Принцип работы ветряной электростанции: ≋ Принцип работы ветрогенератора • Устройство, конструкция ветроэлектростанции

Преимущества ветрогенераторов

Количество природных ресурсов, которые веками играли роль ключевых источников энергии, продолжает неуклонно снижаться. При параллельном повышении их стоимости это вынуждает человечество активно обращаться к поиску альтернативных решений. Ученые и инженеры всего мира десятилетиями пытаются извлечь максимум энергии из солнечных лучей, естественного движения водных массивов рек и каналов, а также порывов ветра.

Одним из наиболее удачных вариантов, позволяющих обеспечить необходимую эффективность на протяжении всего года и практически во всех уголках планеты, являются ветрогенераторы. Они дают возможность обустроить комфортный быт в частном доме, организовать технологические циклы предприятия и даже питание током целого города. Принцип работы этих энергоустановок и их преимущества на фоне других альтернативных источников энергии рассмотрим ниже.

Особенности конструкции ветряной электростанции

Конструкция устройств, использующих безвозмездный источник энергии, достаточно проста. Ветряная электростанция состоит из лопастей, мачты, электрогенератора и дополнительных приборов, обеспечивающих преобразование, накопление и передачу к потребителям электроэнергии.

Размер и конфигурация лопастей определяют эффективность их вращения по соотношению к силе ветра. Турбина играет роль преобразователя механического движения (вращения) в электрическую энергию. Существуют модификации ветровых генераторов, которые предусматривают возможность складывания мачт, что упрощает обслуживание оборудования.

Принцип работы ветряных электрогенераторов

Работа ветряков основана на принципе преобразования механической энергии в электрическое напряжение. При вращении лопастей под воздействием потоков ветра вырабатывается кинетическая энергия, которая приводит в движение элементы генератора, состоящего из подвижной (ротор) и неподвижной (статор) частей. В процессе раскручивания ротора вокруг него формируется магнитное поле, обеспечивающее выработку электрического тока в обмотке статора. Далее напряжение подается на преобразователь, а затем в накопительные батареи или в потребительскую сеть.

Вышеописанный принцип работы лежит в основе практически на всех моделей ветровых генераторов. Наличие в системе АКБ обеспечивает электроснабжение при штиле или недостаточной для воздействия на лопасти силе ветра. Разработчики конструкций стремятся предусмотреть различные эксплуатационные ситуации, чтобы системы работали в максимальном диапазоне непредсказуемых погодных условий.

Ключевые преимущества ветровых генераторов

• Абсолютная безопасность. Традиционные источники энергии, которые сейчас питают 98% всех городов мира, в качестве побочного эффекта вырабатывают миллиарды кубометров токсичных газов и прочих отходов, которые наносят колоссальный вред экологической обстановке планеты. Ветряк в процессе эксплуатации не выделяет никаких вредных веществ, что делает его абсолютно чистым источником энергии. Его работа остается практически незаметной, он не изменяет силу или направление потоков ветра, аккуратно подстраиваясь под их течение.
• Максимальная эффективность. Ветряной генератор практически не расходует ресурсы, если не считать затрат на периодическое техобслуживание. Ему не нужно топливо, как и прочие иссекаемые запасы. Агрегат генерирует электрическую энергию буквально из воздуха, не используя его при этом как любой другой традиционный ресурс. Благодаря такой особенности ветряки считаются одними из самых перспективных направлений в коммерческой энергетике.
• Надежность. Ветряные электростанции разрабатываются так, чтобы их конструкция могла прослужить десятки и более лет. Для достижения таких целей используются современные сплавы, высокопрочные полимерные композиты, а также комбинации различных износостойких материалов, не поддающихся воздействию коррозии, кислот, солей и прочих агрессивных сред.
• Экономичность. Ветрогенераторы обладают высокими показателями КПД, так как их работа требует минимальных расходов. Сочетание низкой стоимости получаемой энергии и возможных доходов от ее реализации полностью объясняет целесообразность использования этих альтернативных источников.
• Простота сборки и монтажа. Установка бытовых моделей может осуществляться самостоятельно при условии наличия соответствующих знаний и навыков по работе с электросетями и оборудованием. Немаловажным фактором является то, что ветряную электростанцию можно в любое время модернизировать, изменить количество батарей, расширить систему, увеличить число потребителей и скорректировать другие параметры. При этом все работы могут выполняться силами 1–2 квалифицированных специалистов.
• Удобство. Существенным недостатком первых ветрогенераторов была сильная вибрация и шумы, которые они создавали при выработке электрической энергии. Использование современных технических решений позволило свести эти недостатки к минимуму. Современные ветряки отличаются минимальными колебаниями и уровнем помех.
• Отсутствие жестких требований. В отличие от прочего оборудования, вырабатывающего электроэнергию, ветровые генераторы могут устанавливаться на любых открытых частных участках при условии отсутствия помех для воздушных потоков. Для расположения на частной территории вовсе не нужны какие-либо разрешения, исключением являются только слишком крупные конструкции.

