Базовая

Энергия ветра - это косвенная форма солнечной энергии, являющаяся следствием разности температур и давлений в атмосфере Земли. Около 2% поступающей на Землю солнечной энергии превращается в энергию ветра. Ветер - очень большой возобновляемый источник энергии. Его энергию можно использовать почти во всех районах Земли. Получение электроэнергии от ветроэнергетических установок является чрезвычайно привлекательной, но вместе с тем технически сложной задачей. Трудность заключается в очень большой рассеянности энергии ветра и в его непостоянстве.
Принцип действия ветровых станций прост: ветер, действуя на лопасти установки, вращает ротор, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор вырабатывает электрическую энергию, и, таким образом, энергия ветра превращается в электрический ток.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) – устройство, которое превращает энергию поступательного движения ветра в электрическую энергию.

Первая ветроэнергетическая установка (или, как иногда принято называть, ветрогенератор) был сконструирован для зарядки аккумуляторных батарей в 1887 г. Джеймсом Блитом (James Blyth) в Шотландии. Первая электроустановка в США была построена на следующий год Чарльзом Бращем (Charles F Brush) в г. Кливленде (Огайо), а в 1908 г. было смонтировано уже 72 ветроэнергетические установки от 5 до 25 кВт.

Первая автоматическая ВЭУ в Кливленде была 18 м высотой, имела массу 3,6 тонны и приводила в движение 12-киловаттный генератор.

Термин "ветроэнергетическая установка" более точен в отношении этих устройств, т.к. термины "ветряк", "ветрогенератор" означают фактически обратное действие - генерацию ветра. ВЭУ же наоборот, за счет ветра генерирует электроэнергию. Часто эти агрегаты называют "ветроэлектрическая установка", "ветроустановка" или "ветрогенерирующая установка".

Сегодня существует множество разных типов ветроустановок, из которых двумя основными являются:

горизонтально-осевые (с горизонтальной осью вращения):

и вертикально-осевые (с вертикальной осью вращения):

Ротор ветроэнергетической установки (ветро-ротор, ветроколесо) – устройство, которое превращает энергию поступательного движения ветра во вращательное движение ротора установки. Т.е. когда ветер дует, ротор установки вращается.

Ротор ГРЦ-Вертикаль напоминает геликоидную турбину Горлова, одну их самых эффективных конструкций в мире, и фактически получается из нее путем спрямления лопастей по вертикали. Такое "отехнологичивание" серьезно удешевляет цену изделия и сам технологический процесс производства.

Видео превращения геликоидной турбины в отехнологиченную версию 6 лопастей (250 Кбайт).
Видео превращения геликоидной турбины в отехнологиченную версию 3 лопасти (270 Кбайт).

Ступица ветроэнергетической установки – сооружение, на котором смонтирован ротор установки с лопастями. Внутри ступицы находится генератор, подшипники и некоторые другие агрегаты ветроустановки.

Аэродинамические тормоза - устройства, расположенные в горизонтальной плоскости и представляющие собой дополнительные крылья-лопасти, которые при скорости вращения ротора, менее номинальной, участвуют в создании полезной мощности, а при скорости выше номинальной создают тормозящий эффект и тем самым стабилизируют скорость вращения ротора, не давая ему идти "вразнос". Ряд версий ВЭУ, выпускаемых ГРЦ-Вертикаль, по другому стабилизирует скорость вращения.

Видео о работе аэродинамических тормозов (100 Кбайт).

Магнитный подшипник ветроэнергетической установки – устройство, которым может комплектоваться ротор ветроустановки. В этом случае, за счет противонаправленного магнитного поля магнитов, ротор ветроустановки висит в воздухе (эффект левитации) и удерживается от радиального биения только радиальными механическими подшипниками. Учитывая отсутствие торцевых подшипников, срок службы ротора несколько возрастает. Стоимость такого устройства обычно равна стоимости генератора. Однако практика показывает, что современные подшипники работают в течение времени морального устаревания установки (т.е. 15-20 лет) и с успехом заменяют магнитный подшипник в плане износа. Учитывая дешевизну механического подшипника и дороговизну магнитов, применение магнитной левитации весьма ограничено. Ко всему прочему магнитный подшипник помогает лишь незначительно снизить уровень вибрации от ротора ВЭУ, т.к. основной вклад в вибрационную составляющую дает генератор.

