Характерные особенности ветрогенераторов.

Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом утилизации энергии ветра. Эффективность преобразования механической энергии в электрическую в электрогенераторе составляет обычно 95%, а потери электрической энергии при передаче не превышают 10%. Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии. Эти требования жесткие при работе ветроустановок в рамках единой энергосистемы и достаточно мягкие при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках. К настоящему времени разработано много проектов ветроэлектрических установок, включая и генераторы к ним, но в будущем с превращением ветроэнергетики в самостоятельную отрасль энергетики, несомненно, появятся принципиально новые конструкции ВЭУ.

При проектировании ветроэлектрических установок надо учитывать следующие их особенности:

1) для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности, в то же время для максимально эффективной работы электрогенератора необходима практически постоянная частота вращения

2) механические системы управления частотой вращения ветроколеса достаточно сложны и дороги. Гораздо эффективнее и дешевле управлять частотой его вращения, изменяя электрическую нагрузку электрогенератора;

3) оптимальная частота вращения ветроколеса тем меньше, чем больше его радиус, поэтому только очень малые ветроколеса (радиусом не более 2 м) удается соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветроколеса приходится использовать повышающие редукторы, удорожающие ветроустановку и ее обслуживание. Альтернативой редукторам могут стать новые типы многополюсных генераторов, работающих при меньших частотах вращения;

4) в конструкции ветроэлектрической установки предусматривается, как правило, возможность отключения генератора от ветроколеса и вращения его от химического или механического аккумулятора энергии, поэтому систему управления генератором не связывают с работой ветроколеса. При отсутствии такой связи даже при "мягком" соединении генератора с ветроколесом необходимы специальные демпфирующие устройства, для того чтобы исключить механические удары, перегрузки и броски напряжений на выходе генератора.

Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ВЭУ, а именно:

а) наиболее благоприятные ветровые условия существуют, как правило, в малонаселенных районах. Требования к электроэнергии в таких районах весьма специфичны, но почти наверняка ее здесь требуется гораздо меньше, чем в развитых промышленных районах;

б) анализ парка потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5-10% из них предъявляют определенные требования к ее параметрам (например, к частоте). Это в основном электродвигатели, электронные устройства и осветительные установки. Поэтому целесообразно так строить систему электроснабжения, чтобы она могла обеспечивать потребителей как дешевой электроэнергией с нестабилизированными параметрами (например, для отопления), так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами;

в) энергосистемы в сельской местности обычно маломощные и относительно низковольтные (менее 35 кВ), при передаче энергии на большие расстояния возникает много проблем, связанных с ее потерями, поэтому подключение ВЭУ к таким системам нецелесообразно;

г) так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии или быть запараллеленными электроэнергетическими установками других типов.

Совершенно очевидно, что развитие ветроэнергетики будет стимулировать прогресс во всей электроэнергетике, в том числе, и в традиционном энергомашиностроении.

Генераторы для ВЭУ. Принцип действия любого генератора достаточно прост, все различия в их устройстве и связанные с этим трудности обусловлены стремлением повысить эффективность их работы.

Действие любого промышленного электрогенератора, используемого в ветроустановках, основано на эффекте Фарадея, состоящем в том, что магнитное поле, пересекающее с некоторой скоростью проводник, индуцирует в нем электрический ток. Генератор состоит из двух основных элементов: статора и ротора. Обмотка одного из них. (например, статора) является тем проводником, в котором наводится электрический ток, а другой (ротор) состоит из постоянных магнитов или заменяющей их обмотки, создающей магнитное поле. Если магнитное поле создается постоянными магнитами или протекающим по роторной обмотке постоянным током, то в обмотке статора будет индуцироваться переменный ток частоты f1 , равной частоте вращения вала генератора fs . Если ротор имеет n магнитов или возбуждающих обмоток, то выполняется равенство nfs=f1.Такой генератор называется синхронным генератором переменного тока, частота которого жестко связана с частотой вращения ротора.

Распространенным типом электрогенераторов является генератор переменного тока с короткозамкнутым ротором, роторная обмотка которого, создающая магнитное поле, состоит из короткозамкнутых витков. Ток в этих витках в свою очередь наводится электромагнитным полем тока статорной обмотки. При этом разность фаз тока статора и ротора такова, что происходит преобразование механической энергии, вращающей ротор, в электрическую энергию (напряжение) статора. Если ротор, имеющий п возбуждающих обмоток, вращается с частотой fs и при этом в обмотках индуцируется ток частотой f2, то на выходе генератора частота тока равна f1=f2-nfs. Коэффициент скольжения s=(f1-fs)/f1 у генераторов отрицателен, если же генератор работает в режиме электродвигателя, коэффициент скольжения положителен. Значение s у генераторов обычно меньше 10%. Для создания в момент запуска генератора, когда еще отсутствует ток в статоре, начального магнитного поля в роторе обычно используют два метода:

1) магнитное поле создают посторонним источником тока, например от электросети, к которой подключен генератор, или

2) генератор самовозбуждается посредством замыкания обмотки статора через конденсатор на землю. В этом случае ротор или статор должен обладать остаточным магнетизмом, создающим начальный ток, так как конденсатор лишь обеспечивает необходимый для работы генератора сдвиг фаз. Кроме того, для работы и управления таким генератором можно использовать вспомогательный синхронный генератор, включенный по схеме синхронного автотрансформатора. Такая схема удобна в небольших автономных энергоустановках, в которых вспомогательный генератор может подключаться к дизельному двигателю при слабом ветре, частично обеспечивая электроснабжение потребителей. Достоинствами первого метода являются его простота, дешевизна и безопасность, так как на генераторе отсутствует напряжение, если он отключен от сети.

Генераторы постоянного тока по принципу действия являются синхронной машиной, имеющей коммутирующее устройство в виде кольца с прорезями, называемое коллектором, которое гарантирует однонаправленность выходного тока. При этом ток, являясь однонаправленным, не обязательно постоянен. Постоянный ток можно получать также и из переменного с помощью выпрямителей. В свою очередь и переменный ток с заданными напряжением и частотой можно получить от источника постоянного тока с помощью специальных преобразователей.