Производственная мощность

Современным ветрякам для выработки энергии, достаточной для обеспечения небольшого дома, не нужен сильный ветер. Использование высокопрочных и легких материалов, а также современных наработок в области конструкции лопастей позволили обеспечивать их работоспособность в условиях минимальных воздушных потоков. Для вращения инновационных моделей, соответственно и выработки энергии, достаточно скорости ветра в 1,5–2 м/с. С полной уверенностью можно утверждать, что ветрогенераторы смогут быть эффективными на всей территории России на протяжении всего года.

Характеристики ветряных электростанций непрерывно повышаются, при этом современные модели можно использовать в самых различных целях. Для бытовых нужд чаще всего заказывают генераторы производительностью до 100 кВт. Устройства для промышленных объектов и коммерческой деятельностью способны вырабатывать более 5 МВт. Как правило, это массивные конструкции, размах лопастей которых можете составлять 10 и более метров. Если рассматривать ветровой генератор для индивидуального дома, где присутствует только бытовое оборудование, оптимальным решением будет установка с напряжением 220 В и мощностью порядка 2–10 кВт.

Разновидности ветряных электростанций

По траектории вращения лопастей ветряные электростанции делятся на два вида

1. Горизонтальные ветряные электростанции обладают классической конструкцией, которую можно наблюдать у самолетов или обычных домашних вентиляторов. Большинство моделей оснащается тремя лопастями. Эта разновидность пользуется наибольшей популярностью благодаря оптимальному соотношению цена/производительность. При самой низкой стоимости ветряки этого типа позволяют получить максимальную отдачу от воздушных потоков. Быстроходность конструкций зависит от формы лопастей и материала, из которого они изготовлены. Чем выше этот показатель, тем дешевле требуется генератор. В результате существенно снижаются общая стоимость и затраты на обслуживание.
2. Вертикальные ветряки представляют собой необычные строения, крылья которых размещаются параллельно оси мачты. Преимуществом ветряных электростанций данной разновидности является экономия воздушного пространства. Однако по эффективности они значительно уступают горизонтальным установкам. В то же время существует большое разнообразие модификаций, характеристики которых максимально приближены к конкурентным версиям. При высоких показателях КПД этот вид значительно проигрывает в размерах. Для получения аналогичной мощности требуется установка в 2-3 раза больше по сравнению с горизонтальной версией, что существенно повышает их стоимость.

При возникновении каких-либо вопросов касательно приобретения и эксплуатации этих установок вы всегда можете рассчитывать на поддержку наших экспертов. Опытные специалисты помогут с выбором и расчетами оптимального комплекта техники. При необходимости мастера также выполнят монтажные работы и технические обслуживание. Приобретая у нас ветрогенераторы, вы гарантированно получаете максимальную выгоду и высокое качество.

Ветровые электростанции

Ветер, в отличие от сжигаемого топлива, является источником возобновляемой, доступной и чистой энергии, использование которой не приводит к выбросу парниковых газов в атмосферу. Таким образом, ветровая энергия создает гораздо меньше проблем для экологии по сравнению с традиционными невозобновляемыми источниками энергии.

Средняя годовая мощность, генерируемая ветрогенератором, оказывается примерно постоянной. Однако уровень мощности на более коротких временных отрезках может очень сильно колебаться. Чтобы обеспечить стабильное электроснабжение, ветрогенераторы должны использоваться в сочетании с другими источниками энергии. Увеличение доли энергии, вырабатываемой ветровыми электростанциями, требует модернизации сети линий электропередач, и приводит к последовательному вытеснению традиционных генерирующих мощностей.

Ветровые электростанции состоят из множества отдельных ветровых турбин, объединенных в единую сеть (рисунок 1). Береговые ветровые электростанции являются недорогим источником электроэнергии, и зачастую представляют реальную альтернативу для ТЭЦ, работающих на угле или газе. Морской ветер, как правило, бывает более стабильным и сильным, чем на суше, но затраты на строительство и техническое обслуживание морских ветровых электростанций оказываются значительно выше. Небольшие береговые ветряные электростанции могут обеспечивать энергией отдаленные и изолированные объекты и поселения.

Рис. 1. Типовая ветровая электростанция

Принцип работы ветрогенератора достаточно прост (рис. 2). Ветер заставляет вращаться двух или трехлопастные турбины, приводящие в движение основной вал, к которому подключен ротор генератора. Вращение ротора приводит к генерации электричества.

Рис. 2. Внутреннее устройство ветрогенератора

Типовая электрическая схема ветрогенератора содержит генератор, аккумуляторные батареи и контроллер заряда. Создаваемое переменное напряжение обычно поступает на локальную трансформаторную станцию (которая собирает энергию от всех турбин), где преобразуется в более высокое напряжение и передается по кабельной или воздушной линии на другую трансформаторную станцию, где уже происходит подключение простых потребителей. Трансформаторные станции необходимы для согласования напряжения ветрогенераторов с сетью.

