Введение. 
Анализ состояния ветроэнергетики в России

В.1 Анализ состояния ветроэнергетики в России.

В настоящее время выделяют «традиционные» виды альтернативной энергии: энергия Солнца и ветра, морских волн и горячих источников, приливов и отливов. На основе этих природных ресурсов были созданы электростанции: ветряные, приливные, геотермальные, солнечные.

Рассмотрим подробнее ветроэнергетику, а также её состояние в России и мире в целом. ветроэнергетика статор электрический Во многих частях света, энергия ветра готова стать одним из основных источников энергии. Рост установленных ветроэнергетических мощностей долгое время поддерживался за счет проблемы глобального изменения климата, в основном в развитых странах мира и, особенно, в Европе.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) предназначена для генерации электрической энергии, т. е. преобразования энергии потока воздуха (ветра) в электрическую.

Энергия ветра стала одним из самых привлекательных решений мировых энергетических проблем. Она экологически чиста и повсеместно распространена, и, более того, способна составить конкуренцию ископаемому топливу, такому как газ и уголь, с которыми в настоящее время наблюдается паритет. Так, по данным ежегодного журнала «renewebels», цена за 1 кВт ч энергии, произведенной ВЭУ наземного исполнения, колеблется в районе 5−9 американских центов, а себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях — от 4 до 6 центов за кВт ч.

За 2010 год было введено 40 ГВт ветроэнергетических мощностей во всем мире, а инвестиции в сектор возобновляемой энергии достигли 211 миллиардов долларов США. Странами-лидерами в области ветроэнергетики являются Китай, увеличивший мощность установленных ветроэнергетических мощностей за 2010 год на 18,9% до 45 ГВт, США на 5,1% до 40 ГВт, Германия на 1,5% до 28Гвт, Испания на 1,8% до 20 Гвт, Индия на 1,3% до 12 Гвт. Для сравнения, Российская Федерация, стоящая на первом месте в мире по запасам ветроэнергетических ресурсов, в период с 2007 по 2010 годы не ввела в строй ни одной ВЭУ, а общая установленная мощность составила 16,5 МВт, что составляет 0,008% от электрогенерирующих мощностей РФ (220 ГВт). Однако, надо признать, что данная ситуация обусловлена не только преобладанием в структуре топливно-энергетического баланса страны традиционной топливной энергетики (газ-53% совокупного потребления энергии и нефть 18,9%, около 18% энергобаланса приходится на долю твердого топлива (угля и пр.)), но и ещё одним не менее важным фактором: специфическими ветровыми условия России, отличающимися своей относительно низкой среднегодовой скоростью, нестабильностью и порывистостью, по сравнению с ветрами стран Европы и Америки.

Применение, в таком случае, классического трехлопастного ветроколеса, используемого большинством европейских и российских производителей, сужает область применения ВЭУ из-за возможности их эффективного использования только в прибрежных районах, которые составляют порядка 25% площади страны. На остальной территории, где среднегодовая скорость ветра составляет 5 м/с, использование ВЭУ с данной конструкцией ветроколеса является низкоэффективный и неконкурентоспособным. В результате, по экспертным оценкам неосвоенными остаются ветровые ресурсы с техническим потенциалом не менее 4000 млрд. кВтч/год (по некоторым оценкам — 6000 млрд. кВтч/год). Россия — одна из самых богатых в этом отношении стран. Самая длинная на Земле береговая линия, обилие ровных безлесных пространств, большие акватории внутренних рек, озер и морей — все это наиболее благоприятные места для размещения ветропарков. Важность развития ветроэнергетики в нашей стране определяется тем, что 70% территории России, где проживает 10% населения, находится в зоне децентрализованного энергоснабжения, которая практически совпадают с зоной потенциальных ветроресурсов (Камчатка, Магаданская область, Чукотка, Сахалин, Якутия, Бурятия, Таймыр и др.). Также не менее перспективными регионами для развития ветроэнергетики являются:

Поволжье, Урал, Юг, Северо-Запад. Внедрение новых ветроэнергетических мощностей происходит в России достаточно медленными темпами: на конец 2005 года их было — 14 МВт, 2006 — 15,5 МВт, 2007 — 16,5 МВт. В среднем темпы прироста составляют 8% в год, это один из самых низких показателей в мире (в Китае он составляет —60%, США ~30%, Испании ~20%). К настоящему моменту в России представлено около 10 крупных ветропарков, на долю которых приходится около 90% суммарной мощности. Кроме того функционирует около 1600 малых ВЭУ, мощностью от 0,1 до 30 кВт. Стоит отметить, что установка практически всех ветропарков относится к 2002—2003 годам. В последние же годы, увеличение мощностей происходит в основном за счет маломощных индивидуальных энергосистем, объем реализации, которых превышает 250 ветроэнергетических установок (мощностью от 1 кВт до 5 кВт).

