Read the book: «Применение ветроустановок»

Name: Применение ветроустановок
Author: Юрий Степанович Почанин

Font::

Введение

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием активности Солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. По данным отчёта Глобального совета по ветроэнергетике (GWEC) «Global Wind Report 2026», к концу 2025 года общая установленная мощность ветрогенерации достигла 1 299 ГВт, а доля ветра в мировом производстве электроэнергии составила 9,5%. Некоторые показатели развития ветроэнергетики в 2025 году:

1. В мире установили 28,4 тыс. новых ветряных турбин, то есть в среднем новая турбина появлялась раз в 18,5 мин.

2. Новые ветропарки ввели в эксплуатацию 57 стран, причём 14 из них добавили более одного гигаватта мощностей.

3. Абсолютным лидером стал Китай, установивший 120,5 ГВт новых ветряных станций. За ним следуют США (6,9 ГВт), Индия (6,3 ГВт), Германия (5,7 ГВт) и Бразилия (2,3 ГВт).

4. В общей сложности в 2025 году к электросетям подключили 165 гигаватт новых ветряных мощностей — это на 40% больше, чем годом ранее.

По прогнозам GWEC, в период с 2026 по 2030 год ожидается ввод в эксплуатацию 969 ГВт новых ветряных мощностей по всему миру. Амбициозная цель отрасли — увеличить глобальную мощность ветроэнергетики до 3 ТВт к концу десятилетия.

Возможности России в генерации ветровой энергии (которые в настоящее время практически не используются) оцениваются в 30% от общего электроэнергетического потенциала страны. По данным на 1 июля 2026 года, совокупная установленная мощность объектов ВИЭ в России, в том числе ветровых электростанций, составляет 7,61 ГВт. По данным на начало 2026 года, в топ-5 крупнейших ветроэлектростанций (ВЭС) России входят:

Новолакская (Дагестан) — 300 МВт. Запуск первой очереди состоялся в конце 2025 года, полное завершение — 2026 год.

Кочубеевская (Ставропольский край) — 210 МВт. Один из первых сверхмощных объектов «Росатома», стабильно работает в энергосистеме юга.

Кольская (Мурманская область) — 202 МВт. Самая мощная ВЭС в мире за Полярным кругом, управляется компанией «ЭЛ5-Энерго».

Труновская (Ставропольский край) — 160 МВт. Введена в эксплуатацию в 2023–2024 годах в рамках программы развития ВИЭ на Ставрополье.

Марченковская (Ростовская область) — 120 МВт. Крупный объект в кластере Ростовской области, обеспечивающий промышленность региона «зелёной» энергией.

С появлением персональных компьютеров появились и соответствующие программы, стандартизирующие и упрощающие учёт многих факторов, влияющих на скорость ветрового потока на месте. Обладая данными программами, навыками работы с ними, а также достоверной исходной информацией можно, посчитать прогнозируемую выработку ветроэлектрической станции (ВЭС) любой мощности, сложности и конфигурации.

Глава

Глава 1. Ветер как источник энергии

Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании кинетической энергии ветрового потока. Ветер представляет собой движение воздуха в атмосфере, возникающее под действием различных факторов. Прежде всего он возникает от разности давлений у поверхности Земли и границы атмосферы. Возникает также разность давлений в горизонтальной плоскости - барический градиент, который вынуждает воздух перемещаться в горизонтальном направлении. Неравномерный нагрев атмосферы, земной поверхности и мирового океана из-за солнечной радиации, вращение Земли и связанное с ним действие сил Кориолиса также оказывают воздействие на поток воздуха. В области экватора воздух нагревается и поднимается вверх. Верхние слои движутся в направлении полюсов, там охлаждаются и опускаются к Земле. Вместе с тем, существуют зоны стабильных ветров - пассатов, которые находятся в области, лежащей между 25 и 30 северной и южной широтами соответственно. Постоянный западный ветер дует с запада на восток в полосе от 40 до 60 южной широты. Постоянно дующими ветрами являются муссоны в Индийском океане.

Основные характеристики ветра - скорость и его направление крайне изменчивы и зависят от многих факторов, а именно: рельеф местности, удаленность от берегов и океанов, климатические зоны и т.д. Скорость ветра может меняться в широких пределах: от легкого дуновения до урагана (около 100 м/с). Колоссальная энергия ветра может нанести громадный ущерб в виде разрушенных при ураганах зданий, линий передач и т.д. или может быть использована в народнохозяйственных целях. Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например — городами), без ущерба для хозяйственной деятельности. Природно-техническая система с ВЭУ представлена на рис.1.1.Таким образом, можно сделать обобщающий вывод о том, что ресурс ветроэнергетике достался не постоянный и существенно подверженный влиянию местных условий.

Рис. 1 Природно-техническая система с ВЭУ

Ветер как источник энергии характеризуется, прежде всего, скоростью. Скорость ветра в данном месте очень непостоянная величина. Для нее характерны быстрые изменения (порывы) и медленные (погодные, суточные, сезонные). Поэтому данное место характеризуют среднегодовой скоростью ветра. Обычно в справочниках на основании данных метеостанций приводятся скорости ветра на высоте 10 м. Для сооружения крупной (ВЭУ) предпочтительно знать скорость ветра на высоте 80 - 100 м. Кинетическая энергия потока воздуха E (Дж), занимающего объем V(м³), имеющего плотность ρ (кг/м³) и движущегося со скоростью w (м/с), определяется по формуле:

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже для указанного рабочего диапазона скоростей ветра приведены значения удельной мощности Nуд:

С помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ) в механическую энергию может быть преобразована только часть энергии ветрового потока. Отношение кинетической энергии ветрового потока Eв, преобразованной с помощью ветровой турбины в механическую энергию, к кинетической энергии невозмущенного ветрового потока E называется коэффициентом мощности или коэффициентом использования энергии ветра – Ср. Коэффициент использования мощности иногда называют критерием Жуковского-Бетца по имени двух учёных, которые теоретически обосновали его предельное (идеальное) значение 0,593.

Для каждой ВЭУ можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра:

Wminр, при которой 0≤w≤wminр и мощность ВЭУ равна нулю;

wNр, при которой wminр≤w≤wNр и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

wmaxр, при которой w>wmaxр и мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от wminр до wNр полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра w на высоте башни Hб(м) и диаметре ротора ВЭУ w (м) рассчитывается по формуле:

где S = πD2/4; ηр— КПД ротора (около 0,9); ηг— КПД электрогенератора (около 0,95); Ср — коэффициент мощности, обычно принимаемый равным 0,45 в практических расчетах; ρ = 1,226 кг/м³

После подстановки всех указанных значений в формуле получаем для ориентировочных расчетов:

Для малых ВЭУ wminр находится обычно в пределах 2,5–4 м/с, а wNр — от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4–5 и 12–15 м/с.

Для реальных современных ВЭУ Ср лежит в диапазоне 0,38…0,48. Для получения электрической мощности ВЭУ вышеприведённое выражение необходимо ещё умножить на произведение механических (редуктор, подшипники и т п.) и электрических (генератор, трансформатор и т. п.) КПД элементов силового тракта ВЭУ. Обычно для современных ВЭУ суммарный КПД элементов можно принимать в диапазоне 0,90…0,93.

Для разработки конструкции ветроколеса (ВК), кроме параметра, - коэффициент использования мощности–Ср, используется еще один важный параметр - коэффициент быстроходности-λ.

Быстроходность ветроколеса представляет собой отношение линейной скорости конца лопасти к скорости набегающего потока и служит аэродинамической характеристикой ветроколеса. При оптимальной быстроходности лопасть ветроколеса не попадает в поток, турбулизированный предыдущей лопастью. Этот поток успевает покинуть область ветроколеса. В то же время воздух не проходит через сечение ветроколеса свободно, без взаимодействия с его лопастями. Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра Ср от быстроходности ВК λ для различных типов ВЭУ представлены на рис.1.2.

Быстроходность важна тем, что для получения электрического тока приемлемого качества (~50Гц) необходимо, что бы быстроходность ВК была как можно больше. Больше линейная скорость конца лопасти, т. е. больше частота вращения ВК, т. е. больше число оборотов генератора, т. е. ток, вырабатываемый этим генератором ближе к желаемым 50 Гц. На практике недостающие обороты, помимо быстроходности «добирают» применением редукторов (коробки передач, повышающей число оборотов на валу генератора), применения многополюсных генераторов, использованием электрических схем повышающих частоту переменного тока и т. п.

Быстроходность остаётся одним из определяющих понятий для выбора типа ВЭУ. Оперируя этими двумя важными параметрами и глядя, на вышеприведённый график можно рассуждать о том, почему же в современной ветроэнергетике в подавляющем большинстве случаев применяют трёхлопастные горизонтальноосевые башенные ВЭУ, использующие подъёмную силу. ВК использующие подъёмную силу имеют больший коэффициент использования мощности, чем использующие силу сопротивления при достаточно большом коэффициенте быстроходности. Башенные – потому что позволяют использовать ветровой поток на высоте 100 м от земли, горизонтальноосевые по тем же причинам (наилучшее соотношение λ с Ср ). А вот с тремя лопастями вопрос остаётся открытым. Казалось бы, двухлопастные ВК имеют наилучшее соотношение λ с Ср , а применяются крайне редко. Точнее в «большой» ветроэнергетике вообще практически не применяются. Причин две: при слишком высоком λ может возникнуть такая ситуация, когда конец лопасти уйдёт в так называемый флаттерный режим при превышении скорости звука (~340 м/с); двухлопастные ВК подвержены сложным динамическим нагрузкам (биение) связанным с двухполюсностью (по числу лопастей) ВК. В то время как трёхлопастные ВК более равномерно распределяют нагрузки от лопастей на три полюса. С другой стороны, становится понятным, почему для получения механической энергии (момент на валу) при, например подъёме воды из используются многолопастные ВЭУ. При неплохом Ср он имеет крайне низкий λ, т. е. вращается крайне медленно, но, по закону сохранения момента количества движения с максимально возможным для ВЭУ усилием.