Если копнуть глубже, то окажется, что ветер на самом деле является формой солнечной энергии и становится результатом неравномерного нагрева атмосферы солнцем. Карта направления и силы ветров является сильно неоднородной и зависит от рельефа местности, наличия растительности и водоемов. Энергия ветра используется для различных целей: мореходство, полеты воздушных змеев и дельтапланов, генерация электричества.

Турбины горизонтальных ветрогенераторов обычно имеют две или три лопасти. Эти лопасти приводятся во вращение фронтальными воздушными потоками.

Промышленные ветрогенераторы имеют мощность от 100 киловатт до нескольких мегаватт. Ветровые турбины большой мощности оказываются более экономически выгодными и объединяются в ветровые электростанции, которые поставляют электроэнергию в сеть. В последние годы произошло значительное увеличение числа крупных морских и прибрежных ветровых электростанций в США. Это было сделано для того, чтобы максимально использовать потенциал энергии ветра прибрежных регионов.

Отдельные ветрогенераторы мощностью менее 100 киловатт применяются для энергоснабжения домов, телекоммуникационных вышек, насосных станций и т. д. Небольшие ветровые турбины иногда используются в сочетании с дизель-генераторами, батареями и солнечными панелями. Такие решения называются гибридными и обычно размещаются в удаленных местах, в которых отсутствуют собственные линии электропередач.

В настоящее время большинство турбин используют генераторы с регулируемой скоростью в сочетании с промежуточным преобразователем мощности между генератором и системой сбора энергии, что является наиболее подходящим вариантом для межсетевого соединения и обеспечивает возможность отключения при низком выходном напряжении. В современных системах используются либо машины с двойным питанием, либо генераторы с короткозамкнутым ротором или синхронные генераторы.

Современные энергетические системы сталкиваются со множеством проблем, в том числе, с проблемой избыточной мощности, которую удается решать за счет реализации специальных мер: экспорта и импорта электроэнергии в соседние районы, изменения уровня воды в водохранилищах гидроэлектростанций, преобразования электрической мощности в механическую энергию, ограничения потребления и т. д. При использовании локальных ветрогенераторов эту проблему можно сгладить.

В ветряной электростанции отдельные турбины объединяются в единый комплекс с помощью системы сбора мощности и информационных каналов связи. Среднее выходное напряжение для ветрогенераторов обычно составляет 34,5 кВ. На трансформаторной подстанции это напряжение дополнительно увеличивается для дальнейшей передачи по высоковольтным линиям электропередач.

Одной из самых больших проблем, связанных с интеграцией ветряных электростанций в энергетическую систему Соединенных Штатов, является необходимость создания новых линий электропередач для транзита электроэнергии. Дело в том, что ветряные электростанции строятся в соответствии с картой ветров, поэтому в большинстве случаев они размещены в отдаленных, малонаселенных штатах в центральной части страны. А основная часть потребления приходится на западное и восточное побережье США, где плотность населения значительно выше. Существующие линии электропередачи не были предназначены для транспортировки больших объемов энергии. Очевидно, что с увеличением длины линий передач потери, связанные с передачей мощности, возрастают, что затрудняет перенос большой мощности на большие расстояния.

К сожалению, противодействие со стороны государственных органов и органов местного самоуправления затрудняет строительство новых линий электропередач. Проекты по передаче электроэнергии, рассчитанные на вовлечение большого количества штатов, отклоняются штатами, в которых стоимость электроэнергии мала. Они опасаются, что после постройки транзитных линий местные генерирующие компании начнут экспорт электричества, что обязательно приведет к росту тарифов для местных потребителей. Закон об энергетике 2005 года дал возможность Министерству Энергетики США преодолевать противодействие отдельных штатов при принятии проектов по построению инфраструктуры для транзита электроэнергии. Однако после попытки использовать эти полномочия Сенат заявил, что министерство проявляет излишнюю агрессивность.

Другая проблема заключается в том, что транзитная мощность новых линий передач оказывается недостаточной. Это связано с тем, что, несмотря на поддержку альтернативной энергетики, государство разрешило транзитным компаниям обеспечивать минимальный уровень пропускной способности, оговоренный в стандартах. Эти важные проблемы необходимо решить, так как в противном случае ветряные электростанции будут вынуждены работать не на полную мощность или работать попеременно.

Не смотря на не полностью реализованный потенциал ветряной энергетики, она уже сейчас помогает сглаживать пики потребления и повышает надежность поставок электроэнергии.

Морские ветряные электростанции

Современные технологии все еще остаются незрелыми, что является препятствием для распространения морских ветряных электростанций (рис. 3). Проблема высокой стоимости ветряной энергии может быть частично решена с помощью технологических инноваций. Новые технологии необходимы для снижения затрат, повышения надежности и эффективности производства энергии, решения вопросов регионального транзита, развития инфраструктуры и производственных мощностей, а также для уменьшения воздействия на экологию. К сожалению, разработка инновационных технологий требует значительных стартовых инвестиций, характеризуется длительным сроком окупаемости и высокой степенью риска. Все это приводит к тому, что многие компании не хотят инвестировать в исследования и разработки в области морских ветряных электростанций.

