Ветроэнергетические установки: виды, конструкции, преимущества

Ветроэнергетика – далеко не новая отрасль энергетического обеспечения, однако в нынешних условиях она обретает все более выраженные черты перспективного направления для дальнейшего развития. Пока еще сложно говорить об универсальных концепциях технической реализации ветровых генераторов, но успехи в использовании отдельных инженерных решений дают основания полагать, что в скором будущем появится и единая унифицированная конструкционная модель. На данный же момент в мире используется несколько видов ветроэнергетических установок, каждый из которых имеет свои сильные стороны.

Общий принцип работы ветрогенераторов

Как и большинство современных альтернативных источников энергии, ветрогенератор функционирует за счет силы, действующей в результате естественного природного процесса. Речь идет о потоках ветра, образующихся в результате неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. Почти все ветрогенераторные установки работают по следующему принципу: воздушные потоки вращают колесо на специальном валу с лопастями, транслируя таким образом крутящий момент генератору или аккумуляторному блоку. В условиях стабильности и достаточной силы движения воздуха ветряки для выработки электроэнергии способны обеспечивать коэффициент полезного действия на уровне 45-50 %. Как раз непостоянством ветра и его силы обусловлено широкое многообразие конструкций ветрогенераторов, которые рассчитываются в том числе исходя из конкретных климатических условий применения.

В чем основные преимущества ветрогенераторов?

Оценивать эффективность работы ветряков можно как в сравнении с традиционными источниками энергии, так и на фоне генераторов, работающих на возобновляемых бесплатных ресурсах. Наиболее же выраженными преимуществами таких систем, которые и дают надежду на их успешное развитие в будущем, являются следующие факторы:

• Энергия ветра сама по себе не только возобновляема, но и доступна для аккумуляции и обработки.
• Экономическая выгода. Однозначных оценок относительно конкретных экономических показателей пока не может быть в силу многообразия систем, работающих с разной производительностью. Но можно говорить о выдающихся результатах, которые демонстрируют отдельные проекты. Например, сколько стоит киловатт электроэнергии от морского крупного ветряка? Речь может идти о диапазоне 2-12 руб. за 1 кВт·ч.
• Экологическая чистота. Работа ветрогенераторных станций не предусматривает вредных выбросов, загрязняющих атмосферу.
• Компактность. Установка ветряка даже в промышленном формате не может сравниваться с традиционными энергетическими станциями. Во многом это связано с автономностью и независимостью таких систем от вспомогательных коммуникаций и ресурсов.

Горизонтально-осевые генераторы

Конструктивная схема таких ветряков предусматривает наличие электрического генератора, редуктора, лопастей и башни со станиной. Конфигурация лопастей реализуется таким образом, что воздушные потоки попадают в воронку, создающую момент кручения. Важным условием работы таких ветряков для выработки электроэнергии является способность подстраиваться под характеристики движения потоков (направление и сила). Для этого конструкции обеспечиваются механизмами поворота и наклона лопастей по отношению к земной поверхности. В наиболее развитых моделях применяются и контроллеры с автоматическим управлением. Что касается реализации ветроколеса, то чаще в горизонтальных схемах применяется трехлопастная конфигурация. Причем в целях повышения производительности генераторов инженеры стремятся наращивать размеры функционально-приемной части, что, к примеру, объясняет и современную тенденцию перехода от пластика и легких металлов к дорогостоящим композитным элементам при изготовлении конструкций.

Вертикально-осевые генераторы

У таких генераторов есть весомое преимущество перед горизонтальными конструкциями, которое заключается в отсутствии необходимости дополнительных средств контроля и управления установкой. То есть в процессе работы ветряк с вертикальной осью никак не подстраивается под движение потоков. Эта особенность взаимодействия с воздушными массами одновременно снижает напряжение в лопастях ветрогенератора и сокращает гироскопические нагрузки. Генератор с редуктором, формирующие двигатель установки, могут располагаться в основании башни конструкции без рисков повреждения или выхода из строя. Но почему же при описанных достоинствах вертикальные установки не вытеснили полностью горизонтальные ветряки? К сожалению, у таких моделей есть и существенные минусы. Поскольку ветроколесо не ориентируется на потоки ветра и всегда работает в узком спектре диапазонов захвата энергии, то логично снижается и производительность генератора. Поэтому для поддержания достаточной мощности вертикальных ветряков требуется их массовое использование с охватом больших площадей, что не всегда возможно.

Конструкции на базе ротора Дарье

Ветроэлектрические генераторы с вертикальным устройством рабочего колеса базируются на схеме ротора Савониуса или Дарье. Но и в этой группе есть свои вариации и современные модификации. Наиболее перспективной разработкой последнего времени считается геликоидная турбина Горлова, созданная в 2001 г. Она является своего рода продолжением концепции ротора Дарье, но в более оптимизированном виде. Спиралевидные вертикальные лопасти позволяют вырабатывать энергию из потоков воды и воздуха при минимальной активности. Сегодня такие генераторы используются как на специализированных ветряных фермах, так и в составе гидроэлектростанций.

