Вятърни турбини - Училище за електротехник всичко за електротехниката и електрониката
Вятърната електроцентрала (ВЕЦ) е комплекс от взаимосвързано оборудване и конструкции, предназначени да преобразуват вятърната енергия в други видове енергия (електрическа, механична, топлинна и др.).
Вятърната турбина, която е основната част от вятърната турбина, се състои от вятърна турбина, система за предаване на вятърна енергия към товара (потребителя) и самия потребител на вятърна енергия (всяко устройство: генератор на електрическа машина, водна помпа, нагревател и др.).
Вятърната турбина е устройство за преобразуване на кинетичната енергия на вятъра в механична енергия на работното движение на вятърната турбина. Работните движения, които една вятърна турбина прави могат да бъдат различни. В съществуващите днес вятърни турбини се използва кръгово въртеливо движение като работно движение. В същото време са известни (понякога дори реализирани) многобройни предложения за използване на други видове движение на труда, например осцилаторно.
Системата от лопатки на вятърна турбина (вятърно колело) може да има различен дизайн. В съвременните вятърни турбини системата от лопатки е направена под формата на твърди лопатки с профил на крилото в напречно сечение (понякога в този случай се използват термините "лопаткови" или витлови вятърни турбини).
Известни са успешно работещи системи с лопатки, в които се използват въртящи се цилиндри вместо лопатки (използвайки ефекта на Магнус). Има предложения за създаване на система от лопатки, базирана на различни видове лопатки с гъвкави повърхности (платна).
По този начин перката е неразделна част от вятърното колело, което създава въртящ момент. Лопатковата система на вятърна турбина с работещо кръгово въртеливо движение можеимат хоризонтална или вертикална ос на въртене.
При изчисляване и проектиране на конкретна вятърна турбина, в допълнение към ветровите условия на нейната работа, е необходимо да се вземат предвид както характеристиките на вятърната турбина, тика и цялата вятърна турбина. В тази връзка вятърните турбини се класифицират според следните критерии:
тип произведена енергия
знак за работа с постоянна или променлива честота на въртене на вятърното колело,
тип преносна система.
В зависимост от вида на генерираната енергия, всички вятърни електроцентрали се разделят на вятърни електрически и вятърни механични. Електрическите вятърни турбини от своя страна се разделят на вградени инсталации, които генерират електричество постоянен или променлив ток. Механичните вятърни турбини се използват за задвижване на работни машини.
В зависимост от предназначението електрическите вятърни турбини с постоянен ток се разделят на вятърни турбини, гарантирано захранване на потребителя, негарантирано захранване. Електрическите вятърни турбини с променлив ток се разделят на автономни, хибридни, работещи паралелно с енергийна система със сравнима мощност (например с дизелова централа), мрежа, работеща паралелно с мощна енергийна система.
Класификацията на вятърните електроцентрали по приложение се определя от тяхното предназначение.
При изчисляване и проектиране на вятърна турбина и избор на нейните номинални параметри е необходимо да се вземе предвид вида на товара (електрически генератор, водна помпа и др.), вида на системата за пренос на вятърна енергия към потребителя, вида на системата за генериране и съхранение на енергия.
Системата за предаване на вятърна енергия е определен комплекс от различни устройства за предаване на мощност от вала на вятърното колело към вала на съответната машина на вятърната турбина (потребител) с или без повишаване на честотатавъртене на моята машина. В съвременната вятърна енергия най-често се използва механичният метод за пренос на енергия.
Системата за генериране на електроенергия представлява електрическа машина генератор и набор от устройства (устройства за управление, силова електроника, акумулатор и др.) за свързване към консуматор със стандартни мощностни параметри.
Вятърните турбини се произвеждат и работят с мощност от няколко вата до хиляди киловата. Има четири групи: много ниска мощност - под 5 kW, малка мощност - от 5 до 99 kW, средна мощност - от 100 до 1000 kW, голяма мощност - над 1 MW. Вятърните турбини от всяка група се различават една от друга предимно по своя дизайн, тип фундамент, метод за инсталиране на вятърната турбина във вятъра, система за управление, система за предаване на вятърна енергия, метод на инсталиране и метод на поддръжка.
Използват се предимно хоризонтално-аксиални вятърни турбини.
На фиг. 1 показва дизайна на вятърна електроцентрала и общ изглед на вятърна електроцентрала.