Генератор ВЭУ – устройство, преобразующее вращательное движение ротора ветроустановки в электрическую энергию. Простейший генератор состоит из обмотки и магнитов. За счет прохождения витка обмотки в магнитном поле в проводнике генерируется электрический ток, который по проводам передается на выходные клеммы генератора.

Существуют различные типы генераторов. Наиболее распространенные в применении в составе ВЭУ:

• - Магнитоэлектрические генераторы, которые на выходе выдают переменное напряжение в зависимости от меняющейся скорости ротора (или ветра). Для использования в быту таким генераторам требуется электронный регулятор, который бы преобразовывал быстро меняющееся напряжение в постоянное или переменное синусоидальное.
• - Генераторы с комбинированным возбуждением (от постоянных магнитов и обмотки возбуждения), которые на выходе выдают постоянное напряжение за счет стабилизации его с помощью обмотки возбуждения (как это реализовано в обычном автомобиле, где при разных оборотах коленвала напряжение держится стабильное). Для использования в быту с целью обогрева, работы приборов 12, 24, 48, 96 вольт постоянного тока регулятор не требуется.
• - Асинхронные многополюсные генераторы, которые, будучи подключены к сети переменного тока, потребляют реактивную энергию из сети и отдают активную в сеть, при этом самостоятельно синхронизируя свою частоту с частотой сети. Этот тип генераторов можно использовать только для «закачивания» энергии в сеть.

Шум и вибрации генератора присущи каждой ветроустановке в той или иной степени. Для снижения шума и вибраций применяют виброгасители, виброразвязки.

Электронный регулятор или контроллер – устройство, превращающее переменное напряжение генератора разной частоты, фазы и амплитуды в напряжение постоянного тока.

Мачта ветроэнергетической установки – сооружение, на котором смонтирована ступица установки. для ее монтажа необходимо провести предварительные бетонные работы на планируемой площадке в зоне отчуждения (т.е. где работа ВЭУ будет безопасна для окружающих). Мачты бывают нескольких типов:

• - Труба. Мачта состоит из последовательно соединенных фрагментов труб. Как правило, для удержания мачты требуются растяжки из троса или стальных прутков.
• - Труба с переменным диаметром. Необходимы подготовительные фундаментные работы для сооружения базы, на которую устанавливается мачта. Иногда используются растяжки.
• - Ферма. Требуются фундаментные работы. Растяжки не требуются.

Инвертор – устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное постоянной частоты. Например, 24 (48 или 96) вольт постоянного тока в 220 вольт переменного тока с частотой 50 Гц с помощью выделения определенной полосы напряжений с последующей нарезкой импульсов. Инверторы выдают:

• - Прямоугольный чередующийся знакопеременный импульс. Такие инверторы являются самыми дешевыми ($100/кВт) и могут быть использованы для питания большинства приборов бытовой техники. Однако, например, при использовании электродрели она будет греться. Для работы ряда стиральных машин с серьезной системой управления использование таких инверторов недопустимо.
• - Квазисинусоида. Такой импульс напоминает обычную синусоиду, но с небольшими зубцами. Эти приборы не очень дорогие ($250/кВт), но позволяют питать практически все бытовые приборы, за исключением высокотехнологичной измерительной техники и т.п.
• - Синусоида. Эти приборы дорогие ($1700/кВт) и используются, как правило, в промышленности для питания высокочувствительного оборудования.

Аккумуляторная батарея – устройство, позволяющее запасать электрическую энергию. Ее можно заряжать постоянным током (не более 10% от номинальной емкости). Например, автомобильный аккумулятор емкостью 75 Ампер-часов можно заряжать максимальным током 7.5 Ампер.