Рис. 1.2. Главные энергетические характеристики наиболее распространенных ветродвигателей

Существуют два способа регулирования мощности. Первый способ — поворотом лопасти относительно направления ветра, изменяя так называемый «угол атаки», то есть угол, под которым ветер набегает на лопасть и от которого зависит «подъемная» сила лопасти, которая преобразуется в ее вращение. Этот способ по-английски называется «питч-регулирование» (pitch — «ставить», то есть лопасть принудительно ставится в определенное положение). Ветроустановки с поворотом лопастей можно использовать для регулирования мощности как в зависимости от скорости ветра, так и по заданию диспетчера. При этом наибольшая возможная мощность определяется скоростью ветра.

Второй способ заключается в том, что профиль лопасти выполняется различным по длине. В результате при увеличении скорости ветра на отдельных частях лопасти наступает, срыв потока и ее «подъемная» сила уменьшается. Таким образом, при скорости ветра выше номинальной удается держать мощность ветроустановки равную номинальной. Способ называется «стол» (stall — «застревать»), то есть часть потока ветра как бы застревает и не производит работу. В ветроустановках такого типа принудительно регулировать мощность нельзя. И это их недостаток. Но их достоинство состоит в том, что не нужен сложный механизм поворота лопастей. Тем не менее, практически во всех мощных ВЭУ используется первый способ. Коэффициент использования энергии ветра Ср зависит от многих конструктивных особенностей, но, в конечном счете, от профиля лопасти и от степени ее шероховатости, а также от соотношения между скоростью вращения лопастей и скоростью ветра, называемом коэффициентом быстроходности. Этот коэффициент определяет, в конечном счете, экономичность ветроустановки.

Ветроустановку характеризуют следующие параметры ветра:

- стартовая скорость ветра, обычно в диапазоне от 2,5 до 4,0 м/с, при которой ВЭУ начинает вращение;

- номинальная скорость ветра, обычно от 10 до 14 м/с, при которой мощность ветроустановки достигает номинального значения;

- максимальная скорость ветра, при которой ветроустановка отключается от сети и останавливается, обычно в диапазоне 20-25 м/с.

Существует еще так называемая «буревая скорость ветра». Это скорость, при которой остановленная ветроустановка не должна разрушаться (обычно от 60 до 80 м/с).

Принято считать, что крупные ВЭУ целесообразно устанавливать в месте, где среднегодовая скорость ветра не ниже 5 м/с. Для оценки количества электроэнергии, которое будет произведено данной ВЭУ за год, необходимо также знать усредненную по многолетним наблюдениям вероятность наличия ветра с той или иной скоростью. На этом основании вычисляется коэффициент использования установленной мощности (Киум) и представляет собой отношение действительной выработки электроэнергии к максимально возможной, т. е. максимальное значение коэффициента равно единице или 100%. Для традиционных электростанций он колеблется от 0, 4 до 0, 8. Что касается ветростанций, то их Киум в Европе в среднем составляет 0,2-0,3, но зависит он в основном от ветровых условий. Есть примеры ВЭС, где он равняется 0,4 и выше. Для благоприятных мест с более или менее постоянным ветром (ущелья, горные хребты, шельф) этот показатель может достигать 3000 ч/год (коэффициент использования установленной мощности около 0,3).

По величине энергии проходящей на один кв. метр обметаемой поверхности существует подразделение местности на семь классов. Фактически это подразделение местности по среднегодовой скорости ветра на высоте 50 м над поверхностью. Названия классов и их характеристика приводятся в таблице 1.1.

Эти данные являются ориентиром для выбора площадки сооружения ВЭС большой мощности. Для ВЭУ малых мощностей это не является решающим фактором. Срок энергетической окупаемости ветроустановки (или любой другой электростанции) —это термин, обозначающий за какое время ветроустановка (или электростанция другого типа) выработает количество энергии, равное количеству, затраченному на её производство, монтаж (строительство), обслуживание и утилизацию. По оценкам Британской и Американской ветроэнергетических ассоциаций этот срок для ВЭУ составляет от трёх до восьми месяцев (в зависимости от среднегодовой скорости ветра) — это один из самых коротких сроков всех видов электроустановок, тогда как для угольных и атомных электростанций он составляет шесть и более месяцев.

Другая оценка этого явления — «коэффициент энергетической эффективности» — это отношение энергии, выработанной ветроустановкой (или любой электростанцией) за срок службы к энергии, затраченной на производство установки, строительство, обслуживание и утилизацию ветроустановки (или любой другой электростанции). По исследованиям университетов США, коэффициент энергетической эффективности ветростанций Среднего Запада Америки составил от 17 до 39 (в зависимости от среднегодовой скорости ветра. В то время как для атомных электростанций он оказался равным — 16, а для угольных — 11.

Таблица 1.1. Классификация ветроэнергетических ресурсов на высотах 10 и 50 м от поверхности земли

Класс

Высота 10 м

Высота 50 м

Скорость ветра, м/с

Удельная мощность, Вт/

Скорость ветра, м/с

Удельная мощность, Вт/

0–4,4

0–100

0–5,6

0–200

4,4–5,1

100–150

5,6–6,4

200–300

5,1–5,6

150–200

6,4–7,0

300–400

5,6–6,0

200–250

7,0–7,5

400–500

6,0–6,4

250–300

7,5–8,0

500–600

6,4–7,0

300–400

8,0–8,8

600–800

7,0–9,0

400–1000

8,8–11,9

800–1200

Ветроустановки рассчитываются на срок службы 20-25 лет. В течение этого срока из основных механизмов возможна замена лопастей

Глава 2. Классификация ветроэнергетических установок

Трудно найти другую область науки и техники, где было бы зарегистрировано столько же патентов на конструкции ветроэнергетических установок, а в особенности конструкций ветроколёс (ВК). Дадим такую укрупнённую классификацию конструкций ВК:

-использующие подъёмную силу - Y;

-использующие силу сопротивления X.

1. Использующие подъемную силу. Данные ВЭУ преобладают в мировой ветроэнергетике, т.к. могут развивать линейную скорость конца лопасти (совпадает с направлением действия подъёмной силы Y), значительно больше скорость ветрового потока V. Прямоугольник аэродинамических сил, действующих на крыло представлен на рис.2.1 В аэродинамический каплевидный профиль сечения лопастей ветроколеса и ветроротора под воздействием ветрового потока обеспечивает подъемную силу на лопастях за счет возникновения разности скоростного течения ветровых струй вдоль их плоскостей. Преобразование подъемной силы лопастей и, соответственно, крутящего момента на приводном валу ветроколеса или ветроротора в механическую энергию обеспечивается редуктором-мультипликатором, а затем, при необходимости, электрогенератором в электроэнергию

Ветроколеса современных ветроагрегатов собираются из нескольких лопастей, закрепленных на втулке. Лопасти имеют аэродинамический профиль, при обтекании которого возникает подъемная сила, вращающая ветроколесо. Расчет и проектирование ветроколеса базируется на законах аэродинамики, изучающей движение воздуха и его взаимодействие с поверхностью крыла при его обтекании.

Рис. 2.1. Прямоугольник аэродинамических сил , действующих на крыло

Верхний и нижний контуры сечения крыла имеют различную конфигурацию. Проходя у нижнего контура крыла, поток воздуха замедляется из-за трения. В этой части создается зона повышенного давления. Огибая более протяженный верхний контур, поток ускоряется и над крылом создается зона пониженного давления. Разность давлений под крылом и над ним обуславливает возникновение подъемной силы R и вращающего момента на ветроколесе.

В свою очередь ВЭУ, использующие подъёмную силу, могут быть классифицированы по:

1.ориентации оси вращения ВК;

2.положению ВК относительно всей конструкции.

Большинство типов ветродвигателей делятся на две группы:

- ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5),

- ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)), рис.2.2.

Рис.2.2 Типы ветродвигателей

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей. Основные компоненты ВЭУ с горизональными и вертикальными осями представлены на рис. 2.3.

2.1. Ветроустановки с вертикальной осью вращения

Ветроколесо в установках с вертикальной осью вращается вокруг оси, перпендикулярной направлению потока. Данные механизмы наделены рядом существенных особенностей перед ветряками с горизонтальной осью. У них нет как таковых узлов под ориентирование на ветровой поток. Из-за своего строения, при абсолютно любом направлении ветра, конструкция располагается в абсолютно произвольном положении, ввиду чего, она более проста в своём исполнении. В подобных механизмах возникновение вращения создаёт подъемная сила лопастей, а также силы сопротивления.

