Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии (1). Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии

• Название: Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии
• Дата: 22.08.2022
• Размер: 7.49 Mb.
• Имя файла: Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии (1).doc
• Тип: Документы; #650481
• страница: 31 из 43

5.10. Производство и распределение электроэнергии
от ветроэнергетических установок

Использование ветроэнергетических установок (ВЭУ) для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом преобразования 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 ВЭУ в рамках единой энергосистемы и не очень – при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках. К настоящему времени разработано большое число проектов ВЭУ, включая и электрогенераторы к ним. В России существуют, по крайней мере более 10 компаний разрабатывающих и производящих такие установки. Их название и производимые ими ВЭУ указаны в работах [31–34].

Очевидно, что в будущем, с превращением ветроэнергетики в самостоятельную отрасль энергетики, появятся принципиально новые конструкции ВЭУ.

При проектировании ВЭУ надо учитывать их следующие 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 до 2 м) удается соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветроколеса приходится использовать повышающие редукторы, которые увеличивают как стоимость ВЭУ, так и обслуживания. Здесь заменителем редуктора могут быть новые типы многополосных генераторов, работающих при меньших частотах вращения.
   
4. 
   В конструкции ВЭУ, как правило, предусматривается возможность отключения генератора от ветроколеса и вращение 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 или броски напряжений на выходе генератора, особенно при резких порывах ветра или при шторме.
   

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

1. Наиболее благоприятные ветровые условия существуют, как правило, в малонаселенных регионах, на островах, на побережье морей. Требования к электроэнергии в таких районах весьма специфичны, но почти наверняка ее здесь требуется гораздо меньше, чем в развитых промышленных регионах.

2. Анализ потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5…10 % из них предъявляют определенные требования к ее параметрам (например, к частоте). 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.

3. 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.

4. Так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии, или быть зарезервированы электроэнергетическими установками других типов.

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

5.11. Классификация ветроэнергетических установок

Различают три класса ветроэлектрических установок – в зависимости от относительной мощности ветроустановки в сравнении с полной мощностью энергосистемы, к которой они подключены. Эти классы представлены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Классы ветроэнергетических систем

Класс	Мощность	Степень автономности ВЭУ	Способы управления
А	Р  РG	Автономная	1) шагом ветроколеса 2) нагрузкой
В	Р  РG	Ветро- дизельная	1) раздельная работа ВЭУ и дизель-генераторов 2) совместная работа ВЭУ и дизель-генератора
С	Р  РG	Подключенные к мощной энергосистеме	1) параметрами генератора постоянного тока 2) преобразованием постоянного тока в переменный 3) изменением коэффициента скольжения

Примечание. Р – мощность ВЭУ; Р_G – мощность других генераторов энергосистемы.
Класс А.

Мощность ветрогенераторов в энергосистеме является определяющей, т.е. Р  5Р_G.

В основном к этому классу относятся отдельно стоящие одно-генераторные ветроустановки, не подключенные к какой-либо энергосистеме. Они могут не иметь никаких других источников энергии или иметь, например, дополнительный ветрогенератор меньшей мощности. Мощность таких ветроустановок, предназначенных для использования в отдаленных регионах в целях освещения, питания маяков, средств связи и т.д., не превышает обычно 5 кВт. Если электроэнергия таких ВЭУ используется более широко, например, и для отопления, то их мощность может достигать 20…50 кВт.

Эффективность работы ветроустановки и ее стоимость во многом зависят от правильности выбора системы управления генератором, которая схематически показана на рис. 5.14.

При оптимальном управлении генератором напряжение на его выходе (и частота – в случае генератора переменного тока) будет нестабильным.


Рис. 5.14. Возможные схемы согласования ветроустановки с потребителями: 1 – нестабилизированное напряжение или частота; 2 – нагревательный элемент;
3 – аккумуляторная батарея; 4 – преобразователь постоянного напряжения в переменное; 5 – стабилизированное напряжение и частота; 6 – регулятор; 7 – стабилизированный постоянный ток; 8 – обратная связь;
9 – приоритетная нагрузка
Электроэнергию с такими параметрами можно непосредственно применять для обогрева домов, а также в выпрямителях для последующего использования (рис. 5.14, а).

Как правило, такие ветроустановки вполне удовлетворяют потребителей. Относительно небольшие потребности в электроэнергии со стабилизированными параметрами (например, 220В / 50 Гц) можно получить от преобразователей, питаемых от аккумуляторных батарей. Получаемая таким способом энергия ограничивается лишь стоимостью аккумуляторных батарей и преобразователей.

В некоторых случаях желательно стабилизировать частоту всей вырабатываемой генератором электроэнергии. Для этого существуют два различных способа.

Первый. Механическое управление лопастями ветроколеса с целью сохранения угловой скорости его вращения. При таком управлении шаг лопастей (или угол атаки) ветроколеса при изменении скорости ветра изменяется так, чтобы частота его вращения оставалась постоянной (рис. 5.14, б). Недостатком метода являются большие потери энергии ветра, сложность и невысокая надежность.