Соединительные провода – провода, которыми соединены все приборы между собой. По некоторым проводам течет электрический ток, который опасен для жизни. По другим проводам передаются сигналы от датчиков на электроприборы.

Дизель-генератор (бензо-генератор) – устройство, потребляющее бензин и выдающее напряжение. Как правило, такие генераторы выдают напряжение 220 В переменного тока частотой 50 Гц.

Коммутирующий контроллер – устройство, которое «выбирает», откуда подать электроэнергию для потребителя – от ветроустановки, аккумулятора, сети или дизель-генератора. В нашем случае при работе ветроустановки энергия потребляется от нее. При отсутствии ветра или повышенном потреблении энергия «вычерпывается» из аккумуляторных батарей. При разрядке батарей питание поступает либо из сети, либо от дизель-генератора, по желанию потребителя.

Монтаж ветроэнергетической установки – комплекс мероприятий по установке и подключению ветроустановки в соответствии с требованиями заказчика.

Для осуществления монтажа ветроустановки необходимо провести соответствующие фундаментные работы на специально отведенной площадке (см. Продукция - Ветроустановки - Требования к площадке).

Дилер по продаже ветроустановок по отдельному договору за дополнительную плату монтирует ветроустановку мощностью 3-5 кВт с помощью трех дополнительно устанавливаемых мачт за 8-16 часов. Наличие крана существенно уменьшает работу до 2-3 часов.

Монтаж можно осуществить самостоятельно согласно инструкции по установке с помощью подъемного крана с вылетом стрелы согласно требуемой высоте мачты или иных подъемных устройств.

Если установка монтируется без мачты (на крыше дома, осветительной вышке и т.п.), то монтаж может быть проще или сложнее в зависимости от местных условий. На осуществление такого монтажа необходимо получение разрешения в соответствии с нормативами.

Мощность – величина, показывающая, какая работа произведена в единицу времени, или какая выработана энергия за то же время.

Т.о. выражение «мощность установки 3 киловатта» означает, что если такая мощность вырабатывается ветроэнергетической установкой в течение 1 часа, то потребитель получит 3 кВт-часа электроэнергии. А цену киловатт-часа знают все люди, оплачивающие счета за энергию.

Мощность установки – величина условная. При выборе нельзя полагать, что ветроустановка мощностью 3 кВт будет выдавать постоянно 3 киловатта.

Согласно стандартам разных стран мощность ветроэнергетических установок определяется на скорости ветра 10.4, 11 или 11.2 метров в секунду, в зависимости от страны. Это и считается номинальной мощностью, которая сообщается производителем установки покупателю.

Т.о. если скорость ветра ниже указанной величины, ветроустановка выдает меньшую мощность. Например, 3 кВт ветроустановка при различных скоростях ветра выдает следующую мощность по кубической зависимости:

Мощность, выдаваемая ВЭУ-30 (30 кВт), будет примерно в 10 раз больше. Мощность, выдаваемая ВЭУ-300, будет примерно в 100 раз больше и т.д.

Можно и на меньшей скорости ветра получить желаемую мощность, увеличив габариты ветро-ротора (ветроколеса). Приведенная ниже таблица показывает, как "растет" высота и диаметр ротора 3-кВт-ной ветроустановки при снижении скорости ветра, принимаемой условно за "номинал", т.е. скорость, на которую рассчитывается или подбирается ветроустановка для данного региона.

Из таблицы видно, что чем ниже принята номинальная скорость ветра для 3-кВт-ной ВЭУ, тем ниже скорость вращения ротора, а значит, для выработки необходимой номинальной мощности должны быть больше габариты, что, соответственно, влечет рост цен всех комплектующих и ветрогенератора в целом. Например, для номинальной скорости ветра 5 м/с ветро-ротор 3-кВт-ной ветроустановки должен иметь габариты фактически 30-кВт-ной.