Рис .2.3. Основные компоненты ВЭУ с горизональными и вертикальными осями

Такие установки появились в 30-х годах прошлого столетия. Наиболее известными из них являются ротор Дарье с изогнутыми лопастями, рис. 2.4 а, ротор Савониуса, рис.2.4 б, ортогональные ветроустановки с прямыми вертикальными лопастями (ротор Масгрува), рис.2.4 в.

Рис.2.4. Ветроустановки с вертикальной осью вращения

Многочисленные конструкции с вертикальной осью вращения объединяются в основные группы:

- ветрогенератор с ротором Дарье,

– ортогональное устройство;

- генератор на роторе Савониуса;

- многолопастная конструкция с направляющими элементами;

- геликоидный ротор;

-вертикально-осевая конструкция ротора.

Ветрогенератор с ротором Дарье выполнен с двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала, рис.2.5.

Рис.2.5. Схема работы ветровой турбины Дарье

Работа ветровой турбины Дарье основана на принципе вращения лопастей вокруг оси. Кинетическая или внутренняя энергия рабочего тела (газа или жидкости) преобразуется в механическую работу. У ротора Дарье ось вращения расположена перпендикулярно потоку источника энергии. Принцип работы конструкции ротора Дарье основан на разности аэродинамических показаний. Благодаря этому обеспечивается вращение лопастей механизма. После того как образовалась циркуляция потоков воздуха, устройство начинает вращаться бесперебойно. На каждое крыло по отдельности воздействует сила подъема относительно воздушного потока. Показатели этой силы зависят от угла, который образовывается между лопастью и величиной скорости потока ветра. Момент силы, который образуется в момент запуска, носит переменный характер, а не постоянный. Существует три типа ротора Дарье, рис. 2.6: классический, лопасти имеют форму полумесяца, их размер достаточно большой, сравним с длиной основной оси; тип Н, три крыла его имеют прямую форму, которые расположены под прямым углом относительно горизонтальных опор, и находятся на верхнем отсеке конструкции; винтообразный тип, лопасти, которого изготовлены в виде изогнутых спиралей.

Рис.2.6. Рис.8 Типы ротора Дарье

Ротор Н-образного типа быстроходен, эффективен с полным отсутствием инфразвука, прост в сборке и ремонте, дешевле и, поэтому распространен в применении. Он надежней классической ветровой турбины Дарье. Лопасти винтообразного типа изготовлены в виде изогнутых спиралей, которые расположены на верхнем отсеке несущей оси вращения. Благодаря закрученной форме крыльев, вращение ротора происходит равномернее, поэтому нагрузка на несущие узлы снижается, а срок службы механизма увеличивается.

Достоинством роторов Дарье являются самостоятельная ориентация на направление воздушного потока; основной вал привода располагается вблизи уровня земли, что создаёт удобство в его обслуживании; простая кинематическая схема конструкции. Каждый из трех типов имеет свои недостатки. Классическая ветровая установка обладает меньшей эффективностью. Установке с ротором Дарье необходимы генераторы, так как она самостоятельно запускаться и раскручиваться не может. При сильных, ураганных порывах ветра механизм может начать функционировать самостоятельно, при этом процесс трудно поддается контролю. Устройство Н-образного типа легкое в эксплуатации, но быстро изнашивается из-за больших аэродинамических нагрузок. Спиральный ветрогенератор за счет своей конструкции надежней, но технология его изготовления сложна, поэтому он стоит дорого.

Для обеспечения работы бытовых электростанций чаще всего используется ротор Савониуса-Дарье. Такое название носит ветровая турбина, совмещенная с ротором Савониуса, который выступает в роли стартёра (устройства запуска). Комбинированная конструкция отличается большей мощностью и производительностью по сравнению с «чистыми» типами. Область применения механизма не ограничивается только электростанциями — он может быть совмещен с тепло генератором и быть использован в системе теплоснабжения. А еще такой гибрид соединяют с насосами и применяют для закачки и откачки воды. Каждый из трех типов имеет свои недостатки. Классическая ветровая установка обладает меньшей эффективностью. Установке с ротором Дарье необходимы генераторы. Самостоятельно она запускаться и раскручиваться не может. При сильных, ураганных порывах ветра механизм может начать функционировать самостоятельно, при этом процесс трудно поддается контролю. Устройство Н-образного типа легкое в эксплуатации, но быстро изнашивается из-за больших аэродинамических нагрузок. Спиральный ветрогенератор за счет своей конструкции надежней, но технология его изготовления сложна.

Генераторы с ротором Савониуса. Этот вид генератора имеет довольно широкое использование для качественного функционирования бытовых электростанций. По своей конструкции подобный ротор является ветроколесом с несколькими полуцилиндрами, которые непрерывно вращаются вокруг своей оси, рис.2.7.

Рис.2.7. Генератор с ротором Савониуса

Генераторы на многолопастном роторе с направляющими элементами. Этот вид генератора считается самым функциональным из вертикальных роторов. Подобная производительность достигается путём использования дополнительного ряда лопастей. Надо признать, что они более сложны в изготовлении, но они и самые эффективные из всех рассмотренных ветрогенераторов. Их ротор состоит из двух рядов лопастей. Наружный ряд лопастей закреплен неподвижно, но с некоторым углом поворота к центру оси, рис.2.8.

Рис.2.8. Многолопастной ротор

Это создает постоянное направление ветра, проходящего сквозь наружный ряд лопастей. Щели между наружными лопастями уплотняют и усиливают поток воздуха, который давит на внутренний, движущийся ряд лопастей. За счет этой конструкции ВЭУ, она начинает крутиться от легкого ветерка со скоростью 0,2 метра в секунду. Его номинальная мощность достигается всего при 3 м/сек.

.Генераторы с геликоидным ротором, рис.2.9. Ветряки с геликоидным ротором, имеют второе свое название: ротор Горлова. Фактически это модификация ортогонального ветрогенератора с закрученными лопастями и их винтовым сечением. В этом случае механизм ВЭУ движется более плавно, а опорные подшипники генератора не испытывают вредных разнонаправленных сил. За счет этого вся механика становится более долговечной. Но производство сложных винтовых лопастей делает эту ВЭУ дороже чем простые ортогональные ветрогенераторы.

Рис.2.9. Геликоидный ротор

Вертикально-осевая конструкция ротора. Конструкция ветродвигателя, использует для создания крутящего момента комбинацию подъемной силы крыла и дифференциального лобового сопротивления. В установке, приведенной на рис.2.10, ротор Савониуса используется для раскрутки ротора Дарье до необходимой быстроходности.

Рис.2.10 Вертикально-осевая конструкция ротора

С точки зрения исследователя, существенным отличием вертикально-осевой ВЭУ от горизонтально-осевой является то, что для ВЭУ с вертикальной осью вращения аэродинамический момент, вращающий ротор, зависит не только от угловой скорости ротора, но и от значения угла поворота по отношению к направлению скорости ветра. Современная волна интереса к вертикально-осевым ВЭУ объясняется рядом объективных причин: практически исчерпанные резервы развития горизонтально-осевых ВЭУ (как концептуально, так и технически - более крупные установки строить при современном уровне развития технологий уже невозможно), относительно высокие энергетические характеристики отдельных конструкций ВО ВЭУ при значительно более простой конструкции, не требуют в большинстве случаев наведения на ветер и относительно низкий уровень шумов и вибраций. Вертикальные роторы без последствий переносят резкие порывы ветра, вплоть до бури. Нормально работают в условиях снегопадов и обледенения. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (система начинает работать при скорости ветра в 2-2,5 м/с. Они выходят на номинальную мощность при скорости всего 3-4 м/сек. Доступность разнообразных мест установки ветрогенератора. Это могут быть крыши зданий, платформы, осветительные столбы или передвижные бытовки. Бесшумность движения вращающихся деталей, при любом ветре. Без флюгерной системы, ВЭУ легко ловит разнонаправленный ветер. Относительно небольшая рабочая скорость вращения, до 200 оборотов в минуту, продлевает работоспособность всех подшипников механизма, увеличивает срок между обслуживаниями установки. Минимальное количество движущихся элементов и неподвижно закрепленный внизу генератор установки. Это упрощает его осмотр и обслуживание без прекращения работы. Вертикальная ВЭУ позволяет использовать любой низовой ветер, турбулентность, сквозняк вдоль улицы или между многоэтажками. Возможность применения ВЭУ в местах нестабильного снабжения электроэнергией или там, где она отсутствует вообще. Ветроэлектрическая установка удобно располагается в местах, где запрещены высокие строения. Возможность применения конструкций меньших размеров, рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. К недостаткам систем с вертикальной осью относятся: из-за потерь на вращении против потока воздуха эффективность работы большинства ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти в два раза ниже, чем с горизонтальной, некоторые элементы системы находятся внизу и соответственно, под весом конструкции, то их ремонт или замена могут быть невозможны без демонтажа всей конструкции, если такое не предусмотрено конструкцией конкретного генератора. Запоздалое освоение осевых вертикальных ветроустановок вызывается рядом причин: - осевые вертикальные ветроустановки изобретены были несколько позже осевых горизонтальных установок (в 1929 году - ротор Савониуса, в 1931 году - ротор Дарье, в 1975 году - ротор Масгроува); - основным недостатком осевых вертикальных ветроустановок до последнего времени ошибочно считалась невозможность получения для них соотношения более единицы линейной максимальной лопастной скорости к ветровой скорости (для осевых горизонтальных ветроустановок такое соотношение составляет более 5:1). Данная предпосылка, верна лишь для роторов тихоходного типа (ротор Савониуса), которые используют разные сопротивления лопастей при своем движении против ветра и по ветру, привела в итоге к неправильным теоретическим выводам о более низком предельном коэффициенте употребления энергии ветра у осевых вертикальных ветроустановок, чем у осевых горизонтальных. Именно из-за этого, разработка осевых вертикальных ветроустановок не велась практически сорок лет. Только в 60-70-х годах было доказано экспериментами, изначально канадскими, а затем английскими и американскими специалистами, что данные выводы к роторам Дарье неприменимы, которые используют подъемную мощь лопастей. Для таких роторов, максимальное соотношение рабочих органов линейной скорости к ветровой скорости составляет 6:1 и может быть выше, а коэффициент применения энергии ветра ничем не ниже коэффициента осевых горизонтальных ветроустановок. Интенсивно осваивать осевые вертикальные ветроустановки стали в начале 80-х годов, при этом область распространения их мощностей расширяется беспрерывно. На сегодняшний день, уже почти все страны используют осевые вертикальные ветроустановки с ротором типа Дарье, например в США, Канаде, Нидерландах отдается предпочтение схеме классической, с лопастями криволинейными, а в Румынии и Великобритании, основной схемой числятся роторы с лопастями прямыми, которые параллельны вращающейся оси (крупная установка VAWT-2400, ротор диаметром в 67 метром, мощность 1.7 МВт). Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов - повышающий редуктор, не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем откуда дует ветер, что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. К ВЭУ, использующие силу сопротивления, можно отнести установки, использующие парусные ветроустановки и ветротурбины чашечного типа. Человечество использует паруса уже много тысяч лет и будет служить людям до тех пор, пока дует ветер. Парусные ветроустановки очень чувствительны, они работают с самого низа диапазона скоростей ветра, начиная буквально от штиля, с 1-2 метров в секунду, а это намаловажный фактор в условиях, где ветер редко бывает больше 3-5 метров в секунду. Еще одним достоинством парусных ветроустановок является удивительная простота его конструкции. Они практически разрабатываются в двух вариантах: с круговыми парусными лопастями и с круговым парусным колесом. Ветрогенераторы первого исполнения используют парусные лопасти треугольной формы. Форма треугольника подбирается индивидуально, в зависимости от силы ветра в данной местности. Во многих случаях из-за простоты используют заваленный прямоугольный треугольник, рис.2.11, хотя для промышленного изготовления более технологичными будут парусные лопасти в виде равнобедренных треугольников, рис.2.12. К ступице прикреплены «мачты», обычно из от 8 до 24-х. А от мачт отходят косые паруса из прочной тонкой материи, как правило, синтетической. Другая часть паруса крепится шкотами, которые выполняют и роль регуляторов угла поворота парусов и роль противоштормовой защиты.

Рис.12.11. Ветрогенератор с круговыми парусными лопастями

Рис.2.12. Ветрогенератор с круговым парусным колесом.

Не вдаваясь в подробности аэродинамики, можно сказать, что парусные ветроустановки одни из самых простых, но в тоже время одни из самых неэффективных. КИЭВ парусного ветряка не может быть выше 20% даже теоретически. Это означает, что вы будете получать только 1/5 часть мощности ветрового потока, попадающего на лопасти парусной установки. Например, если ветер дует со скоростью 5 м/с, а установка 5 метров в диаметре, то мощность ветрового потока будет около 1500 Вт, реально можно снять с установки только 300 Вт (в лучшем случае). Таких недостатков лишен парусный ветрогенератор с парусным колесом, разрабатываемый и производимый фирмой Saphon Energy (Тунис). В генераторе Saphonian лопасти и вращающиеся части отсутствуют, рис.2.13.

Рис.2.13. Парусный ветрогенератор Saphonian

С помощью воздушных клапанов парус ветрогенератора совершает возвратные высокочастотные колебательные движения. При помощи механической системы эти колебания воспринимаются поршнями гидравлической системы, которые преобразуют энергию получаемой энергии в давление несжимаемой жидкости. Именно энергия давления этой жидкости и используется в дальнейшем для вращения вала электрогенератора. КИЭВ генератора Saphonian в 2 раза превышает эффективность лопастных парусных генераторов. И хотя, строго говоря, Saphonian не представляет собой парусный ветрогенератор в «чистом» виде, его принцип работы заслуживает самого широкого рассмотрения и внедрения. Ветротурбина чашечного типа, рис.2.14, также использует силу давления ветра.

Рис.2.14. Ветротурбина чашечного типа

Ветроустановки, использующие силу давления ветра, имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с пропеллерными или другими, использующими, подъемную силу крыла.

2.2. Ветроустановка с горизонтальной осью вращения

В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру. Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей. По геометрии ветроколеса можно выделить установки многолопастные (18-24) с большим геометрическим заполнением и с малым заполнением (1-3 лопасти). Геометрическое заполнение представляет собой отношение суммарной площади всех лопастей к площади круга, очерчиваемого вращающимися лопастями. Как правило многолопастные агрегаты отличаются малой скоростью вращения, но даже при низкой скорости ветра способны развивать большой крутящий момент, необходимый для привода различных рабочих органов - насосов для перекачки воды и других устройств. Одно- трехлопастные роторы вращаются с большой скоростью и соединяются главным образом с электрогенераторами. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника. Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине. В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 и более метров. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров. На рис.2.15 представлена ветроустановка с горизонтальной осью вращения.

Рис.2.15. Ветроустановка с горизонтальной осью вращения

Такие ветроустановки имеют следующие основные достоинства: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность, благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру. Однако, для этого требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных - намного больше момент вращения. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Пути повышения энергетических показателей ВЭУ заключаются или в увеличении коэффициента использования энергии ветра, или в увеличении площади ометаемой ветродвигателем поверхности непропорционально большим относительно оптимальной мощности электрогенератора. Последний вариант влечёт за собой некоторое удорожание ВЭУ. Одним из направлений повышения эффективности ВЭУ является разработка роторного ветродвигателя, работа которого основана на эффекте возникновения подъемной силы во вращающемся в ветровом потоке цилиндра вокруг своей оси, нормальной к ветровому потоку (эффект Магнуса). Ветроколесо роторной установки вместо традиционных лопастей имеет в своем составе вращающиеся цилиндры или конусы, принудительно вращающиеся от вспомогательного привода, что позволяет получить получить энергию при более низких скоростях ветра, рис.2.16.

К преимуществам систем с горизонтальной осью вращения относятся следующие:

- изменяемый шаг лопаток турбины позволяет использовать энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона,

- высокая мачта позволяет преобразовывать энергию ветра на большем расстоянии от земли, так как с увеличением высоты на каждые 10 м скорость ветра на 20% и соответственно увеличивается энергоэффективность ветроустановки,

- высокая эффективность благодаря тому, что ветроколесо всегда направляется перпендикулярно ветру, используя весь поток воздуха.

Рис.2.16. Роторная ветроустановка

К основным недостаткам систем с горизонтальной осью вращения относятся:

- необходимость высоких массивных мачт (свыше 100 м) и длинных лопастей, которые трудно транспортировать, в результате расходы на транспортировку и монтаж могут достигать 20% стоимости всего оборудования,

- для сооружения промышленных ветрогенераторов большой мощности требуется специализированное оборудование и высоко квалифицированные сотрудники, поэтому их производство осуществляется в ограниченном количестве стран,

- из-за их размеров наблюдаются возмущения в радиосигналах и связи,

- необходимость в установках системы направления оси на ветер.

2.3. Классификация ветроэнергетических установок

В Российской Федерации классификация ветроэнергетических установок по назначению определяется стандартом - ГОСТ Р 51990-2002 «Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Классификация». ВЭУ классифицируют: по виду вырабатываемой энергии; по мощности; по областям применения; по назначению; по признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса (ВК); по способам управления; по структуре системы генерирования энергии.

ВЭУ в зависимости от вида вырабатываемой энергии подразделяют на две группы: механические и электрические. Электрические ВЭУ, в свою очередь, подразделяют на ВЭУ постоянного и переменного тока.

ВЭУ в зависимости от мощности подразделяют на четыре группы:

а) большой мощности - свыше 1 МВт;

б) средней мощности - от 100 кВт до 1 МВт;

в) малой мощности - от 5 до 99 кВт;

г) очень малой мощности - менее 5 кВт.

В зависимости от области применения механические ВЭУ подразделяют на две подгруппы: ветронасосные и ветросиловые.

Электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на три подгруппы: ветрозарядные –зарядка аккумуляторных батарей (АК), гарантированного питания-гарантированное снабжение электроэнергией потребителей одновременно или отдельно от двух источников энергии ВК и АК и негарантированного питания – работа ВЭУ без АК, нагрузка питается через блок управления, имеющий регулятор напряжения.

Электрические ВЭУ переменного тока подразделяют по назначению, согласно таблице 2.2.

Таблица 2.2. Классификация ВЭУ по назначению

Общая схема классификации ВЭУ приведена на рис. 2.17.