Рис. 3. Морская ветряная электростанция

При использовании понятия «мелководье» речь идет о диапазоне глубин от 0 м до 30 м. Данный диапазон относится к большинству существующих морских ветряных электростанций. Переходные глубины колеблются в диапазоне от 30 м до 60 м. Для глубоководья (более 60 м) были разработаны плавающие концепции ветряных электростанций, которые были позаимствованы из нефтяной и газовой отрасли.

Стоит отметить, что приведенные диапазоны мелководья, переходных глубин и глубоководья являются специфическими для рассматриваемой отрасли морских ветровых электростанций и не совпадают с диапазонами, принятыми в нефтяной и газовой отрасли, где под глубоководьем понимают глубины от 2000 м и более. Кроме того, эти диапазоны на самом деле являются всего лишь ориентирами при разработке новых технологий. Они помогают оценить требуемые ресурсы при создании новых решений.

Вполне очевидно, что с ростом глубины стоимость конструкций возрастет из-за увеличения срока проектирования, усложнения процесса производства и монтажа, а также из-за увеличения количества расходуемых материалов, необходимых для постройки основания. Рост затрат, связанных с увеличением глубины, обнаруживается поэтапно по мере достижения технических ограничений. Однако накопление и применение новых технических решений способно смягчить эти скачки в каждом конкретном проекте.

Для транспортировки генерируемой электроэнергии необходимы линии передачи. В случае с морской электростанцией для транзита энергии по морскому участку пути потребуется подводный кабель. Как было сказано выше, строительство новой сухопутной высоковольтной линии специально для транзита электроэнергии морской электростанции может быть слишком дорогостоящим, но ситуацию спасают существующие линии электропередач, созданные ранее для обычных электростанций.

Коэффициент использования установленной мощности

Поскольку скорость ветра не постоянна, то ежегодное производство энергии ветряной электростанции никогда не превышает величину номинальной мощности генератора, умноженную на общее количество часов в году. Отношение фактической производимой мощности к этому теоретическому максимуму называют коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ). Диапазон типовых значений коэффициента мощности составляет от 15% до 50%. Высокие значения достигаются при благоприятных условиях и обусловлены использованием оптимальной конструкции ветряных турбин.

На величину КИУМ ветряной электростанции влияет несколько параметров, в том числе степень изменчивости ветра, а также соотношение между мощностью генератора и областью охвата турбины. Небольшой генератор оказывается дешевле и имеет высокий коэффициент мощности, но при сильном ветре производит меньше электроэнергии и, следовательно, приносит меньше прибыли. И наоборот, большой генератор стоит дороже, но при умеренном ветре будет выдавать ту же мощность, что и небольшой генератор, а при слабом воздушном потоке и вовсе приведет к остановке турбины. Таким образом, оптимальный коэффициент мощности составляет от 40% до 50%.

Доля ветровой энергетики

Доля ветровой энергетики в общем объеме генерации является важной характеристикой энергосистемы. Этот показатель не нормируется и не ограничивается. Он зависит от множества особенностей конкретной энергетической сети: от существующих генерирующих установок, от механизмов ценообразования, от емкости для хранения энергии, от управления спросом и от других факторов. Обычно электрические сети имеют собственные резервные генерирующие и передающие мощности, используемые для обеспечения безотказной работы в случае аварийных ситуаций. Эти резервные мощности могут также служить для компенсации колебаний энергии, генерируемой ветряными электростанциями. Исследования показали, что оптимальная доля ветровой энергетики составляет 20%. Эти исследования проводились для областей с территориально разнесенными ветровыми электростанциями, с наличием возможности управления мощностью (например, гидроэлектростанции) и развитой сетью электропередач, позволяющей при необходимости перераспределять электроэнергию. При превышении доли в 20% возникают технические сложности, но еще более значительными становятся экономические затраты на модернизацию. Стоит отметить, что в настоящее время продолжается изучение влияния крупномасштабного внедрения ветряных электростанций на стабильность и рентабельность энергетической системы.

Для достижения доли ветровой энергетики на уровне 100% необходимо наличие хранилищ энергии большого объема или соединение с другими энергосистемами, которые имеют собственные хранилища. На коротких временных промежутках (месяц, неделя, день, час и менее) ветер может обеспечить до 100% текущего потребления, а избыток энергии должен запасаться или экспортироваться. Промышленность может использовать преимущества сильного ветра, например, ночью, когда объем выходной мощности превышает спрос. Это касается таких отраслей, как производство кремния, алюминия, стали или природного газа и водорода. Все это позволит достичь уровня замещения 100%

Колебания генерируемой мощности

Как было сказано выше, мгновенная мощность, генерируемая ветрогенератором, не является постоянной и может быстро и значительно изменяться. Колебания средних годовых показателей также существуют, но они оказываются не столь значительными. Колебания мощности способны вызывать дисбаланс меду производством и потреблением электроэнергии, что ограничивает долю ветровой энергетики в рамках энергосистемы. Прерывистость и неконтролируемый характер производства ветровой энергии приводят к негативным последствиям, в том числе, к увеличению затрат на преобразование мощности, к необходимости содержания значительных резервных источников электроэнергии, к усложнению системы управления и т. д.

