергией при отсутствии ветра и пиковых нагрузках, предполагается комплектовать энергетические станции на основе ветроэлектрогенераторов — накопителями энергии (аккумуляторами) и силовыми полупроводниковыми преобразователями, обеспечивающими стабильность напряжения и частоты на нагрузке.

Ветроэлектростанция мощностью 1 мегаватт
Ветроэлектростанция мощностью 1 мегаватт

Достижимый предельный выигрыш в энергии, при одинаковых размерах ветроэлектрогенераторов и при равных ветровых потенциалах (или скоростях течений), в 5-10 раз по сравнению с лучшими существующими. В отличие от неуправляемых человеком атмосферных процессов в природе, в предлагаемой установке возможно регулирование, как величины разрежения, так и расхода воздуха, а значит, и управления процессом формирования воздушного потока в сопловом аппарате. Это позволяет существенно расширить область экономически целесообразного применения ветроэнергетических установок за счет местностей с меньшим ветровым потенциалом и с большим диапазоном возможных скоростей ветра (от 1 до 100 м/сек). Исключением дефицитных материалов и упрощением конструкции максимально снижается цена ветроустановок, а значит и цена вырабатываемой электроэнергии, что позволяет понизить тарифы и уменьшить сроки окупаемости по сравнению с дизельными в 3-3,5 раза. Применение герметичного быстроходного генератора, позволяющего соединить его непосредственно с валом первичного двигателя (турбины низкого давления) без повышающей передачи, и импульсного преобразователя, обеспечивающего стабильность выходного напряжения и частоты, независимо от скорости вращения первичного двигателя, позволяет получать на их базе высокоэффективные ветроэлектрогенераторы (смотри рисунки).

Встроенная ветроэлектростанция мощностью 15-25 мегаватт
Встроенная ветроэлектростанция мощностью 15 -25 мегаватт

Для примера:

  • Установка мощностью 10 квт имеет высоту 12 метров с панелью генератора расхода диаметром 4 м;
  • Установка мощностью 25 квт имеет высоту 15 метров с панелью генератора расхода диаметром 6 м;
  • Установка мощностью 50 квт имеет высоту 20 метров с панелью генератора расхода диаметром 8 м.

Установка высоко технологична, действует бесшумно, позволяет плавное бесступенчатое регулирование частоты вращения вала и крутящего момента, имеет высокий коэффициент полезного действия. При разработке установки, для защиты авторских прав, будет оформлено более десятка патентов на изобретения. Совокупность предлагаемых технических решений, позволяет создать высоконадежные, необслуживаемые, автономные энергетические установки, технико-экономические показатели которых значительно превышают показатели аналогов, а качество выходного напряжения удовлетворяет всем требованиям потребителя

Автор: О.Г. Войцех
© 2005–2020 Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии