8.1. Ветроэнергетический кадастр

Для систематизации характеристик ветровой обстановки в конкретном регионе с целью её эффективного энергетического использования разрабатывается ветроэнергетический кадастр, представляющий собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих определить его энергетическую ценность, а также целесообразные параметры и режимы работы ветроэнергетических установок. Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:

1. Среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра;

2. Повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей;

3. Максимальная скорость ветра;

4. Распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности;

5. Удельная мощность и удельная энергия ветра;

6. Ветроэнергетические ресурсы региона.

8.2. Классификация ветроустановок

Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и положению его относительно направления ветра. Пусть воздушный поток, имеющий скорость (U_o), набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью (v), тогда скорость потока относительно лопасти будет (v_r). При взаимодействии потока с лопастью возникают:

1. Сила сопротивления F_D, параллельная вектору относительной скорости набегающего потока v_r;

2. Подъёмная сила F_L , перпендикулярная силе F_D;

3. Завихрение потока, обтекающего лопасти;

4. Турбулизация потока, т.е. хаотические возмущения его скорости по величине и направлению;

5. Препятствие для набегающего потока.

Рис.8.1. Скорости элемента лопасти и действующие на него силы: u_o – скорость ветра; v – скорость элемента лопасти; v_r – скорость элемента лопасти относительно ветра; F_D – сила лобового сопротивления, действующая в направлении скорости v_r; F_L – подъёмная сила, перпендикулярная силе F_D.

Рис. 8.2. Классификация ветроколёс: с горизонтальной осью (а), приведены способы ориентации при переднем расположении колеса; с вертикальной осью (б).

1 - однолопастное колесо; 2 - двухлопастное колесо; 3 – трёхлопастное колесо; 4 – многолопастное колесо; 5 – чашечный анемометр; 6 – ротор Савониуса; 7 – ротор Дарье; 8 – ротор Масгрува; 9 – ротор Эванса.

Рассмотрение классификации ветроколёс по признакам:

1. Установка ВЭУ может быть горизонтально – осевой или вертикально – осевой.

2. Вращающей силой является сила сопротивления (драг – машины) или подъёмная сила (лифт – машины).

3. ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при слабом ветре.

4. Наличие буфера между ветроколесом и электрогенератором уменьшает влияние флуктуаций ветра.

Основной вращающей силой у горизонтально – осевых ветроколёс пропеллерного типа является подъёмная сила. В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух – и трёхлопастные ветроколёса.

Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью вращения при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Такая схема позволяет установить редуктор с генераторами внизу башни.

Недостатками таких установок являются:

1. Большая подверженность усталостным разрушениям из – за автоколебательных процессов.

2. Пульсация крутящего момента, приводящая к пульсациям выходных параметров генератора.

Наиболее распространённые типы вертикально – осевых установок следующие (рис. 8.2.):

Чашечный ротор (анемометр) – ветроколесо вращается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечивает линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра.

Ротор Савониуса – это колесо, которое вращается силой сопротивления. Это ветроколесо обладает большим крутящим моментом и используется для перекачки воды.

Ротор Дарье. Вращающий момент создаётся подъёмной силой. Ротор Дарье используется в ветроэлектрогенераторах.

Ротор Масгрува. Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоянии расположены вертикально, но при сильном ветре складываются вокруг горизонтальной оси.

Ротор Эванса. Лопасти этого ротора в аварийной ситуации поворачи-

ваются вокруг вертикальной оси.

Таблица 8.3.

Технико – экономические характеристики зарубежных ВЭУ

Технико – экономические характеристики	«Дженерал»	«Дженерал»	«Каман»	«Каман»
Мощность, кВт	500	1500	500	1500
Диаметр ветроколеса, м:	55,8	57,9	45,7	54,9
Скорость ветра ,м/с, минимальная рабочая	3,54	5,11	4,5	5,4
Расчётная	7,3	10,1	9,3	11,5
Максимальная рабочая	17,9	22,3	14	20
Максимальная проектная	54	54	54	54
Частота вращения ветроколеса, об/мин	29	40	32	34
Окружная скорость конца лопасти, м/с	84,7	121	76,6	97,7
Расчётная быстроходность	11,6	12	8,3	8,5
Высота башни, м	42,7	42,7	33,5	38
Масса, т	240	354	-	-
Удельные капиталовложения, дол/кВт	935	430	901	481
Годовая выработка энергии, млн. кВт - ч	1,88	6,62	1,28	5,68
Число часов использования установленной мощности, ч/год	3760	4410	2540	3800
Стоимость энергии, цент/кВт- ч	4,04	1,57	7,1	2,7

Таблица 8.4.

Основные технические данные отечественных ВЭУ

Тип ВЭУ	АВЭ-250	Р- 250	ГП- 250	Ю- 500	Р- 1000	ВТО- 1250
1	2	3	4	5	6	7
Мощность, кВт	250	250	250	500	1000	1250
Диаметр ветроколеса, м	25	24	24	34	48	27
Расчётная скорость ветра, м/с	14	13,6	13,7	13,6	13,6	20
Рабочий диапазон скоростей, м/с	5 - 30	5 - 25	7 - 30	4 - 25	5 - 25	6 - 30
Число лопастей	3	3	3	3	3	3
Частота вращения ветрового колеса,об/мин	47,7	42 - 84	50 - 60	37,5	21,42	18 - 30
Высота по оси вращения, м	25	27,2	24	31,5	38	40
Сейсмичность, баллы	8	8	8	8	8	8
Выработка энергии, млн./кВт-ч	0,5 - 1	0,6 – 1,2	0,6 – 1,2	1,0 – 2,0	2,6 – 4,9	1,4 – 4,8
Срок службы,лет	25	25	25	25	25	25
1	2	3	4	5	6	7
Масса, т	30	38	25	41	130	136
Разработчик	НПО «Ветроэн»	МКБ «Радуга»	АС «Совэна»	НПО «Южное»	МКБ «Радуга»	НПО «Южное»
Головной изготовитель	Павлоградский машзавод	Смоленский авиазавод	ПО Ленподъёмтрансмаш	Павлоградский машзавод	Тушинский машзавод	НПО»Южное
Срок изготовления головного образца	1991	1993	1992	1993	1993	1994

Наиболее мощными ВЭУ в мире являются две установки Е – 126, построенные в Германии фирмой Enercon в г. Эмден, мощностью по 7 МВт, диаметром ветроколеса 127м и высотой башни 135м.