Производимая ветрогенератором мощность колеблется и при слабом воздушном потоке должна заменяться другими источниками энергии. Современные энергосистемы способны справляться с аварийными отключениями генерирующих мощностей, а также с суточными перепадами потребления. При этом традиционные электростанции способны выдавать максимальную мощность в течение 95% рабочего времени. Этого нельзя сказать о ветряных электростанциях.

В настоящее время энергосистемы с большим количеством ветряных электростанций требуют частой активизации резервных генерирующих мощностей, работающих на природном газе, для поддержания стабильного энергоснабжения в том случае, когда условия не благоприятны для производства электроэнергии из ветра. При более низкой доле ветряных электростанций перепады энергии не являются большой проблемой. Однако, даже при доле 16% в ветреные дни ветроэнергетика может превосходить по уровню генерации мощности все другие источники электроэнергии в стране.

Совместное использование непостоянных возобновляемых источников энергии со стабильными невозобновляемыми источниками, помогает создавать устойчивую энергосистему, которая обеспечивает надежное электроснабжение потребителей. Увеличение доли возобновляемых источников энергии успешно происходит в реальном мире.

HAWP-установки

Если выполнить анализ всех затрат, то самым дешевым источником энергии могут оказаться ветровые HAWP-установки (High-Altitude Wind Power). Поспорить с ними смогут только гидроэлектростанции и обычные ветрогенераторы, используемые для питания локальных потребителей.

HAWP-установки работают на больших высотах. Речь идет вовсе не о десятках метров, где отлично справляются обычные ветрогенераторы. Технологии HAWP подразумевают использование летающих установок на высоте, где энергия ветра оказывается гораздо больше, чем у поверхности земли.

Сразу несколько исследовательских групп разрабатывают AWE-технологии (Airborne Wind Energy (AWE), предназначенные для использования на высоте до 2000 футов (609,6 м). Кроме того, есть и разработчики, создающие решения, работающие на высотах более 2000 футов. Величина 2000 футов была выбрана в соответствии с требованиями Федерального управления гражданской авиации США. Эта организация считает объекты, находящиеся на данной высоте, небезопасными для полетов обычной авиации. HAWP-установки могут летать на больших высотах за пределами 12 морских миль от побережья в международном воздушном пространстве, но все еще в американской «экономической зоне».

Стоит отметить, что при реализации AWE-технологий еще предстоит решить проблему эффективной передачи энергии на землю. При использовании традиционных подходов напряжение на электрическом кабеле оказывается слишком высоким.

Автор: Сэм Девис Перевод: Гавриков Вячеслав (г. Смоленск)

Опубликовано: 17. 10.2018

Как работает ветряная турбина

Министерство энергетики

20 июня 2014 г.

От крупных ветряных электростанций до небольших турбин, питающих один дом, ветряные турбины по всему миру вырабатывают чистую электроэнергию для различных нужд.

В Соединенных Штатах ветряные турбины становятся обычным явлением. С начала века общая мощность ветроэнергетики в США увеличилась более чем в 24 раза. В настоящее время в США достаточно мощностей ветровой энергетики, чтобы генерировать достаточно электроэнергии для питания более 15 миллионов домов, что помогает проложить путь к будущему экологически чистой энергии.

Что такое ветряная турбина?

Концепция использования энергии ветра для производства механической энергии насчитывает тысячелетия. Еще в 5000 году до нашей эры египтяне использовали энергию ветра для движения лодок по реке Нил. Американские колонисты полагались на ветряные мельницы для измельчения зерна, перекачки воды и рубки древесины на лесопилках. Сегодняшние ветряные турбины — это современный эквивалент ветряной мельницы, преобразующий кинетическую энергию ветра в чистую, возобновляемую электроэнергию.

Как работает ветряная турбина?

Большинство ветряных турбин состоят из трех лопастей, закрепленных на башне из трубчатой ​​стали. Реже встречаются разновидности с двумя лопастями, с бетонными или стальными решетчатыми башнями. На высоте 100 футов или более над землей башня позволяет турбине использовать более высокие скорости ветра, характерные для больших высот.

Турбины улавливают энергию ветра своими пропеллерными лопастями, которые действуют так же, как крыло самолета. Когда дует ветер, на одной стороне лопасти образуется карман воздуха низкого давления. Затем воздушный карман низкого давления притягивает лопасть к себе, заставляя ротор вращаться. Это называется лифт. Подъемная сила намного больше, чем сила ветра, действующая на переднюю сторону лопасти, что называется сопротивлением. Сочетание подъемной силы и сопротивления заставляет ротор вращаться как пропеллер.