При снижении номинальной скорости ветра встает проблема защиты ветроустановки от ветро-перегрузки. Ведь если установка рассчитана на скорость ветра 7 м/с, а реальный ветер составит 10 м/с, ветроустановка выдаст мощность, серьезно превышающую номинальную, что приведет к выходу из строя электрооборудования (инвертора и т.д.). Чтобы это не произошло, скорость можно стабилизировать аэродинамическими тормозами или подобрать более мощное электрооборудование.

Уменьшить габариты ветрогенератора при одной и той же номинальной мощности, можно за счет применения редуктора (мультипликатора), который увеличит скорость вращения ротора генератора (а значит и мощность) до необходимой. При этом необходимо помнить, что у редуктора есть КПД. Например, у шкиво-ременной передачи коэффициент полезного действия равен 85-90%. Т.е. за счет него мощность упадет на 10-15%.

Производимый ряд мощностей ветроустановок ГРЦ-Вертикаль (1, 3, 30, 55 кВт) был подобран согласно социологическим и маркетинговым исследованиям, проведенным в России и США в 2004-2006 гг. В частности, ВЭУ мощностью до 1 кВт служат для портативного использования. Мощность 3-5 кВт пользуется неизменной популярностью в плане индивидуального применения. Разрыв ряда от 3 до 30 кВт продиктован отсутствием серийно производимых инверторов. Ряд заканчивается мощностью 55 кВт, т.к. свыше 60 кВт ВЭУ являются, как правило, прмышленными и требуют особого рассмотрения с точки зрения как техники, так и экономики.

Мощность инвертора – величина, показывающая максимальную мощность, которую может получить потребитель или более которой подавать на прибор нельзя.

Энергоотдача ветроустановки – величина условная и разная для разных регионов и людей.

Например, при среднегодовой скорости 6 м/сек ветроустановка 3 кВт выдает 700 Вт, или 0.7 кВт в час, или 16.8 кВт-часов в сутки, или 504 кВт-часов в месяц. Что это такое?

Средняя семья потребляет 400 кВт-часов в месяц, или 13.3 кВт-часа в сутки, или 0.56 кВт в час.

На первый взгляд кажется, что установка 3 кВт, выдавая 0.7 кВт, полностью соответствует энергопотреблению семьи, которая потребляет даже меньше – 0.56 кВт. Однако это не совсем так. Ведь люди днем и ночью почти не тратят электроэнергию (работает сигнализация, небольшие осветительные приборы, слаботочная электроника, часы и т.п. на общую мощность 0.1 – 0.2 кВт). И наоборот, утром и вечером энергопотребление достигает «пика» и может составить 10 кВт. Как быть? Ведь инвертор не выдержит перегрузки. Варианты решения:

• - Бережное отношение к потреблению электроэнергии. Например, не надо включать одновременно стиральную машину, микроволновую печь и пылесос, чтобы потребление не превысило величины, которая указана в паспорте инвертора. Подсчет количества подключаемых приборов может быть произведен на основании данных их паспортов или руководств по эксплуатации.
• - Покупка аккумуляторных батарей в количестве, необходимом для пикового энергопитания. При этом потребуется покупка более мощного инвертора. Количество батарей и мощность инвертора может быть подсчитана путем сложения мощностей приборов, которые предполагается использовать одновременно, согласно их паспортам.
• - В случае нежелания экономить – покупка более мощной ветроустановки. Надо иметь в виду, что в этом случае в течение дня и ночи электроэнергия будет вырабатываться в избытке, который можно использовать в различных целях по желанию владельца (например, освещение, полив, перекачка воды, охрана, а по согласованию с местным представителем энергетической компании – закачивать электроэнергию в местные электросети).

КПД (эффективность) ветроустановки - величина, показывающая, какую часть энергии ветра использует установка.

Например, если энергия ветра изначально была 100%, а ветроустановка использовала только 40%, потери в генераторе составили 15% (т.е. КДП генератора составило 85%), потери в электронном регуляторе на тепло составили еще 15% (т.е. 85%), далее потери в проводах 5% и в инверторе 15%, то общий КПД системы можно найти, перемножив все КПД всех приборов, участвующих в преобразовании энергии ветра в электрическую.