Рис. 2.17. Общая классификация ВЭУ

Структурная схема автономных ВЭУ показана на рис. 2.18. Структурная схема гибридных ВЭУ показана на рис.2.19, а сетевых ВЭУ – на рис.2.20.

Г - генератор; СГ - синхронный генератор; АГ - асинхронный генератор;

БС - балластное сопротивление; ПЧ - преобразователь частоты

Рис.2.18. Структурная схема автономных ВЭУ

Классификация по типу применяемой ветротурбины. В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов: горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа.

СГ - синхронный генератор; АсГ - асинхронизированный генератор; ПЧ - преобразователь частоты

Рис. 2.19. Структурная схема гибридных ВЭУ

СГ - синхронный генератор; АГ - асинхронный генератор; АсГ - асинхронизированный генератор; ПЧ - преобразователь частоты

Рис.2.20. Структурная схема сетевых ВЭУ

Классификация по типу применяемой электромашины представлена на рис.2.21.

Рис.2.21. Классификация ВЭУ по типу применяемой электрической машины

Глава 3. Малая ветроэнергетика

3.1 Области применения ветроустановок

К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1кВт относятся к микро-ветряной энергетике. Они применяются на, с/х фермах для водоснабжения и т.д.

Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети. Обеспечение потребителей электроэнергией за счет ветроэлектрических установок (ветряков) напрямую зависит от наличия ветра в месте установки оборудования, его силы и постоянства. Разумеется, метеорологическая карта ветров очень приблизительно оценивает скорость ветра в том или ином регионе и, как правило, это среднегодовые осредненные данные. Поэтому необходимо оценивать возможность эффективной работы ветроустановки индивидуально в каждом конкретном случае. Во многом наличие и сила ветра зависят от рельефа местности, открытости пространства, присутствия вблизи водоемов, рек и т. п. Даже около высоких сооружений возможна весьма эффективная работа ветровых систем из-за возникновения эффекта «сквозняков» между зданиями. Более того, независимо от направления ветра «сквозняки» между зданиями, в лощинах, вдоль русла рек, в оврагах присутствуют практически всегда, и скорость ветра , как правило, достаточна для успешной работы ветроустановки. Поэтому, перед принятием решения о приобретении ветроэлектостанции целесообразно понаблюдать за ветром, Есть множество случаев, когда вам может понадобиться небольшое количество электроэнергии, например, освещения, механизм открывания ворот, предупредительные огни, подъем воды из скважины, показатели уровня воды и другие маломощные устройства. Для этих целей может быть применена ветроустановка с ротором Савониуса, рис.3.1, которая проста в изготовлении и может производить достаточно энергии для маломощных устройств.

Рис.3.1. Ветроустановка с ротором Савониуса

Ветроустановка мощностью 1.5 кВт, ВЭУ-1.5 представлена на рис. 3.2. Она может использоваться для питания светильников общественного и персонального освещения.

Портативная ветроэнергетическая установка благодаря малым размерам может легко транспортироваться на легковых автомобилях среднего класса. Может использоваться для приготовления пищи, обогрева жилища и т.д. Устанавливается без помощи грузоподъемных машин, двумя рабочими с помощью лебедки. Подключив ветроустановку к аккумуляторам, можно заряжать их в ветреную погоду и использовать их емкость во время безветрия. Выпускается с выходом 48В постоянного тока и 220В/50Гц переменного тока (с инвертором).

Рис.3.2. Ветроустановка мощностью 1.5 кВт.

Ветроустановка мощностью 3кВт, 4-лопастная, рис.3.3, могут использоваться для обеспечения энергопитания небольшого дома, удаленного объекта.

Рис. 3.3. Ветроустановка мощностью 3 кВт

Ветроустановка мощностью 30 кВт, представлена на рис. 3.4 может служить удобным автономным источником энергопитания для большого коттеджа, группы домов, офиса или небольшого цеха.

В России начаты разработки малых ветроэнергетических установок роторного типа, которые имеют диапазон рабочих скоростей ветра от 3 до 50 м/с и улучшенные экологические параметры: уменьшенный уровень шума, вибрации и воздействия на фауну местности.

Рис. 3.4. Ветроустановка мощностью 30 кВт

Опробованы экспериментальные образцы мощностью 1 кВт. На рис.3.5 представлен схематичный разрез роторного ветрогенератора, с комплектующими элементами и состоящего из осе совмещенных вертикальных роторных модулей, состоящих в свою очередь из кольцевых направляющих аппаратов, внутри которых на подшипниковых узлах установлены роторы, их выходной вал шлицевым соединением присоединен к валу электрогенераторов.

Рис. 3.5. Схема ВЭУ роторного типа

Направляющий аппарат забирает воздух из свободного потока, направляет на рабочие лопатки виндротора, обеспечивает активный выход отработанного воздуха из объема виндротора. Воздушный поток на лопатках виндротора реализует два своих параметра – динамический напор и скорость, чем определяются высокий момент, создающийся при трогании двигателя при низких скоростях ветра и высокая скорость набора нагрузки при росте скорости ветра. Благодаря двукратному изменению направления потока на лопатках роторов кинетическая энергия ветра с высоким КПД преобразуется в механическую энергию вращения вала роторов, которая электрогенератором преобразуется в электрическую.

К малым ветрогенераторам относятся парусные ветрогенераторы. Предлагаемые парусные ветрогенераторы предназначены для бесперебойного снабжения электроэнергией промышленных параметров 380/220/50 владельцев индивидуальных строений, агроферм и предприятий малого бизнеса и т.д. Типовые модели: 1кВт, 4кВт, 10кВт. Максимальная мощность – до 100кВт. Для подъема воды из любых водоисточников: скважины, колодца, открытого водоема без применения электропровода или двигателя внутреннего сгорания может быть использована технология с применением ветронасосной установки небольшой мощности (1,5-3 кВт). Ветронасосы бесшумны в работе, используют энергию ветра, не требуют постоянного контроля за их работой, удобны в эксплуатации, снабжены устройством, позволяющим качать воду при отсутствии ветра в ручном режиме. Позволяют подавать воду ритмичными порциями, и могут быть использованы при поливе участков по бороздам, капельным методом, дождеванием. При использовании емкости для накопления воды полив может осуществляться прогретой солнцем водой. Ветронасосная установка представлена на рис.3.6.

Рис.3.6. В етронасосн ая установк а

Установка состоит из двух основных частей – ветродвигателя и насоса. Ветродвигатель – многолопастной, тихоходный, представляет собой головку с 12-лопастным ветроколесом. При изменении направления ветра он автоматически самоустанавливается с подветренной стороны опоры благодаря повороту головки. Насос является самовсасывающим, с горизонтальной проточной резиновой диафрагмой. Производительность установки увеличивается при увеличении скорости ветра и при уменьшении высоты подъема воды. Установка начинает работать при скорости ветра 2,5м/с и при скорости в 6 м/с производительность ее доходит до 700л/ч при высоте всасывания 8м.

В основном малая ветроустановка состоит из следующих основных компонентов:

- ротор, лопасти, ветротурбина,

- мачта с растяжками

- генератор,

- аккумуляторные батареи,

- контроллер,

- инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц) ,

- анемометр и датчик направления ветра,

- АВР – автоматический переключатель источника питания.

Лопасти ветротурбины приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.

Мачта используется для подъема ветротурбины.

Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра. В зависимости от условий эксплуатации и специфических требований в составе ветроэнергетической установки (ветрогенератора) используются следующие типы генераторов.

Генератор с аксиальным зазором - синхронный тихоходный генератор с постоянными магнитами. Выходное напряжение является переменным по частоте и амплитуде, необходима сложная электронная регулировка. Генератор может использоваться в автономных системах. Синхронизация с сетью требует дополнительного оборудования.

Генератор с комбинированным возбуждением - низкооборотный генератор с электромагнитами. Дополнительная, регулирующая обмотка стабилизирует выходное напряжение генератора на выходе. Выход - постоянное напряжение (24В, 48В, 96В и т.д.). Генератор может использоваться в автономных системах, таблица 3.1.

Таблица 3.1. Технические характеристики низкооборотных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов

Синхронизация с сетью требует дополнительного оборудования.

Генератор асинхронный синхронизированный. Обмен активной и реактивной энергией с автоматической (согласно физической природе) стабилизацией частоты и амплитуды выходного напряжения делает такой генератор привлекательным для использования в составе сети. В случае сетевого варианта выход - переменное, согласованное по фазе, частоте и амплитуде напряжение. В случае автономного варианта для получения постоянного напряжения требуется дополнительный регулятор. В таблице 3 представлены технические характеристики низкооборотных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов.

Контроллер необходим для управления работой ветроустановкой (поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др.)

Инвертор необходим для преобразования переменного тока, вырабатываемого генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей. Инверторы бывают четырёх типов:

1.Модифицированная синусоида – преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с модифицированной синусоидой (ещё одно название: квадратная синусоида). Пригоден только для оборудования, которое не чувствительно к качеству напряжения: освещение, обогрев, заряд устройств.

2.Чистая синусоида - преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с чистой синусоидой. Пригоден для любого типа электроприборов: электродвигатели, медицинское оборудование и др.

3.Трехфазный – преобразовывает ток в трехфазный с напряжением 380В. Можно использовать для трехфазного оборудования.