Ряд шестерен увеличивает скорость вращения ротора примерно с 18 оборотов в минуту до примерно 1800 оборотов в минуту — скорость, которая позволяет генератору турбины производить электричество переменного тока.

Корпус обтекаемой формы, называемый гондолой, содержит ключевые компоненты турбины, обычно включая шестерни, ротор и генератор, которые находятся внутри корпуса, называемого гондолой. Некоторые гондолы, расположенные на вершине башни турбины, достаточно велики, чтобы на них мог приземлиться вертолет.

Другим ключевым компонентом является контроллер турбины, который удерживает скорость ротора от превышения 80 км/ч, чтобы избежать повреждений от сильного ветра. Анемометр непрерывно измеряет скорость ветра и передает данные контроллеру. Тормоз, также расположенный в гондоле, останавливает ротор механически, электрически или гидравлически в аварийных ситуациях. Изучите интерактивную графику выше, чтобы узнать больше о механике ветряных турбин.

Типы ветряных турбин

Существует два основных типа ветряных турбин: с горизонтальной осью и с вертикальной осью.

Большинство ветряных турбин имеют горизонтальную ось: конструкция в виде пропеллера с лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной оси. Турбины с горизонтальной осью расположены либо против ветра (ветер бьет по лопастям раньше, чем башню), либо по ветру (ветер бьет по башне раньше, чем лопасти). Ветряные турбины также включают в себя привод рыскания и двигатель — компоненты, которые поворачивают гондолу, чтобы удерживать ротор по направлению к ветру, когда его направление меняется.

Хотя существует несколько производителей ветряных турбин с вертикальной осью, они не проникли на рынок коммунальных услуг (мощностью 100 кВт и выше) в той же степени, что и ветряные турбины с горизонтальным доступом. Турбины с вертикальной осью подразделяются на две основные конструкции:

• Турбины с тяговым усилием или турбины Савониуса обычно имеют роторы со сплошными лопастями, которые вращаются вокруг вертикальной оси.
• Лифтовые турбины, или турбины Дарье, имеют высокий вертикальный аэродинамический профиль (некоторые из них имеют форму взбивалки). Windspire — это турбина на подъемной силе, которая проходит независимые испытания в Национальном центре ветровых технологий Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

Применение ветряных турбин

Ветряные турбины используются в различных целях — от использования морских ветряных ресурсов до выработки электроэнергии для одного дома:

• Крупные ветряные турбины, чаще всего используемые коммунальными службами для подачи электроэнергии в сеть, от 100 киловатт до нескольких мегаватт. Эти турбины коммунального масштаба часто группируются вместе в ветряных электростанциях для производства большого количества электроэнергии. Ветряные электростанции могут состоять из нескольких или сотен турбин, обеспечивая достаточно энергии для десятков тысяч домов.
• Небольшие ветряные турбины мощностью до 100 киловатт обычно находятся рядом с местами, где будет использоваться вырабатываемая электроэнергия, например, рядом с домами, телекоммуникационными антеннами или водонасосными станциями. Небольшие турбины иногда подключают к дизельным генераторам, батареям и фотогальваническим системам. Эти системы называются гибридными ветровыми системами и обычно используются в удаленных, автономных местах, где подключение к коммунальной сети недоступно.
• Оффшорные ветряные турбины используются во многих странах для использования энергии сильных, устойчивых ветров, возникающих у береговых линий. Технический ресурсный потенциал ветров над прибрежными водами США достаточен для производства более 4000 гигаватт электроэнергии, что примерно в четыре раза превышает генерирующую мощность нынешней электроэнергетической системы США. Хотя не все эти ресурсы будут освоены, это открывает большие возможности для обеспечения электроэнергией густонаселенных прибрежных городов. Чтобы воспользоваться огромными оффшорными ветроэнергетическими ресурсами Америки, Департамент инвестирует в три демонстрационных проекта офшорных ветроэнергетики, предназначенных для развертывания офшорных ветровых систем в федеральных водах и водах штата к 2017 году9.0042

Будущее ветряных турбин

Чтобы обеспечить будущий рост ветровой промышленности США, Программа Министерства энергетики США по ветру работает с отраслевыми партнерами над повышением надежности и эффективности технологии ветряных турбин, а также снижением затрат. Исследовательские усилия программы помогли увеличить средний коэффициент мощности (показатель производительности электростанции) с 22 процентов для ветряных турбин, установленных до 1998 года, до более чем 32 процентов для турбин, установленных в период с 2006 по 2012 год. Затраты на энергию ветра были снижены с более чем 55 центов за киловатт-час (кВтч) в 19От 80 до менее 6 центов/кВтч сегодня в районах с хорошими ветровыми ресурсами.

Ветряные турбины дают уникальную возможность использовать энергию там, где она больше всего нужна населению нашей страны. Это включает в себя потенциал морского ветра для обеспечения электроэнергией населенных пунктов вблизи береговой линии, а также способность наземного ветра поставлять электроэнергию в сельские общины с несколькими другими местными источниками энергии с низким уровнем выбросов углерода.