Ветрогенераторы с потокоусилителями

Тоже в некотором роде продолжение классических конструкций ветряков, но с поправкой на нынешние высокотехнологические условия эксплуатации. Модификации с потокоусилителями отличаются наличием одного или нескольких желобов, которые предназначены для концентрации воздушных потоков. Аэродинамические конусообразные элементы в виде тех самых желобов собирают потоки на большой площади, ориентируя их в одну точку направления и увеличивая тем самым скорость движения лопастной системы. Сложность использования ветроэнергетических установок с потокоусилителями заключается в том, что они требуют применения дополнительной элементной группы. Более того, добиться существенного повышения производительности в таких системах удается только за счет подключения вспомогательных источников энергии, что не всегда оправдывается экономически.

Безредукторные ветрогенераторы

В русле идеи конструкционной оптимизации появился и вариант ветроэлектрической установки, лишенной редуктора. Вместо него применяется кольцевой канал, обеспеченный внутренним металлическим стержнем. Это кольцо устанавливается вокруг роторного обода. Здесь же размещается группа магнитов, которая взаимодействует с металлическим стержнем, тем самым способствуя выработке тока. Производительность ветроэнергетических установок без редуктора с диаметром ротора порядка 200 см может достигать 1500 кВт·ч в год. Принципиальным преимуществом такой конструкции можно назвать снижение энергопотерь, естественно возникающих в работе генераторов, обеспеченных редукторами. Но за это достоинство приходится расплачиваться ограничениями скоростных режимов. Для того, чтобы установка вошла в оптимальный рабочий процесс, требуется скорость потоков не менее 2 м/с.

Особенности промышленных ветрогенераторов

Ветряки промышленного назначения имеют два принципиальных отличия – большие размеры и высокую энергетическую мощность. Из этих особенностей происходят как преимущества, так и недостатки станций такого типа. Что касается конструкции, то достаточно сказать, что высота современных промышленных ветряков может достигать 150-200 м, а мах лопастей – более 100 м. Для удержания столь массивной конструкции производятся масштабные строительные работы по устройству фундаментной площадки. Высокая мощность также требует усложнения функциональной инфраструктуры. Так, для управления процессом преобразования энергии применяются контроллеры ветрогенератора, обеспечивающие учет текущего заряда аккумуляторного блока. Кроме того, в электротехнической начинке таких установок предусматриваются инверторы и системы защиты от коротких замыканий.

Особенности бытовых ветрогенераторов

Простейшие ветряки можно не просто использовать дома, но и собирать вручную. Как правило, это малоразмерные установки высотой не более 10 м, способные работать на мощности 0,5-5 кВт. В качестве пассивного источника энергии для бытовых приборов или отдельных групп электротехнических устройств такой вариант себя вполне оправдывает. Впрочем, компактные ветроэнергетические установки в большом количестве сегодня применяются и крупными компаниями для питания производственных мощностей. На базе ферм мини-ветряков формируются достаточно производительные и надежные системы, которые могут конкурировать и с высокомощными одиночными генераторами.

Особенности морских ветрогенераторов

Популярность такого типа ветряков обусловлена несколькими преимуществами перед станциями, которые размещаются на суше. Главным образом речь идет о более стабильных условиях работы, так как в удалении от береговой линии потоки ветра не встречают препятствий. При этом конструкции ветроэнергетических установок морского типа делятся на две группы – опорные и плавучие. Первые устанавливаются на мелководье с классической опорой в грунте под водой. Плавучие станции, соответственно, имеют собственную плавающую платформу с фиксацией посредством якорей и других морских приспособлений.

Совмещение конструкций ветрогенераторов с каркасами зданий

Существует и весьма перспективная группа ветряков, которые буквально интегрируются в корпуса высотных зданий. Такое решение имеет два преимущества – выгодные условия для «приема» потоков и сокращение пути доставки электроэнергии, поскольку конечным источником снабжения обычно и выступают потребители внутри здания. На данный момент интеграция ветроэнергетических установок этого типа чаще производится с помощью специальных аэродинамических цилиндров, которые крепятся на крышах небоскребов. Также развивается и концепция мини-пропеллеров, которые и вовсе могут размещаться в любой части высокого строительного объекта. Устройства буквально интегрируются в стены, после чего подключаются к общей системе энергоснабжения, выдавая небольшой, но стабильный объем энергии.

Заключение

За последние годы интерес к ветрогенераторам существенно возрос в России. Периодически в разных регионах вводятся в эксплуатацию крупные станции мощностью до 30-50 МВт. Для нашей страны ветряки особенно полезны по той причине, что они позволяют обеспечивать энергией удаленные регионы, где на текущий момент нет возможности организации других средств энергоснабжения. Активно развивается и сегмент малых ветряных электростанций. В России большой популярностью стали пользоваться индивидуальные энергосистемы мощностью 1-5 кВт. При этом разработчики не отказываются от совмещения принципов работы ветряков с двигателями внутреннего сгорания. Успехи в этом направлении демонстрируют, в частности, ветродизельные конструкции. Насколько ветряная энергетика в принципе будет востребована в России в ближайшие десятилетия, пока сложно говорить, так как пока еще прочны позиции традиционных источников энергии. Но тенденции перехода на альтернативную энергетику во все мире, скорее всего, подстегнут и российскую промышленность активно осваивать подобные направления.