В нашем случае это будет: КПДвэу х КПДгенератора х КПДэл.рег. х КПДпровод. х КПДинверт. =

=0.4 х 0.85 х 0.85 х 0.95 х 0.85 = 0.23 (или 23%). Это и есть количество электрической энергии, которое будет получено от 100% энергии ветра.

Нетрудно догадаться, что чем ниже КПД, тем больших размеров ветроустановку нужно иметь, чтобы получить одно и то же количество электроэнергии. И наоборот, чем КПД каждого прибора выше, тем меньше (а значит, и дешевле) установку можно поставить для получения того же количества энергии.

В характеристиках ВЭУ обычно указывают мощность на выходе ветроустановки (т.е. на выходе генератора или электронного регулятора). Данная мощность характеризуется в свою очередь определенным напряжением постоянного тока. Например, если указывается мощность ВЭУ 3 кВт, это означает, что на выходе электронного регулятора ВЭУ будет действительно 3 кВт. Но до потребителя мощность такая не дойдет! В приведенном выше типичном примере общий КПД инвертора и проводов составил 0.85 х 0.95 = 0.8 (или 80%). Т.о. потребитель получит 3 кВт х 0.8 = 2.4 кВт. Это всегда необходимо иметь в виду при подсчетах количества требуемой электроэнергии.

Максимальный расчетный (теоретический) КПД ветро-ротора согласно "пределу Лончестера-Бетца" (Lanchester-Betz limit) составляет 16/27 или 59.3%.

Реальный КПД горизонтально-осевых ветроустановок может составлять 20-30% из-за необходимости ориентировки на ветер. Реальный КПД вертикально-осевых установок (типа Дарье) составляет 35% и более благодаря отсутствию необходимости ориентировки на ветер.

Расчетный КПД установок ГРЦ-Вертикаль - 42% и это не предел. Расчет проводился по импульсно-вихревой теории, модифицированной в Государственном Ракетном Центре (КБ им. В.П.Макеева). Реально подтвержденная величина составила 38% на испытаниях моделей, проведенных в водном канале Новосибирской Государственной Академии водного транспорта.

Цена ветроустановки - совокупность цен комплектующих. Для каждого потребителя комплектующие разные как по набору, так и по мощности. При предложении "базового комплекта" необходимо уточнить, что входит в базовый комплект. Комплектующие, необходимые для работы ВЭУ, как правило, включают в себя ротор со ступицей, генератор, регулятор с выходом 24 или 48 постоянного тока, инвертор 24 или 48В / 220В / 50Гц, аккумуляторные батареи в необходимом для стабилизации напряжения количестве (2 шт для 24В, 4 шт для 48В и т.д.), механический тормоз для стопорения установки, комплект проводов, шкаф для хранения электрооборудования, молниеотвод (громоотвод). Однако "базовая стоимость" может трактоваться и иначе, т.о. в любом случае необходимо уточнять список комплектующих, входящих в нее.

Как правило, в цену не входит монтаж. Однако его стоимость является существенной (до 10-20% от стоимости ВЭУ), т.к. включает бетонные работы, монтаж на высоте с привлечением опытных квалифицированных монтажников, а также другие работы, связанные с проведением электропроводки согласно существующим ГОСТам и нормативам.

Окупаемость ветроустановки – величина очень условная и зависит от региона, условий эксплуатации установки, и т.д.

Например, исходные данные следующие:

• базовая стоимость установки мощностью 3 кВт с учетом монтажа составила 250 тыс. руб.
• среднегодовая скорость ветра в регионе 6 м/сек (реальная средняя мощность установки 0.7 кВт).
• стоимость 1 кВт-часа местной энергетической компании составляет 2 руб.

Тогда, если ветроустановка выдает 0.7 кВт в час, или 16.8 кВт-часов в сутки, или 6132 кВт-часов в год, что составляет экономию 6132 кВт-час х 2 руб = 12264 руб. в год.

Нетрудно подсчитать, что такая ветроустановка окупится за 250000 руб / 12264 руб = 20 лет.