Всё же, Правительством Российской Федерации неоднократно сформулирована необходимость увеличения числа разработок в сфере возобновляемых источников энергии, в качестве приоритетного направления развития энергетики страны (распоряжением правительства РФ от 13 ноября 2009 года № 1715-р была утверждена новая Энергетическая стратегия России на период до 2030 года). Тем не менее, как уже отмечалось выше, сегодня ветроэнергетика в России находится в состоянии крайне слабого развития.

Юг России, по мнению экспертов, — один из наиболее перспективных регионов для развития нетрадиционной энергетики. В Краснодарском крае и Северокавказских республиках в качестве ВИЭ (Возобновляемые Источники Энергии) могут применяться гидроэнергетические установки, использующие энергию малых рек и ручьев, солнечные системы электрои теплоснабжения, ветроэнергетические установки. В Ставропольском крае — запасы геотермальных источников.

Что касается ВЭУ, то следует разделять задачи крупной и малой ветроэнергетики. «Процветание» малой ветроэнергетики возможно в желтой и синей зонах (так называемые зоны малых ветров) на карте ветроресурсов России.

Рис. В.1

Также, в последнее время, наметилась ещё одна свободная и перспективная для размещения ветрогенераторов территория — арктические широты (Крайний Север). Более того, на недавнем съезде Всемирного совета по ветроэнергетике (12.11.2010г.), его генеральный секретарь, Стив Сойер, заявил, что Россия могла бы делать ветряки для этой территории. Тем временем энергомашиностроительный холдинг ОАО «Атомэнергомаш» заявил о планах по началу производства ветрогенераторов в РФ в сотрудничестве с международным технологическим партнером к 2012 году. Отвечая на вопрос, какие иностранные компании первыми придут на российский рынок ветроэнергетики, после того как будет создана необходимая для рынка законодательная база, Сойер назвал датскую компанию Vestas (крупнейший производитель ветряков в мире) и немецкую Siemens. Вслед за ними на российский рынок, который считается весьма перспективным, придут все основные игроки. «Мировой рынок ветротурбин сейчас перенасыщен, на нем низкие цены. Это также означает, что производители агрессивно ищут новые рынки сбыта. Все знают, что российский рынок, после того как он откроется, может быть огромным» , — отметил генеральный секретарь. [22].

Таким образом, из всего вышеизложенного можно сделать два вывода: отрицательный — строительство крупных ветропарков, благоприятные условия для работы которых в прибрежной зоне, вестись не будет, в связи с отсутствием финансирования; положительный — 70% территории России — зона малых ветров, являющаяся благоприятной зоной для размещения ветроустановок малой мощности, которые, в свою очередь, способны выполнять две актуальные задачи:

• 1) подпитку производств, работая параллельно с энергосистемой;
• 2) питание потребителя, работая отдельно от сети (автономно);

В.2 Область применения проектируемого генератора.

Классификация ветроустановок.

В настоящее время, в области ветроэнергетики существует крайне большой объём исследований и разработок, который непрерывно увеличивается из-за повышения спроса на альтернативные источник энергии. В связи с этим система классификации данного вида устройств имеет разветвлённый характер по множеству признаков. Согласно ГОСТ Р 51 990 — 2002 «Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Классификация», ВЭУ классифицируют следующим образом:

• — по виду вырабатываемой энергии;
• — по мощности;
• — по областям применения;
• — по назначению;
• — по признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса;
• — по способам управления;
• — по структуре системы генерирования энергии;
• — от оси вращения;
• — по признаку сетей (автономность);
• — от типа мачт;
• — от типа используемого генератора.

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 (водоснабжение, подъем воды, осушение) и ветросиловые (механизация трудоёмких процессов сельскохозяйственных и других видов работ).

Электрические ВЭУ:

• — постоянного тока подразделяют на три подгруппы: ветрозарядные (работа на заряд аккумуляторных батарей (АБ)), гарантированного питания (работа параллельно с АБ) и негарантированного питания (работа без АБ).
• — переменного тока подразделяют по назначению (автономные, совмещенные с независимыми электростанциями малой мощности, совмещенные с сетью бесконечной мощности), управлению (в зависимости от комбинаций регулирования частоты вращения ветроколеса с применением преобразователя частоты) и структуре системы генерирования энергии. В ВЭУ переменного тока, как правило, используется два типа машин:
• — Синхронный генератор;
• — Асинхронный генератор.

Генераторы с применением редкоземельных магнитов, получившие в последнее время широкое применения, представляют собой разновидность синхронных машин. Присутствие обоих типов генераторов обусловлено отсутствием явно выраженных преимуществ одного над другим.

Кратко рассмотрим отличие синхронной от асинхронной машины в режиме генератора.

Синхронный генератор. Имеет сравнительно простую схему включения для работы параллельно с энергосистемой.

Недостатком применения синхронной машины является то, что при определенных ветровых условиях она может переходить на работу в режим двигателя и потреблять энергию из энергосистемы, а при резких порывах ветра появляется большая вероятность выпадения ее из синхронизма, чего не будет в данной ситуации при использовании асинхронной машины.