4. Сетевой – в отличие от предыдущих типов позволяет системе работать без аккумуляторных батарей, но его можно использовать только для вывода электроэнергии в местную электросеть. Их стоимость, обычно, в несколько раз превышает стоимость несетевых инверторов.

В зависимости от моделей они различаются по входному постоянному напряжению (12V, 24V, 48V) и по мощности подключаемой к ним нагрузки (от 500 Вт до 5 кВт и более). Как правило, все инверторы обеспечивают защиту от перегрузки, короткого замыкания, перезаряда и полного разряда аккумуляторов. Большинство инверторов обладает функцией автоматического переключения питания бытовых приборов на аккумулятор и обратно при "пропадании" сети 220V 50Гц и её "появлении", а также способностью автоматической зарядки аккумуляторов после использования их в качестве источника электроэнергии. Инвертор питает приборы напряжением 220 Вольт 50 Гц и контролирует состояние батареи. В случае нехватки вырабатываемой ветряком и накопленной на аккумуляторах энергии, и падении напряжения на батарее до 22 Вольт, автоматически запускается дизель-генератор. Инвертор переключает потребители на питание от дизеля и одновременно заряжает аккумуляторную батарею. При достижении напряжения на клеммах аккумуляторов 28 (или 30 – в зависимости от емкости батареи) Вольт, дизель-генератор автоматически выключается, и питание приборов инвертор переключает на аккумуляторы.

Аккумуляторные батареи необходимы для накапления электроэнергии, которая будет использована в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им получается стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Определяясь с мощностью приобретаемой ветроэлектрической установки, надо иметь ввиду, что все ветроустановки работают на заряд аккумуляторной батареи. Только так можно обеспечить непрерывное электропитание потребителей определённой мощности требуемым напряжением, при помощи подключаемого к аккумуляторной батарее инвертора. Однако надо учитывать, что максимально возможный зарядный ток на аккумуляторы составляет 10% от их ёмкости. Это значит, что чем мощнее ветрогенератор, тем больше должна быть ёмкость установленной аккумуляторной батареи и, следовательно, большее количество аккумуляторов. Так при мощности генератора в 5 кВт и напряжении на аккумуляторной батарее 48 Вольт, максимально возможный ток заряда батареи составляет около 100 Ампер. Следовательно для батареи, собранной из отдельных 12 вольтовых аккумуляторов ёмкостью по 200 А/час. каждый, необходимо 20 аккумуляторов, чтобы использовать мощность генератора в полном объёме. То есть каждые 4 аккумулятора, соединённые последовательно, составляют одну линейку напряжением 48 Вольт и ёмкостью 200 А/час. Максимально возможный ток для такой линейки составляет 20 Ампер. Таких линеек необходимо 5, соединённых параллельно. Если же аккумуляторов будет меньше (общая ёмкость батареи меньше 1000 А/час.) - то либо придётся ограничивать ток заряда , либо аккумуляторная батарея будет "кипеть" при сильном ветре, и быстро выйдет из строя. Конечно, чем мощнее генератор, тем больше ток заряда при малых ветрах, и быстрее восстановление аккумуляторов до полной ёмкости. Но соотношение цены и мощности ветроустановки, возможность размещения огромной по количеству и дорогой по цене аккумуляторной батареи заставляют подумать о мощности приобретаемого ветрогенератора.

Основные типы аккумуляторов, применяемые для автономного электроснабжения ВЭУ: свинцово-кислотные и щелочные.

Наиболее распространенным типом АБ являются свинцово-кислотные, как с жидким электролитом, так и герметизированные (в последнее время становятся все более популярными).

Специальные батареи с намазными пластинами для использования в системах автономного электроснабжения часто собираются из отдельных аккумуляторов с напряжением 2 вольта, соединенных вместе. АБ меньшей емкости с напряжением 6 и 12 вольт также используются, но реже. Такие батареи выпускаются в основном в Европе, в США и в Китае.

Тяговые аккумуляторы, как с жидким электролитом, так и герметизированные, предназначены для цикличных режимов работы. Аналогичными параметрами обладают и модификации deep cycle (глубокого разряда). Они более подходят для автономных систем энергоснабжения. Они дороже обычных герметизированных АБ, но и срок службы у них больше.

Кислотный аккумулятор не переносит глубокой разрядки, но его можно подзаряжать порциями. Щелочной наоборот, не любит отдавать больших токов, зато токи в количестве примерно 1/10 емкости готов отдавать долго. Заряжать/разряжать щелочной аккумулятор порциями нельзя, зато при правильной эксплуатации (помимо зарядки/разрядки она подразумевает промывку банок и замену электролита раз в сезон ) они служат до 20 лет (точнее, 1000-1500 полных циклов). Также, щелочные аккумуляторы плохо заряжаются малыми токами. Этим объясняется тот факт, что щелочные аккумуляторы не нашли широкого применения в системах автономного электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии. Никель-кадмиевые и никель-металгидридные герметичные батареи могут использоваться в некоторых случаях. Хотя они намного дороже кислотных, зато имеют очень большой срок службы и имеют более стабильное напряжение в процессе разряда. Применяются обычно в переносных или мобильных источниках питания, т.к. позволяют запасать большее количество энергии на кг веса.

Никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы с жидким электролитом дешевле герметичных, но содержат жидкий электролит, выделяют газы при заряде и требуют периодического обслуживания и специального вентилируемого помещения. По стоимости запасенной энергии в цикле заряд-разряд сопоставимы или даже дешевле герметичных свинцово-кислотных батарей.

Можно использовать никель-железные аккумуляторы (обычно их используюут в качестве тяговых на электротранспорте, а также на железной дороге) только в составе автономной дизель-аккумуляторной системы, в которой топливный генератор является единственным источником энергии. Из опыта известно, что свинцово-кислотные АБ не долго держатся в таких системах - глубокие циклы и хронический недозаряд делают свое черное дело. В этих условиях работы можно смириться с такими недостатками щелочных АБ, как невозможность заряда малыми токами (можно от генератора выставить любой, и даже лучше если ток будет большой - быстрее зарядится), эффект памяти (циклы будут как раз глубокие) и низкий КПД заряда. Для генераторной системы эффект памяти не важен - АБ разряжаются как можно сильнее, чтобы запускать генератор как можно реже.

Если щелочные АБ можно заряжать большим током, то его низкий КПД с лихвой окупится более эффективным режимом работы генератора. Ведь для дозаряда свинцовых АБ требуется долго заряжать их малыми токами, т.е. практически на холостом ходу генератора. А у щелочных ограничения при заряде - это температура аккумуляторов, а также газовыделение.

Еще раз подчеркнем, что не для всякой резервной или автономной системы подходят щелочные аккумуляторы. Если есть солнечные батареи или ветроустановки, т.е. источники, которые выдают разные токи, в т.ч. и малые, щелочные аккумуляторы ставить смысла нет - энергия малых токов будет просто теряться без пользы.

Рекомендуется ставить в исключительных случаях, в недорогих системах обычные стартерные батареи, если есть кому их обслуживать и место установки имеет принудительную вентилляцию. Нужно быть готовым к тому, что в таких батареях будет теряться часть энергии вследствие саморазряда. Автомобильные аккумуляторы также имеет смысл ставить, если система работает в очень тяжелых условиях, аккумуляторы сильно разряжаются и возможности зарядить их до 100% нет (например, при заряде от жидкотопливного генератора, или при условии использования простейших контроллеров заряда в фотоэлектрических системах). Любые аккумуляторы при хроническом недозаряде долго не работают, поэтому более дешевые аккумуляторы будет не так жалко выкидывать. Если энергия "достается" дорого (например, в фотоэлектрических системах), то нужно обратить внимание на гелевые аккумуляторы (маломощные системы) или заливные аккумуляторы с намазными пластинами (серия OPzS). При этом очень желательно применение контроллеров с ШИМ-модуляцией тока заряда на последней стадии заряда. Если используется простейший контроллер, то нужно периодически проводить тренировочные заряды до 100% емкости аккумуляторной батареи с применением специальных зарядных устройств. Герметизированные аккумуляторы лучше применять также, если облуживать их некому, или нет специального вентиллируемого помещения для аккумуляторов. Этот вариант дороже, чем с применением автомобильных аккумуляторных батарей.

Гелевые лушче переносят циклические режимы работы, поэтому их рекомендуется применять в автономных энергосистемах, когда аккумуляторы периодически заряжаются и разряжаются. Можно также использовать AGM батареи, их срок службы будет немного меньше, чем у гелевых АБ. AGM батареи рекомендуется использовать в резервных системах электроснабжения, когда в основном батареи находятся в заряженном состоянии и периодически отдают энергию при авариях в системе электроснабжения.

Для бесперебойного энергопитания количество аккумуляторных батерий можно упрощенно рассчитать, придерживаясь следующих рассуждений. На основании расчетов можно самостоятельно подсчитать необходимое количество аккумуляторов в соответствии с пиковыми потреблениями, характерными для конкретного жилища или офиса.

Во время минимального потребления (днем и ночью) при наличии ветра ВЭУ будет заряжать аккумуляторы. Скорость зарядки батарей зависит от мощности, вырабатываемой ВЭУ, а значит, от силы ветра.

Можно легко посчитать, что ВЭУ-3 на скорости ветра 6 м/сек будет выдавать 0.7 кВт/час, или 0.7кВт х 12час = 8.4кВт за день и столько же за ночь, что достаточно для утренних и вечерних пиковых потреблений.