Департамент энергетики продолжает работу по развертыванию ветровой энергии в новых районах на суше и на море и обеспечению стабильной и надежной интеграции этой энергии в электрическую сеть нашей страны.

Присоединяйтесь к нам сегодня для нашей ветряной турбины Twitter Часы работы в 14:00. ЕТ.

Чтобы принять участие в обсуждении, заранее отправьте свои вопросы в социальных сетях с помощью #HowEnergyWorks или по электронной почте [email protected].

ПРОГОЛОСУЙТЕ СЕЙЧАС, чтобы решить, какую тему «Как работает энергия» мы рассмотрим дальше!

Дэниел Вуд
еще этого автора

Для запросов СМИ:

(202) 586-4940 или DOENews@hq. doe.gov

Подробнее читайте на странице новостей

energy.gov

Как работают ветряные турбины? | Блог

Корпорация Ball удовлетворяет половину своих текущих энергетических потребностей США за счет энергии ветра.

Что такое энергия ветра?

Люди использовали силу ветра тысячи лет. Ветер двигал лодки по реке Нил, перекачивал воду и перемалывал зерно, поддерживал производство продуктов питания и многое другое. Сегодня кинетическая энергия и мощность естественных воздушных потоков, называемых ветром, широко используются для производства электроэнергии. Одна современная оффшорная ветряная турбина может генерировать более 8 мегаватт (МВт) энергии, что достаточно для чистого питания почти шести домов в течение года. Береговые ветряные электростанции вырабатывают сотни мегаватт, что делает энергию ветра одним из самых рентабельных, чистых и доступных источников энергии на планете.

Энергия ветра – самый дешевый крупномасштабный возобновляемый источник энергии, а также самый крупный источник возобновляемой энергии в США на сегодняшний день. В стране насчитывается около 60 000 ветряных турбин общей мощностью 105 583 мегаватт (МВт). Этого достаточно для электроснабжения более 32 миллионов домов!

График совокупной ветровой мощности в США, данные предоставлены Американской ассоциацией ветроэнергетики (AWEA). .

Преимущества энергии ветра:

1.  Ветряные турбины обычно возмещают выбросы углерода в течение всего срока службы, связанные с их развертыванием, менее чем за год, прежде чем обеспечить до 30 лет практически безуглеродного производства электроэнергии.
2. Энергия ветра помогает сократить выбросы углекислого газа — в 2018 году удалось избежать выбросов CO2 на 201 миллион метрических тонн.
3. Энергия ветра обеспечивает налоговые поступления сообществам, в которых реализуются проекты. Например, государственные и местные налоговые платежи от ветровых проектов в Техасе составили 237 миллионов долларов.
4. Ветроэнергетика способствует созданию рабочих мест, особенно во время строительства. В 2018 году в отрасли было создано 114 000 рабочих мест в США.
5. Энергия ветра обеспечивает стабильный дополнительный источник дохода: проекты ветровой энергии ежегодно приносят более 1 миллиарда долларов правительствам штатов и местным органам власти, а также частным землевладельцам.

Как выглядит проект ветроэнергетики?

Ветроэнергетический проект или ферма относится к большому количеству ветряных турбин, которые построены близко друг к другу и функционируют подобно электростанции, посылая электроэнергию в сеть.

Фотография ветряных турбин в рамках проекта Frontier Windpower II в Оклахоме

Проект Frontier Windpower I в округе Кей, штат Оклахома, работает с 2016 года и расширяется за счет проекта Frontier Windpower II. После завершения строительства Frontier I и II будут генерировать в общей сложности 550 мегаватт энергии ветра — этого достаточно для питания 193 000 домов.

Как работают ветряные турбины?

Схема компонентов стандартной ветровой турбины

Электроэнергия вырабатывается вращающимися ветряными турбинами, использующими кинетическую энергию движущегося воздуха, которая преобразуется в электричество. Основная идея заключается в том, что ветряные турбины используют лопасти для сбора потенциальной и кинетической энергии ветра. Ветер вращает лопасти, которые раскручивают ротор, соединенный с генератором для выработки электроэнергии.

Большинство ветряных турбин состоят из четырех основных частей:

• Лопасти прикреплены к ступице, которая вращается вместе с лопастями. Лопасти и ступица вместе образуют ротор.
• В гондоле находятся редуктор, генератор и электрические компоненты.\
• Башня удерживает лопасти ротора и генераторное оборудование высоко над землей.
• Фундамент удерживает турбину на земле.

Типы ветряных турбин:

Большие и малые турбины делятся на две основные категории в зависимости от ориентации ротора: турбины с горизонтальной осью и турбины с вертикальной осью.