Ориз. 1. Конструкцията на вятърна електроцентрала: 1 - вятърна турбина (вятърно колело), 2 - вятърна глава, 3 - генератор, 4 - скоростна кутия, 5 - въртяща се маса, 6 - измервателно устройство, 7 - мачта на вятърна турбина съдържа вятърна турбина и електрически генератор, свързан към вала на вятърната турбина директно или чрез скоростна кутия.
Вятърната турбина съдържа вятърна турбина и електрически генератор, свързан към вала на вятърната турбина директно или чрез скоростна кутия.
Вятърната електроцентрала (ВЕЦ) се състои от няколко вятърни електроцентрали, работещи паралелно и доставящи произведената електроенергия към електрическата мрежа.
Измервателният уред дава сигнал за завиванеwindhead при промяна на посоката или силата на вятъра, а също така регулира ъгъла на въртене на лопатките в зависимост от силата на вятъра.
Има вятърни турбини за 500, 1000, 1500, 2000, 4000 kW. Вятърна турбина с мощност 500 kW има: мачта с височина 40–110 m, вятърна глава с тегло 15–30 тона, скорост на въртене n = 20–200 rpm, скорост на ротора на генератора 750–1500 rpm (предавка) или 20–200 rpm (директно задвижване).
Като генератори във вятърни турбини по-често се използват асинхронни генератори с ротор с катерица, които се различават от синхронните с по-голяма надеждност, прост дизайн и по-малко тегло, което е необходимо за подобряване на надеждността на вятърната турбина.
Вятърните електроцентрали могат да работят автономно или паралелно с електрическата мрежа. По време на автономна работа скоростта на въртене на вятърната турбина HP не се регулира или поддържа в рамките на ± 50%, поради което честотата и напрежението на клемите на генератора не са постоянни, т.е. генерираната електрическа енергия е с лошо качество и потребителите на такива вятърни турбини често не налагат високи изисквания за качество (главно нагревателни устройства). За получаване на висококачествена енергия се използват стабилизатори, състоящи се от токоизправител, инвертор и батерия.
Мощните вятърни турбини работят паралелно с електроенергийната система (фиг. 2). Тази паралелна връзка осигурява постоянството на честотата, напрежението и скоростта на вятърната турбина. Мощността, която генераторът дава на мрежата зависи от въртящия момент на двигателя и се определя от силата на вятъра.
Възможно е да се работи съвместно с мрежа от вятърни турбини с връзка чрез междинен честотен преобразувател при променлива скорост на вятърната турбина.
Когато се използва асинхронен генератор, вятърната турбина също може да работи спроменлива скорост, а генераторът доставя висококачествена електроенергия към мрежата. За възбуждане асинхронният генератор консумира реактивна мощност от мрежата или от специална кондензаторна банка, докато синхронният генератор я създава сам.
Ориз. 2. Паралелна работа на вятърна електроцентрала с мощна енергийна система: VD - вятърна турбина, R - скоростна кутия, G - генератор, V - токоизправител, I - инвертор, U - блок за управление, ES - енергийна система
Характеристики на системните вятърни електроцентрали (ВЕЦ):
1. Разположени са на места с висок потенциал на вятъра.
2. Имат мощност на енергоблокове: 1500-2000 kW и повече с континентално базиране и 4000-5000 kW с морско и брегово базиране.
3. Използват се асинхронни генератори с ротор с катерица и синхронни генератори (често с възбуждане от постоянни магнити) с ниско генераторно напрежение (0,50-0,69 kV).
4. Ниска ефективност на станцията - 30-40%.
5. Без топлинно натоварване.
6. Висока маневреност, но пълна зависимост от метеорологичните условия.
7. Диапазонът на работните скорости на вятъра е от 3,0-3,5 до 20-25 m/s. Когато скоростта на вятъра е по-малка от 3,0-3,5 m/s и повече от 20-25 m/s, вятърните турбини се изключват от мрежата и се поставят в неработно положение, а когато скоростта на вятъра се възстанови, вятърните турбини се свързват към мрежата и се ускоряват с помощта на генератор, работещ в двигателен режим.
8. Липса на отвеждане на електроенергия при генераторно напрежение (освен за собствени нужди).
9. Пренос на електрическа енергия до потребители на напрежение 10, 35, 110 kV.