Второй. Электрическое управление, при котором постоянство частоты вращения ветроколеса и генератора поддерживается изменением электрической нагрузки на выходе генератора (рис. 5.14, в) При таком способе стабилизации частоты энергия ветра используется гораздо эффективнее, так как лопасти ветроколеса работают в оптимальном режиме.

Использование современного электронного оборудования делает его также и более дешевым, и надежным по сравнению с механическим управлением.

В автономных ВЭУ применяются генераторы разных типов. В небольших установках (до 10 кВт) широко распространены многополюсные генераторы с постоянными магнитами. Генераторы постоянного тока могут иметь устройства для сглаживания пульсаций тока, а ток можно использовать для зарядки аккумуляторов. Для генерации переменного тока широко используют синхронные генераторы с нестабилизированными и стабилизированными параметрами на выходе. Иногда применяются также и асинхронные генераторы переменного тока, которые могут быть как самостоятельные, так и со вспомогательным возбуждающим генератором.

Класс В.

В этом случае мощность ВЭУ одного порядка с мощностью других генераторов системы, т.е. Р  Р_G.

Чаще всего «посторонним» генератором является дизельный электрогенератор. В этом случае использование ВЭУ позволяет экономить дизельное топливо. Дизельный генератор может включаться только в безветрие и может работать параллельно с ВЭУ при слабом ветре. В ветроустановке этого класса используются две различные схемы распределения вырабатываемой энергии, изображенные на рис. 5.15.

1. 
   Одноканальная схема. В такой схеме, имеющей один выход (обычно трехфазной; бытовые потребители питаются от какой-то одной фазы), поддерживается стабилизированное напряжение определенной величины – в зависимости от потребностей потребителя (рис. 5.15, а). Круглосуточное снабжение электроэнергией без учета ее потребления требует длительной работы (как правило, не менее полусуток) дизельного генератора в периоды безветрия. Дизель при этом или работает непрерывно (особенно для освещения), или включается только при очень сильном ветре. На практике в такой схеме при сильном ветре иногда более 70 % энергии ВЭУ гасится на балластных сопротивлениях.
   
2. 
   Многоканальная схема. Целью этой схемы является максимально полное использование ветрового потенциала. Это достигается снижением цены электроэнергии для определенных потребителей – в зависимости от ее качества (рис. 5.15, б). При слабом ветре потребители дешевой электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, автоматически отключаются, уменьшая тем самым нагрузку на энергосистему. Частоту вращения энергогенератора в такой системе можно также регулировать одним из описанных выше способов, тогда он также будет источником стабилизированной электроэнергии. В периоды безветрия электроэнергией снабжаются только потребители от дизельных генераторов, которые значительно дороже ВЭУ. Преимуществом такой схемы распределения энергии является максимальное использование в любой момент времени энергии ветра.
   

а)

б)

Рис. 5.15. Одноканальная (а) и многоканальная (б) схемы согласования ветродизельной энергоустановки с потребителями: 1 – дизельный электрогенератор; 2 – счетчик; 3 – единая стоимость электроэнергии; 4 – накопитель энергии; 5 – дешевая электроэнергия; 6 – дорогая электроэнергия
Класс С

ВЭУ подключена к энергосистеме, значительно более мощной, чем его собственная мощность, т.е. 5Р  Р_G.

Это наиболее распространенный случай работы ВЭУ любой мощности в районах, где имеются другие энергосистемы большой мощности (рис. 5.16). При этом энергия ВЭУ используется непосредственно, а ее излишки подаются в энергосистему. При слабом ветре и в безветрие потребители снабжаются электроэнергией от энергосистемы. Наиболее дешевым и, возможно, безопасным типом ветрогенератора в этом случае является асинхронный генератор переменного тока, подключенный непосредственно в энергосистему. При этом частота вращения ветроколеса может превышать частоту энергосистемы не более чем на 10%. При слабом ветре, чтобы исключить работу ВЭУ в режиме электродвигателя, его отключают от сети. Необходимость стабилизации частоты вращения ветроколеса при прямом включении ветрогенератора в сеть не позволяет поддерживать постоянной быстроходность ветроколеса, т.е. снижает его КПД. Поэтому в небольших ВЭУ часто применяют два агрегата различной мощности, например 5 и 30 кВт, автоматически включающихся соответственно при слабом и сильном ветре.

Используются и другие приемы, позволяющие изменять частоту вырабатываемой генератором электроэнергии:

1. 
   увеличение числа полюсов генератора за счет перекоммутации его обмоток при падении частоты вращения ветроколеса;
   
2. 
   выпрямление переменного тока ВЭУ и затем преобразование его в переменный ток с заданными стабилизированными параметрами;
   
3. 
   увеличение допустимого отклонения частоты вращения ветроколеса от номинальной за счет включения активной нагрузки в обмотку асинхронного генератора.
   

ВЭУ

Рис. 5.16. Схема присоединения ВЭУ к более мощной энергосистеме: 1 – жилые дома и т.д.; 2 – линия электропередачи.