Турбины с горизонтальной осью на сегодняшний день являются наиболее часто используемым типом ветряных турбин. Этот тип турбины приходит на ум при представлении энергии ветра, с лопастями, очень похожими на пропеллер самолета. Большинство этих турбин имеют три лопасти, и чем выше турбина и длиннее лопасть, тем больше электроэнергии вырабатывается.

Турбины с вертикальной осью больше похожи на взбивалку, чем на пропеллер самолета. Лопасти этих турбин прикреплены как вверху, так и внизу вертикального ротора. Поскольку турбины с вертикальной осью работают не так хорошо, как их горизонтальные аналоги, сегодня они встречаются гораздо реже.

Сколько электроэнергии производит турбина?

Это зависит. Размер турбины и скорость ветра, проходящего через лопасти ротора, определяют количество производимой электроэнергии.

За последнее десятилетие ветряные турбины стали выше, что позволило использовать более длинные лопасти и получить возможность использовать лучшие ветровые ресурсы, доступные на больших высотах.

Для сравнения: ветряная турбина мощностью около 1 мегаватта может производить достаточно чистой энергии примерно для 300 домов в год. Ветряные турбины, используемые на наземных ветряных электростанциях, обычно генерируют от 1 до почти 5 мегаватт. Скорость ветра обычно должна составлять примерно 9 миль в час или более, чтобы большинство ветряных турбин коммунального назначения начали производить электроэнергию.

Каждый тип ветряной турбины способен генерировать максимальную мощность в диапазоне скоростей ветра, часто между 30 и 55 милями в час. Однако, если ветер дует меньше, производство обычно уменьшается экспоненциально, а не останавливается полностью. Например, количество генерируемой энергии уменьшается в восемь раз, если скорость ветра падает вдвое.

Кто занимается обслуживанием ветряных турбин?

Высококвалифицированные ветротехники из Duke Energy Renewables поднимаются на сотни футов для обслуживания турбин

Что происходит, когда возникает неисправность в высокой ветряной турбине? Ветротехники, такие как Рене Лопес и его товарищи по команде Duke Energy Renewables, поднимаются на вершину, чтобы быстро и безопасно починить ее.

Рене говорит, что, неся около 45 фунтов оборудования и инструментов, опытным техникам может потребоваться 20 или более минут, чтобы добраться до гондолы, которая находится на высоте 300 футов в верхней части ветряной турбины.

Рене Лопес, техник по ветру в Duke Energy Renewables

Техник по ветру отвечает за поиск и устранение неисправностей и ремонт электроники и механизмов, обеспечивающих вращение лопастей. Каждый технический специалист проходит как минимум двухлетнюю техническую программу для получения сертификата, а затем проходит более 50 часов обучения, прежде чем его назначают на должность в полевых условиях. Безопасность также является постоянным и ежедневным вниманием к работе, потому что подъем на гондолу турбины может быть опасным. В Duke Energy Renewables практикуется, документируется и анализируется строгий режим безопасности, чтобы гарантировать, что безопасность остается главным приоритетом.

При надлежащем обучении технические специалисты также могут использовать дроны, чтобы упростить и сделать более безопасным осмотр высотного оборудования. Дроны могут приближать оборудование, что облегчает обнаружение небольших дефектов, таких как трещины на ветряной турбине, и снижает необходимость для техников взбираться на турбины и спускаться по лопастям. Это может быть особенно полезно, когда дороги мокрые или непроходимые.

Стоит ли рассматривать решения для ветроэнергетики?

Производство энергии ветром остается одним из наименьших углеродных следов из всех источников энергии. Он играет важную роль в будущем энергоснабжения нашей страны, поддерживая энергетический переход нашего мира и растущий спрос на устойчивые энергетические ресурсы.

Ветер также является одним из лучших способов для корпораций, университетов, городов, коммунальных служб и других организаций быстро перейти на безэмиссионную энергию в масштабе. Одно соглашение о покупке виртуальной энергии (VPPA) может обеспечить от десятков до сотен мегаватт чистой нулевой электроэнергии на срок от 10 до 25 лет. В большинстве соглашений также ставится отметка о дополнительности, что означает чистые новые источники экологически чистой энергии, замещающие потенциально старые источники энергии с более высоким уровнем выбросов.

Где лучше всего разместить проект ветроэнергетики?

Существует шесть основных соображений для проектов в области ветроэнергетики:

• Наличие ветра и желаемые местоположения
• Воздействие на окружающую среду
• Вклад сообщества и местные потребности в производстве возобновляемой энергии
• Благоприятная политика на уровне штата и на федеральном уровне
• Доступность земли
• Возможность подключения к электросети

Как и в случае с коммерческими солнечными фотоэлектрическими проектами, перед запуском ветроэнергетической установки необходимо получить разрешения. Этот важный шаг поможет определить, является ли проект финансово жизнеспособным и имеет ли он благоприятный профиль рисков. В конце концов, цель состоит в том, чтобы коммерческие ветровые проекты доставляли электроны в сеть на десятилетия вперед. Обеспечение финансовой устойчивости строителя И проекта обеспечит успех для поколения или более.