Кроме того, последующая синхронизация машины и подключение ее к энергосистеме являются сложным процессом. У сложных и дорогих систем синхронизации с сетью этот процесс занимает от 10 до 15 минут.

Асинхронный генератор.

Асинхронная машина, вращающаяся с частотой большей, чем синхронная частота, работает как генератор.

Но использование в ВЭУ асинхронной машины имеет два следующих недостатка: при одном и том же ветровом режиме, данный тип электрических машин вырабатывает меньше энергии, чем синхронная машина; данный тип машин работает с меньшим коэффициентом мощности (cos (p), обусловленным большим током намагничивания. Но AM является более дешёвой и простой по конструкции, нежели синхронная машина. К тому же в случае использования асинхронной машины допускается большая разница частот вращения ветроколеса. Говоря о ветре, например, можно сказать так: при разности скоростей ветра в течение часа от 5 до 10 м/с, использование AM возможно, СМ без дополнительного преобразователя — нет. Разработки сетевых, автономных и смешанных ВЭУ переменного тока выражаются в принципах функционирования. Сетевые ВЭУ передают полученную электроэнергию в общую линию электропередачи. Владелец таких ветрогенераторов не получает электричество от своих ветряков.

Через показания электросчётчика, измеряющего переданную энергию, получает от сетевой электрокомпании деньги. Сам владелец получает электричество из обычных электросетей.

Данная практика широко распространена в Европе и Северной Америке. В автономных системах энергия от ВЭУ через контроллер заряда питает аккумуляторные батареи, напряжение которых в последствии преобразуется в переменное с параметрами бытовой сети.

В зависимости от типа мачт ветрогенераторы могут быть классифицированы следующим образом :

• — Мачты с поддержкой тросами. Они наименее дороги, но тросовые растяжки занимают много места. Они могут быть легко подняты и опущены для легкого обслуживания и ремонта. Достичь максимальной высоты наиболее легко именно с таким типом мачты (для малых ВЭУ).
• — Независимые мачты-башни, у которых нет тросов. Эти башни имеют тенденцию быть самыми тяжелыми и самыми дорогими, но т.к. они не требуют тросов, они не занимают так много места (средние и крупные ВЭУ). Также существует разделение ВЭУ по конструкции ветроколеса. Основные типы могут быть классифицированы в следующие группы:

ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые с жесткой и гибкой лопастью). На рисунке В.2 — позиции 2−5;

— Ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные, лопастные и ортогональные). На рисунке 5- позиции 1 — 6.

Рис В.2. Типы ВЭУ по ветроколесу

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения. У карусельных — намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра. На рисунке В.3 представлены аэродинамические характеристики различных ветроколёс.

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных.

Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора или с использованием его в тихоходных средних и малых ВЭУ.

Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех считаются неэффективными на высоких скоростях.

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с крыльчатыми. 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.

Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за ветром. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы.

Ортогональные ветроагрегаты перспективны для большой энергетики. Для нормальной работы данных ВЭУ, сначала к ней нужно подвести энергию — раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14… 16 м/с.

В.3 Базовая конструкция используемой ВЭУ с АД.

Для используемой ветроэнергетической установки в данном дипломном проекте рассчитывается асинхронный двигатель мощностью 10 кВт с уклоном на генераторный режим работы. Мощность выбрана из стандартного экономически обоснованного ряда (5кВт, 10кВт, 15кВт, 30кВт). АГ проектируется по методике И. П. Копылова, с наилучшим использованием активных материалов. Основной режим работы машины — подпитка производств средних мощностей, то есть режим параллельной работы с сетью. Для перевода асинхронной машины в режим генератора достаточно асинхронный двигатель, включённый на напряжение сети, развернуть с помощью приводного механизма (в данном случае ветроколеса) в направлении вращения магнитного поля до сверхсинхронной частоты вращения.

Необходимо выделить следующее:

• 1. Для ветроустановок малой мощности выгоднее проектировать асинхронный генератор, т.к. его стоимость ниже, чем у синхронного. При этом АГ обеспечивает простую синхронизацию с сетью.
• 2. Номинальная частота вращения разрабатываемого АГ должна лежать в диапазоне от 1400 до 1600 об/мин.
• 3. Номинальное выходное напряжение генератора должно соответствовать стандартному ряду номинальных напряжений для промышленных объектов. Наиболее часто используемой для малых производств является трёхфазная сеть с напряжением 380 В;
• 4. Условия эксплуатации АГ накладывают на его исполнение требования, согласно которым машина должна соответствовать следующим требованиям:
  • * Персонал защищён от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями предметов толщиной более 1 мм;
  • * Машина защищена от попадания внутрь твёрдых тел толщиной более 1 мм;
  • * Способ охлаждения ICO 141 (закрытая машина, обдуваемая наружным вентилятором, расположенным на валу машины);
  • * Машина предназначена для эксплуатации на суше для всех макроклиматических районов (общеклиматическое исполнение);

Основным режимом работы генератора является продолжительно — кратковременный при параллельной работе с электросетью.