Необходимо заметить, что аккумуляторы обладают свойством остаточной ёмкости. Например, используя аккумулятор 75 А/ч, можно включить электроплиту мощностью 1 кВт в течении 40 мин., после чего инвертор отключится. Если уменьшить нагрузку до 500 Вт (подключить, к примеру, телевизор) - можно получать энергию ещё столько же. Затем можно подключить 300 Вт-ную дрель, а потом 130 Вт-ный краскопульт, далее 60 Вт-ный паяльник и, наконец, 30 Вт-ную лампочку. Из вышеприведенного примера совсем не следует что эти (и другие) нагрузки нельзя включить все сразу. Просто количество времени, которое будут работать все одновременно включенные приборы, будет меньше.

Анемоскоп и датчик направления ветра необходим для сбора данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности.

АВР – автоматический переключатель источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при прекращении работы основного источника. Он позволяет осуществить совместную работу ветроустановки с местной электросетью, дизель-генератором и другими источниками питания. АВР не позволяет запитывать электросети объекта одновременно от двух разных источников питания.

3.2.

Варианты подключения ВЭУ к потребителю

Малая ветроэнергетическая установка может иметь несколько вариантов подключения к потребителю и соответственно иметь разную комплектацию. На рис.3.7 представлена минимальная комплектация малой ветроустановки.

Рис.3.7. Минимальная комплектация малой ветроустановки

Рассмотрим шесть основных вариантов подключения ВЭУ к потребителю.

1-й вариант. Автономная ВЭУ. Объект энергопотребления является полностью обособленным сооружением и не подключен к линии электропередач. Требуется периодическое энергопитание 24 (48, 96) В постоянного тока, например, для питания водяного насоса, освещения и т.д., что не требует бесперебойности в работе системы.

Подключение производится следующим образом: к клеммам оборудования подключается выход ВЭУ соответственно 24 (48, 96) В постоянного тока. При наличии достаточного ветра ветроэнергетическая установка работает и питает подключенное оборудование. Если потребление превзошло энергоподачу от системы "ВЭУ", система отключится до тех пор, пока нагрузка не уменьшится до уровня потребления, который может обеспечить система "ВЭУ", либо ветер не возрастет до уровня, при котором количество выработанной энергии превысит количество потребляемой в данный момент. При отсутствии ветра ВЭУ стоит, генератор бездействует и потребитель не получает энергопитание. Особенно эта ситуация опасна в холодное время года.

2-й Вариант. Автономная ВЭУ + аккумуляторные батареи. Объект энергопотребления является полностью обособленным сооружением и не подключен к линии электропередач. Требуется бесперебойное энергопитание 24 (48, 96) В постоянного тока, например, для питания водяного насоса, системы удаленного мониторинга, освещения и т.д

Перед приобретением ветроэнергетической установки (ВЭУ) необходимо подсчитать требуемую мощность ВЭУ и аккумуляторных батарей. К клеммам оборудования подключается выход ВЭУ соответственно 24 (48, 96) В постоянного тока через аккумулятор, рис.3.8.

Рис.3.8. Подключение ВЭУ к потребителю через аккумуляторные батареи

При наличии достаточного ветра ветроэнергетическая установка работает и заряжает аккумуляторные батареи. При слабом ветре или чрезмерном увеличении нагрузки потребителя количества энергии, поступающей от ВЭУ, недостаточно, и нагрузка начинает забирать часть энергии от аккумуляторов. Если потребление превзошло энергоподачу от системы "ВЭУ-батареи", система отключится до тех пор, пока нагрузка не уменьшится до уровня потребления, который может обеспечить система "ВЭУ-батареи", либо ветер не возрастет до уровня, при котором количество выработанной энергии превысит количество потребляемой в данный момент. При отсутствии ветра ВЭУ стоит, генератор бездействует и нагрузка потребляет энергию только от аккумуляторов.После разряда аккумуляторов система выключится и ток во внутренней сети пропадет - потребитель остается без энергопитания.

3-й Вариант. Автономная ВЭУ + аккумуляторные батареи + инвертор. Объект энергопотребления является полностью обособленным сооружением и не подключен к линии электропередач. Требуется бесперебойное энергопитание 220В/50Гц. Например, для питания жилища, офисного помещения, цеха. Перед приобретением ветроэнергетической установки (ВЭУ) необходимо подсчитать требуемую мощность ВЭУ, аккумуляторных батарей и инвертора. На рис.39 представлена схема подключения малого ветрогенератора (5-15 кВт) типа «Бриз 5000», который предназначен для полноценного электроснабжения потребителей электроэнергией в виде однофазного напряжения 220В, 50Гц в зонах с хорошими характеристиками среднегодовой скорости ветра от 4 м/с.

Рис .3.9. Схема подключения ветрогенератора через аккумуляторные батареи и инвертор

В состав ВЭУ входят: ветрогенератор типа «Бриз 5000», мачта на растяжках 15 м, кабель 70 м, аккумуляторные батареи 12 В/200 Ач, регулятор заряда АКБ и балластное сопротивление, инвертор однофазный 96В/220В. При наличии достаточного ветра ветроэнергетическая установка работает и заряжает аккумуляторные батареи. На вход инвертора поступает достаточное количество электроэнергии в виде постоянного тока с напряжением 24, 48 или 96В от генератора ВЭУ. Инвертор выдает переменный ток 220В/50Гц потребителю во внутреннюю электросеть. Другие источники энергии не используются. При слабом ветре или чрезмерном увеличении нагрузки внутренней сети, количества энергии, поступающей от ВЭУ, недостаточно, и инвертор начинает не только потреблять энергию, поступающую от ВЭУ, но и забирать энергию у аккумуляторных батарей, постепенно разряжая их. Если потребление превзошло энергоподачу от системы "ВЭУ-батареи", инвертор отключается до тех пор, пока нагрузка не уменьшится до уровня потребления, который может обеспечить система "ВЭУ-батареи", либо ветер не возрастет до уровня, при котором количество выработанной энергии превысит количество потребляемой в данный момент. При отсутствии ветра генератор ВЭУ бездействует и инвертор потребляет энергию только от аккумуляторов. После разряда аккумуляторов инвертор выключится и ток во внутренней сети пропадет.

4-й Вариант. Автономная ВЭУ + аккумуляторные батареи + инвертор + дизель (бензо) генератор Объект энергопотребления является полностью обособленным сооружением и не подключен к линии электропередач. Требуется гарантированное бесперебойное энергопитание 220В/50Гц, например, для питания жилища, офисного помещения, цеха. Перед приобретением ветроэнергетической установки (ВЭУ) необходимо подсчитать требуемую мощность ВЭУ, аккумуляторных батарей, инвертора и дизель (бензо) генератора. При наличии достаточного ветра ветроэнергетическая установка работает и заряжает аккумуляторные батареи. На вход инвертора поступает достаточное количество электроэнергии в виде постоянного тока с напряжением 24, 48 или 96В от генератора ВЭУ. Инвертор выдает переменный ток 220В/50Гц потребителю во внутреннюю электросеть. При слабом ветре или чрезмерном увеличении нагрузки внутренней сети, количества энергии, поступающей от ВЭУ, недостаточно, и инвертор начинает не только потреблять энергию, поступающую от ВЭУ, но и забирать энергию у аккумуляторных батарей, постепенно разряжая их. Если нагрузка потребляет энергии больше, чем это может быть получено от системы "ВЭУ-батареи", инвертор с помощью системы автоматического пуска автоматически запускает дизель (бензо) генератор. При этом происходит отключение системы "ВЭУ-батареи" от нагрузки. Энергия потребляется от дизель-генератора (режим by-pass, т.е. инвертор не меняет данное напряжение и ток, пропуская энергопитание неизменным к потребителю). В это время ВЭУ заряжает аккумуляторы (т.е. система даже при слабом ветре не простаивает). Подключение автономной ВЭУ в комплектации с аккумуляторными батареями, инвертором и дизель (бензо) генератором,представлено на рис.3.10. Как только аккумуляторы зарядились до необходимого уровня, происходит обратное переключение на работу от системы "ВЭУ-батареи" и остановка дизель-генератора.

Рис . 3.10. Схема подключения ветрогенератора «Бриз 5000 совместно с дизель-генератором

В состав данного ветродизельного комплекса входят:

- ветрогенератор типа «Бриз 5000»,

- мачта на растяжках 15 м ,

- кабель 70 м,

- регулятор заряда АКБ и балластное сопротивление ,

- аккумуляторные батареи 200 А/ч- 8 шт,

- инвертор 96В / 220В, 50 Гц ,

- дизель – генератор,

- блок управления дизель – генератором,

- блок оптимизации нагрузки дизеля .

Ветродизельный комплекс предназначен для бесперебойного электроснабжения потребителей до 15 кВт электроэнергией в виде однофазного напряжения 220В, 50 Гц.

5-й Вариант. Автономная ВЭУ + аккумуляторные батареи + инвертор + дизель (бензо) генератор + сеть. Объект энергопотребления подключен к централизованной электросети. Требуется уменьшение потребления энергии от сети (экономия), бесперебойное (в т.ч. и гарантированное) энергопитание 220В/50Гц, например, для питания жилища, офисного помещения, цеха. Схема соединения оборудования по данному варианту представлена на рис.3.11.

