Анализ автономных ветроэлектростанций

Автономные ветроэлектростанции наиболее приемлемо использовать для электроснабжения объектов, удаленных от линий электропередачи на расстояние нескольких километров и имеющих нагрузку до 5 кВт [1]. Такие объекты могут иметь трехфазные и однофазные приемники электроэнергии. Учитывая высокую стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветроэлектростанциями, актуальны вопросы их оптимального формирования, в частности, технико-экономический анализ.

Особенностью работы автономных ветроэлектростанций является их изолированность от системы централизованного электроснабжения и непостоянная потребность в электроэнергии. Учитывая, что ветер является нерегулярным источником энергии, обеспечить высокую надежность электроснабжения можно только путем резервирования ветроустановки. В качестве резерва могут выступать топливные электростанции, солнечные электростанции, ваются автономные ветроэлектростанции с электрохимическими аккумуляторами.

Основой ветроэлектростанции является ветроустановка, приводящая во вращение генератор. Если используется генератор переменного тока, то кроме стабилизации напряжения (что технически решается весьма просто) необходима еще и стабилизация частоты тока. В этой связи в составе электростанций применяются крыльчатые ветроустановки или ветроустановки пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения. Эти ветроустановки легко обеспечивают стабилизацию частоты вращения вала при плавном изменении скорости ветра. Кроме того, обладая высокой быстроходностью, они справляются и с порывами (провалами) ветра [2]. Однако эти ветро-установки требуют установки на ветер и, при изменении его направления, теряют мощность. Потери энергии за период уста- новки на новое направление ветра могут достигать 3,5% (рис. 1), а при частой смене аккумуляторы энергии или их различные направления ветра суммарные потери мо-

Рис. 1. Зависимость мощности, снимаемой с ветроколеса, от времени при изменении направления ветра на 300

Альтернативой крыльчатым ветро-установкам с горизонтальной осью вращения являются ветроустановки роторного типа (ротор Савониуса) и ортогональные крыльчатые ветроустановки.

Ротор Савониуса, отличающийся простотой конструкции и малой стоимостью, имеет существенные недостатки: малый коэффициент использования мощности ветра (не более 0,24), невозможность стабилизации частоты вращения при изменении скорости ветра. Следует отметить, что использование электромагнитной связи вала генератора и вала ротора Савониуса [4] устраняет последний недостаток и позволяет получать электроэнергию переменного тока частотой 50 Гц в широком диапазоне скоростей ветра.

Ортогональные ветроустановки с крыльчатыми лопастями способны обеспечить стабильные параметры (частота вращения вала, снимаемая мощность и передаваемый момент) при изменении скорости ветра, а при электромагнитном соединении вала генератора и вала ветроустановки обеспечивать работу в практически неограниченном диапазоне скоростей ветра (от скорости трогания до буревой скорости). При этом коэффициент использования мощности ветра достигает 0,4

(для сравнения коэффициент использования мощности ветра современных крыльчатых ветроустановок с горизонтальной осью вращения равен 0,48).

В таблице 1 приводятся относительные характеристики конкурирующих вет-роустановок, используемых в автономных электростанциях.

Как следует из таблицы 1, наиболее эффективна крыльчатая ортогональная ветроустановка.

Ветроустановки преобразовывают поступательное движение воздушных масс во вращательное движение, приводящее в действие генератор. Учитывая, что большинство потребителей электроэнергии требуют переменного тока, используют следующие альтернативные ветроэлектростанции (рис. 2, 3).

Таблица 1

Характеристики ветроустановок

Ветроустановка	Коэффициент использования мощности ветра	Относительная стоимость*, руб./м2	Стоимость 1 кВт передаваемой мощности**, руб./кВт
1. Крыльчатая с горизонтальной осью	0,48	4800	30000
2. Крыльчатая с вертикальной осью	0,40	3200	24000
(ортогональная) 3. Ротор Савониуса	0,24	2100	26000

* – на единицу площади, ометаемой ветроколесом;

** – при номинальной рабочей скорости ветра 8 м/с.

Рис. 2. Функциональная схема электростанции непрерывного действия с крыльчатой ветроустановкой:

Рис. 3. Функциональная схема ветроэлектростанции с буферным аккумулятором:

1 – ветроколесо; 2 – генератор постоянного тока;

3 – аккумуляторная батарея; 4 – инвертор напряжения

Преимуществом таких электростанций является то, что и при ветре, и в штилевые периоды электроэнергия вырабатывается синхронным генератором, что гарантирует высокое качество электроэнергии.

В электростанции (рис. 2) генератор получает энергию либо от ветроколеса, либо от двигателя постоянного тока, что обеспечивает высокое качество электроэнергии. В автономной электростанции (рис. 4) частота вращения ротора синхрон- ного генератора поддерживается постоянной путем включения машины постоянного тока в режим генератора (при скорости ветра больше расчетной) или в двигательный режим (при скорости ветра меньше расчетной). Потребители во всех случаях получают электроэнергию от синхронного генератора, что обеспечивает ее качество. В автономной электростанции (рис. 3) аккумулятор работает в буферном режиме, при котором потребители получают электроэнергию от инвертора напряжения.

Нагрузка

Рис. 4. Функциональная схема ветроэлектростанции с ортогональной или роторной ветроустановкой:

• 1    – роторная ветроустановка;

• 2    – машина постоянного тока;

• 3    – синхронный генератор;

• 4    – блок управления;

• 5    – аккумуляторная батарея

Для обеспечения бесперебойного электроснабжения емкость аккумуляторных батарей выбирается с учетом продолжительности энергетических (скорость ветра равна и больше расчетной) и аккумуляторных (скорость ветра меньше расчетной) периодов [2].

Рассматриваемые схемы автономных ветроэлектростанций имеют различный КПД, что сказывается на их материалоем- кости и, в конечном счете, на удельной стоимости. В период достаточного ветра КПД электростанций равны:

• ■    электростанция непрерывного действия с крыльчатой ветроустановкой ...0,39;

• ■   электростанция с ортогональной или

• роторной ветрустановкой ...0,27;

• ■   электростанция с буферным аккуму

лятором ...0,20.

Так как автономная ветроэлектростанция должна обеспечивать электроснабжение и в отсутствие достаточного ветра, то мощность ветроустановки определяется электроэнергией, накапливаемой в аккумуляторах.

В этом случае замыкающий КПД будет равен:

• ■    электростанция непрерывного действия с крыльчатой ветроустановкой ...0,20;

• ■    электростанция с ортогональной или роторной ветрустановкой ...0,24;

• ■    электростанция с буферным аккумулятором ...0,20.

Таким образом, в энергетическом отношении наиболее экономична ветроэлектростанция с ортогональной ветроустанов-кой. Ориентировочные стоимости электроэнергии, вырабатываемой автономными ветроэлектростанциями, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Стоимость электроэнергии

Электростанция	КПД	Стоимость электроэнергии, руб./кВт·ч
1. Непрерывного действия с крыльчатой ветроустановкой	0,20	5,0
2. С ортогональной или роторной ветроустановкой	0,22	3,0
3. С буферным аккумулятором	0,20	4,0

Стоимость электроэнергии суще- ким образом, рассматриваемые автоном-ствующих автономных солнечных элек- ные солнечные электростанции более эф-тростанций достигает 7–8 руб./кВт·ч. Та- фективны.