СТРУКТУРА АВТОНОМНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Использование силы ветра для производства электрической энергии является основным направлением технического прогресса в мире, несмотря на проблемы, вызванные холодной зимой 2021/2022 года. В ряде стран доля электроэнергии, производимая с помощью ветроэлектростанций достигает 30-50 % от всей вырабатываемой электроэнергии [1,2]. Во всех странах ведутся работы по производству и установке комплектного оборудования для ветроэлектростанций, однако всё это оборудование предназначено для комплектации крупных стационарных ветропарков мощностью в несколько сотен мегаватт и более. В нашей же стране более актуальна проблема электроснабжения различных мелких потребителей, расположенных на большом удалении от линий электропередач. Нагрузка таких потребителей составляет единицы или десятки киловатт, а потребность в электроэнергии носит временной или сезонный характер. К таким объектам относятся: пасеки, плодовоовощные сушильни, временные постройки и сооружения, объекты строительства, транспортные сооружения для дорожных работ, летние лагеря и лагеря для кочевого выпаса скота и так далее. Подключение данных потребителей к системам централизованного электроснабжения является весьма нерентабельным и нецелесообразным мероприятием, поскольку их местоположение может меняться каждый сезон. Поэтому автономное электроснабжение является актуальной проблемой во всех географических областях России и требует новых решений в вопросах применения источников возобновляемой энергии в комбинации с привычными видами получения электрической энергии. Учитывая, что в нашей стране серийно не производится комплектное оборудование для этих целей, то проблема создания подобных мобильных сельскохозяйственных ветроэнергетических установок является весьма актуальной в настоящее время.

Основными требованиями к автономным, мобильным ветроэнергетическим установкам является обеспечение их мобильности, то есть возможности быстрой сборки, разборки и транспортировки одним транспортным средством, а также высокой эффективности, относительно низкой стоимости производства и эксплуатации. Таким образом, обеспечение всех требований к мобильной ветроэнергетической установке для питания локальных сельскохозяйственных потребителей связано с оптимальным выбором всех её компонентов и схемы их соединения.

На рис. 1 представлена упрощенная структурная схема любой ветроэнергетической установки [1].

Рисунок 1. Типовая структура ветроэнергетической установки

Её основными элементами являются ветровая турбина, обычно называемая ветровым ротором, передаточный механизм в виде редуктора с тормозом, который передаёт вращение на электрический генератор. Поскольку частота вращения ветровой турбины определяется скоростью ветра, то как правило, изменяется в больших пределах, поэтому для получения электрической энергии приемлемого качества применяются различные преобразователи напряжения. Аккумуляторная батарея используется для питания системы управления, как балластное сопротивление или как источник электрической энергии при отсутствии ветра. Кроме того, обязательным элементом автономной ветроэнергетической установки является её система управления.

Эффективность всей ветроэнергетической установки определяется, прежде всего, правильным выбором всех её компонентов. Поэтому рассмотрим структуру ветроэнергетических установок более подробно.

Ветровая турбина является основным элементом всех ветроэнергетических установок и определяет их конструкцию. Всё это многообразие конструкций ветровых можно разделить на две группы по принципу действия: с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Каждый из этих двух типов ветровых роторов имеет свои достоинства и недостатки. Так, например, ветровой ротор с горизонтальной осью вращения имеет большую мощность и частоту вращения чем роторы с вертикальной осью вращения, но при этом электрический генератор и передаточный механизм должны располагаться на оси вращения ветрового ротора. Чтобы вращающиеся с большой скоростью лопасти ветровой турбины не мешали проходу под ней, высота установки ветровой турбины должна быть достаточно большой. В этом случае возникает проблема установки большой массы на высоте, когда для обеспечения устойчивости системы требуется достаточно массивная, жёстко закреплённая на земле мачта, на которой и должен устанавливаться ветровой ротор со всем оборудованием. Кроме этого, ветровой ротор необходимо поворачивать по направлению ветра, что усложняет и удорожает конструкцию. Эта особенность ветровых турбин с горизонтальной осью вращения затрудняет их применение в качестве мобильных устройств, ограничивая только стационарными установками большой мощности [3].

Ветровые турбины с вертикальным расположением оси вращения более предпочтительны для использования в мобильных установках, поскольку в этом случае наиболее тяжёлая часть в виде передаточного механизма, генератора и силовой части находится на уровне земли, что значительно повышает устойчивость механической системы и не требует стационарного закрепления мачты с ротором на земле. Для крепления такой мачты достаточно только растяжек, как это показано на рис. 2.

Рисунок 2. Внешний вид мачты при вертикальном расположении оси вращения турбины

Кроме этого, положительными качествами всех ветрогенераторов с вертикальной осью вращения являются следующие факторы:

• нет необходимости поворачивать ротор по направлению ветра, он вращается при любом направлении ветра;
• в отличие от ветрогенераторов с горизонтальной осью, имеет только одну ось вращения, и, следовательно, больший срок службы;
• имеет возможность установки на небольшой высоте - от 1,5м, в зависимости от конструкции;
• благодаря возможности создания жесткой конструкции с несколькими точками опоры, эти ветрогенераторы работают при большей максимальной скорости ветра и более устойчивы к разрушающему воздействию ветра;
• все важные подвижные элементы находятся в нижней части ветрогенератора, что позволяет удобно его обслуживать.

Известно большое количество самых разнообразных конструкций ветровых турбин с вертикальной осью вращения [3,4], но с точки зрения мобильности всей установки она должна отвечать следующим требованиям

• турбина должна иметь разборную конструкцию для удобства перевозки;
• детали турбины должны иметь размеры, позволяющие перевозить их в одном транспортном средстве;
• монтаж и разборка турбины должны быть доступны в полевых условиях без применения дополнительных механизмов.