Рис. 3.11. Схема соединения оборудования с сетью

К клеммам внутренней электросети потребителя подключается выход инвертора 220В/50Гц. Сетевой вход при монтаже заводится на специальные входные клеммы инвертора. При наличии достаточного ветра ветроэнергетическая установка работает и заряжает аккумуляторные батареи. На вход инвертора поступает достаточное количество электроэнергии в виде постоянного тока с напряжением 24, 48 или 96В от генератора ВЭУ. Инвертор выдает переменный ток 220В/50Гц потребителю во внутреннюю электросеть. Другие источники энергии не используются. При слабом ветре или чрезмерном увеличении нагрузки внутренней сети, количества энергии, поступающей от ВЭУ, недостаточно, и инвертор начинает не только потреблять энергию, поступающую от ВЭУ, но и забирать энергию у аккумуляторных батарей, постепенно разряжая их. Если потребление превзошло энергоподачу от системы "ВЭУ-батареи", инвертор с помощью САП (система автоматического пуска) автоматически запускает дизель (бензо) генератор. При этом инвертор отключает систему "ВЭУ-батареи". Энергия потребляется от дизель-генератора (режим by-pass, т.е. инвертор не меняет данное напряжение и ток, пропуская энергопитание напрямую к потребителю). В это время ВЭУ заряжает аккумуляторы. Как только аккумуляторы зарядились до необходимого уровня (номинала), инвертор после прихода сигнала от контроллера заряда об окончании зарядки, автоматически переключается на систему "ВЭУ-батареи". При отсутствии ветра генератор ВЭУ бездействует и инвертор потребляет энергию только от аккумуляторов.

После разряда аккумуляторов инвертор автоматически переключается на сеть или дизель (бензо) генератор. При этом инвертор отключает систему "ВЭУ-батареи". Когда появится ветер, ВЭУ зарядит аккумуляторы, и инвертор автоматически переключится с сети или дизель (бензо) генератора на систему "ВЭУ-батареи" и выключит дизель (бензо) генератор.

Система автопуска (САП) бензо или дизель-генератора служит для автоматического запуска этих приборов при отсутствии энергоснабжения со стороны ветроэнергетической установки или сети, в зависимости от алгоритма, заложенного в программный модуль САП. При наличии у инвертора соответствующих функций САП может автоматически по запрограммированному алгоритму коммутировать выход ветроустановки, солнечных батарей, бензо или дизель-генератора, сеть и т.д.

6-й вариант. Параллельная работа ВЭУ с трехфазной сетью 0,4кВ, 50Гц

Ветроустановка подключается к шинам ближайших распределительных устройств (РУ) или трансформаторной подстанции (ТП) потребителя. Соединение ВЭУ с сетью потребителя может осуществляться несколькими способами.

Ручное переключение. Ручной переключатель двустороннего действия для выбора источника питания жилища (1-ое положение –подключена сеть, 2-ое положение – подключена ВЭУ).

Схема соединения представлена на рис.3.12. Для монтажа системы необходимо отсоединить подводящие сетевой ток провода от клемм потребителя и подключить их к входу переключателя 1 (внешняя сеть). Подключить выход переменного тока инвертора ветроэнергетической установки (ВЭУ) к другому (альтернативному) входу 2 переключателя. ВЭУ может быть укомплектована аккумуляторными батареями, бензо или дизель-генератором и т.д. Подключить клеммы потребителя к выходу переключателя, соединенного с распределительным щитком.

Рис. 3.12. Схема соединения при ручном переключении

При наличии ветра ВЭУ вырабатывает электроэнергию, поступающую через переключатель и распределительный щиток потребителю. При отсутствии ветра или большом увеличении нагрузки, которую не может обеспечить ВЭУ, необходимо вручную переключить переключатель в положение "сеть". В этом случае ВЭУ при появлении ветра будет заряжать аккумуляторные батареи, а потребитель получает электроэнергию только от сети. Для питания от ВЭУ необходимо переключить вручную переключатель обратно в положение 1.

Преимущества- простая недорогая система.

Недостатки:

- переключение требует присутствия человека,

- при переключении переключателя из одного положения в другое происходит прерывание энергоснабжения,

- максимальная потребляемая мощность при питании от ВЭУ не может быть больше номинальной мощности инвертора. Например, если номинал инвертора 3 кВт, то потребляемая мощность не может превышать 3 кВт, когда переключатель находится в положении "ВЭУ".

2.Автоматическое переключение. При этом используется инвертор для автоматического переключения с ветроустановки (ВЭУ) на сеть и наоборот. В инверторе имеются отдельные входы для присоединения ВЭУ и сети. На рис. 3.13 представлена схема монтажа оборудования при автоматическом переключении.

Рис. 3.13. Схема монтажа оборудования при автоматическом переключении

Для монтажа системы необходимо отсоединить подводящие сетевой ток провода от клемм потребителя и подключить их к соответствующему сетевому входу инвертора по переменному току. Выход ВЭУ по постоянному току должен быть подключен к соответствующему входу инвертора. Коммутатор, встроенный в инвертор, коммутирует входы в соответствии с алгоритмом приоритета, который может быть запрограммирован потребителем. Потребитель получает электроэнергию из источника, являющегося наиболее "выгодным". Например, при наличии ветра и нормальной работе ВЭУ потребитель питается от системы "ВЭУ + аккумуляторные батареи (АКБ)", при отсутствии ветра - от сети, бензо (дизель) генератора или иных источников питания (солнечные батареи и т.д.), в соответствии с приоритетом входа в коммутатор.

Выход коммутатора, встроенного в инвертор, соединяется с распределительным щитком потребителя.

Преимущества:

- переключение происходит автоматически и не требует присутствия человека,

- недорогая система, не требуются дополнительные приборы при условии использования инвертора.

Недостатки:

- при переключении входов коммутатора из одного положения в другое происходит несущественное прерывание энергоснабжения (до 20 миллисекунд, что, однако, не отражается на работе большинства приборов и аппаратуры, по аналогичной схеме действует источник бесперебойного питания компьютера (UPS)),

3. Использование системы двойного преобразования. Если выходы всех источников по постоянному току (соединить параллельно, можно получить систему плавного бесперебойного питания, рис.3.14.

Рис.3.14. Использование системы двойного преобразования

Для монтажа системы необходимо приобрести несколько дополнительных приборов. Затем отсоединить подводящие сетевой ток провода от клемм потребителя и подключить их к входу системы "адаптер (блок питания (БП), преобразующий переменный ток в постоянный) + система автоматического пуска бензо (дизель) генератора (САП)". Выход адаптера (блока питания) соединить с выходом ВЭУ по постоянному току, выходом аккумуляторных батарей и других источников питания через диоды и подключить итоговую магистраль к входу инвертора. ВЭУ имеет приоритет, и при наличии ветра является основным источником питания.

В период безветрия или превышения уровня потребления сверх того, что может выдать система "ВЭУ + аккумуляторы" в настоящий момент, потребитель получает энергию от иных источников электроэнергии согласно приоритету, заказанному потребителем изначально. Перепрограммировать приоритет нельзя.

Преимущества:

- переключение не требует присутствия человека,

- нет никаких перебоев в энергоснабжении, переход с одного источника питания на другой осуществляется плавно.

Недостатки:

- система более дорогая, т.к. требуются дополнительные приборы,

- система имеет серьезные потери мощности, т.е. КПД использования сети и других источников питания по переменному току уменьшается за счет двойного преобразования энергии примерно на 30% - из переменного в постоянный (БП) и 15% потерь из постоянного в переменный (инвертор),

- максимальная потребляемая мощность при питании от любого или от всех вместе взятых источников питания не может быть больше номинальной мощности инвертора. Например, если номинал инвертора 3 кВт, то потребляемая мощность не может превышать 3 кВт.

4 Использование синхронизатора частоты. Этот прибор синхронизирует частоту входящей сети с частотой выхода инвертора ветроустановки (ВЭУ) по переменному току. Схема подключения синхронизатора частоты представлена на рис.3.15.

Рис. 3.15. Схема подключения синхронизатора частоты

Для монтажа системы необходимо приобрести синхронизатор частоты, рассчитанный на соответствующую потребляемую мощность. Затем отсоединить подводящие сетевой ток провода от клемм потребителя и подключить их к входу синхронизатора в соответствии с инструкциями, приложенными производителем к данному прибору. Подключить выход инвертора ВЭУ к соответствующему входу синхронизатора. Подключить аккумуляторные батареи к соответствующему входу синхронизатора, если это требуется. Подключить клеммы потребителя к выходу синхронизатора. ВЭУ может быть укомплектована своими аккумуляторными батареями.

Ветроустановка имеет приоритет и при наличии ветра является основным источником питания. В период безветрия или возрастании энергопотребления до уровня, превышающего мощность ВЭУ (или системы "ВЭУ + аккумуляторы", синхронизатор дополнительно «выкачивает» из сети необходимое для покрытия потребления количество энергии.

Преимущества:

- переключение не требует присутствия человека,

- нет перебоев в энергоснабжении,

Недостатки:

- система дорогая, т.к. требуется дополнительный прибор,

- максимальная потребляемая мощность не может быть больше номинальной мощности синхронизатора и/или инвертора.

The free sample has ended.