А если же при таких же данных стоимость кВт-часа составляет 16 руб (например, в труднодоступных районах, куда завозят дизельное топливо), тогда окупаемость установки произойдет за 2.5 года. А если еще и ветер в этом месте имеет среднегодовую скорость не 6, а хотя бы 7 м/сек, то нетрудно посчитать, что установка окупится за 1.5 года.

Тем не менее, нельзя забывать, что ветроустановка требует периодического технического обслуживания, что в труднодоступных регионах сложнее и, значит, дороже. Данные затраты можно легко подсчитать, взяв цифры из таблицы цен.

Обслуживание ветроустановки – комплекс мероприятий по техническому обслуживанию компонентов установки. Ветроэнергетическая установка представляет собой сложный агрегат и, как каждая машина, нуждается в периодических технических осмотрах, обслуживании, а иногда и ремонте. Установки ГРЦ-Вертикаль в умеренном континентальном климате требуют обслуживания один раз в 1-3 года (в течение 1-ого года чаще, но силами потребителя в связи с простотой работ). Обслуживание, проводимое силами местных специалистов, стоит в обычных условиях $200-500 за 1 кВт мощности, в зависимости от расположения установки. Между поставщиком установки и владельцем может быть заключен договор о периодическом техобслуживании. Т.о. ветроэнергетическая установка, как любой сложный механизм, требует периодического обслуживания, как, например, автомобиль.

Безопасность ветроустановки – свод данных, характеризующих параметры установки, относящиеся к механической, электрической и экологической безопасности. Установки ГРЦ-Вертикаль полностью удовлетворяют всем нормам международных технических требований. Кроме того, в отличие от горизонтально-осевых установок они не производят паразитные низкочастотные электромагнитные колебания. Уровень шума ветроустановок находится в пределах 50 Дб на расстоянии 10 метров, что удовлетворяет Требованиям Ллойда.

Вибрация – гармонические или негармонические колебания элементов ветроустановки. Вибрация - один из самых главных параметров ветроустановок, который оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Вибрационные колебания возникают в большинстве случаев из-за статического дисбаланса ротора, т.е. смещения его центра масс в пространстве за счет разницы масс лопастей, сегментов колец, траверс и т.д. и представляют так называемую "общую вибрацию". Вибрация может возникнуть благодаря образованию наледи на лопастях, попаданию воды, снега или льда в лопасти и другие элементы установки, что вызывает динамический дисбаланс ротора. За счет дисбаланса возникают вибросмещения элементов установки, которые разрушительно действуют на конструкцию и могут быть причиной шума, инфра и ультразвука. Если частота вибрационных колебаний или одна из гармоник негармонических вибрационных колебаний совпадет с собственной частотой компонента установки и/или сооружения, на котором установлена ветроэнергетическая установка, возможно наличие резонанса, который может привести к разрушению как установки, так и сооружения. Вибрации устраняются балансировкой ротора.

Балансировка ротора – предэксплуатационная, эксплуатационная или автоматическая. Предэксплуатационная балансировка (в том числе и полевая) производится на этапе научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок, перед монтажом и после монтажа перед вводом в эксплуатацию. Эксплуатационная балансировка во время работы установки производится редко, т.к. является трудоемкой и дорогостоящей. Автоматическая балансировка обычно применяется только в крупных установках, от 500 кВт и выше в связи с дороговизной системы управления.

Гарантийный срок службы ветроустановки – время работы ветроэнергетической установки, в течение которого производитель гарантирует работу установки и обязуется производить ремонт за свой счет, о чем владельцу выдается соответствующее свидетельство. Как правило, этот срок составляет 1-3 года.

Срок службы ветроустановки – время работы ветроэнергетической установки, в течение которого техобслуживание и ремонт производятся за счет владельца установки. Установки ГРЦ-Вертикаль рассчитаны на минимум 20 лет. Ряд комплектующих служит до 50 лет.

Ветро-парк (ветро-ферма) - ряд ветроэнергетических установок, расположенных на одной территории и объединенных одной электрической инфраструктурой.