Ветроэнергетика: наращивание выработки экологически чистой энергии — наращивание потенциала

ветряной аккумуляторВ 40…50-х годах прошлого столетия во всем мире наметилась тенденция более интенсивного строительства ветровых электрических станций (ВЭС). Так, в Дании в период Второй мировой войны уже работали несколько десятков ВЭС, вырабатывавших более 80 млн. кВтч электроэнергии. По данным ЮНЕСКО, в 1967 году в мире насчитывалось более 600 тыс. ветроустановок, в том числе более 250 тыс. в Австралии и около 8-9 тыс. (не считая самодельных) в Советском Союзе. Разрабатываемые и серийно выпускаемые в этот период времени ВЭУ в основном применялись в качестве автономных источников электроэнергии, предназначенных для механизации подъема воды, электрификации процессов сельскохозяйственного производства и т.п.

Типичная блок-схема ВЭУ, состоящей из ветродвигателя 1 в комплекте с одной или несколькими рабочими машинами 2, аккумулирующего устройства 3 в виде батареи электрохимических аккумуляторов, дублирующего неветрового двигателя 4 (обычно двигателя внутреннего сгорания, используемого в период безветрия) и системы 5 автоматического управления и регулирования режимов работы, служащей для включения и выключения ветродвигателя в зависимости от режимов ветра и нагрузки, показана на рис.2, на котором пунктиром обведены узлы, составляющие ветроагрегат.

лопасти ветряного аккумулятораОснову конструкции ВЭУ, эксплуатировавшихся в то время (также, как и в настоящее время), составлял ветродвигатель, в качестве рабочего органа которого применялся ротор, барабан с лопатками, ветроколесои другие конструктивные детали. При этом положение оси рабочего органа относительно оси ветрового потока у ветродвигателей различной конструкции могло отличаться. Так, в карусельных (или роторных) ветродвигателях ось вращения рабочего органа располагалась вертикально, в ветродвигателях барабанного типа вал барабана располагался горизонтально и перпендикулярно направлению ветрового потока, а у крыльчатых ось ветроколеса была горизонтальной и параллельной направлению ветрового потока.

На начальном этапе строительства ВЭУ важно было оценить эффективность той или иной конструкции ветродвигателя. Такая оценка была выполнена еще в период зарождения ветроэнергетики (в начале XX века) на основе использования впервые полученного Н.Е. Жуковским так называемого максимально возможного значения коэффициента мощности Сртах=0,593, позволяющего оценить степень энергетического совершенства ветродвигателя и показывающего, какая доля энергии ветрового потока преобразуется в механическую энергию. Оказалось, что этот коэффициент для карусельного ветродвигателя равен 0,15, для роторного ветродвигателя — 0,18, а у крыльчатого ветродвигателя он наибольший — доходит до 0,45. Это означает, что, например, ветровое колесо с длиной лопасти 10 м при скорости ветра 10 м/с может иметь максимальную мощность на валу 85 кВт [1]. Поэтому сейчас повсеместно применяются крыльчатые ветродвигатели.

Среди крыльчатых ветродвигателей в зависимости от числа лопастей различают:

  • быстроходные ветроколеса (менее 4) (рис.3, где: 1 — ступица; 2 — наконечник (мах); 3 — лопасть; 4 — подшипники; 5 — грузы регулятора);
  • среднебыстроходные (от 4 до 8);
  • тихоходные (более 8 лопастей) (рис.4, где: 1 -ступица; 2 — лопасть; 3 — каркас; 4 — болты крепления лопасти).

Быстроходность ветроколеса оценивается числом модулей Z, равным отношению окружной скорости wR внешнего конца лопасти радиусом R, вращающейся с угловой скоростью со, к скорости v набегающего потока. При одинаковом числе модулей Z ветроколе-со большего диаметра имеет меньшую частоту вращения. При прочих одинаковых условиях увеличение числа лопастей также снижает частоту вращения ветроколеса.

Современная ветроэнергетика базируется в основном на применении двух отличных друг от друга конструкций ветродвигателей:

  • с горизонтальной осью вращения типа «Пропеллер» (рис.5, где: 1 — рабочая лопасть; 2 — трансмиссия (мультипликатор); 3 — виндроза; 4 — вышка; 5 — вал отбора мощности; 6 — электрогенератор);
  • с вертикальной осью вращения типа «Дарье» (рис.6, где: 1 — стартер (ротор Савониуса); 2 — вал; 3 -электрогенератор; 4 — тормозное устройство; 5 — рабочая лопасть; 6 — растяжка; 7 — рама; 8 — преобразователь напряжения; 9 — аккумулятор) [1].