Wind Turbine basics

Wind Turbine basics

• Як саме воно ПрацюєЯк саме воно Працює & & Як воно НЕ Працює Як воно НЕ Працює(і що при тім робити слід/варт)(і що при тім робити слід/варт)

Інститут Комп’ютерних технологій, Автоматики та Метрології Національний університет "Львівська політехніка"

професор Богдан І. Стадник

-2010-

ВітроенергетикаВітроенергетика-- Огляд-- Огляд

ВітроЕнергія -003-

1Вітроенергетика. Основні терміни2Вітрові турбіни2.1Типи вітрових турбін2.1.1.Горизонтально–осьові турбіни2.1.2.Вертикально–осьові турбіни2.2Будова вітроенергетичної установки3Системи регулювання у вітрових турбінах3.1Методи регулювання потужності3.2Методи регулювання швидкості3.2.1.Регулювання швидкості типу А: фіксованої швидкості3.2.2.Регулювання швидкості типу В: обмеженої змінної швидкості3.2.3.Регулювання швидкості типу С: змінної швидкості з частково-масштабованим частотним перетворювачем3.2.4.Регулювання швидкості типу D: змінної швидкості з повномасштабним частотним перетворювачем4Генератор. Основні поняття4.1Асинхронний (індукційний) генератор (ІГ)4.1.1.Індукційний генератор з короткозамкненим ротором (КЗІГ)4.1.2. Індукційний генератор з фазним ротором (ФРІГ)4.1.3. Індукційний генератор з OptiSlip (ОКІГ)4.1.4. Індукційний генератор подвійного живлення (ПЖІГ)4.2 Синхронний генератор (СГ)4.2.1. Синхронний генератор з фазним ротором (ФСГ)4.2.2. Синхронний генератор з постійним магнітом (МСГ)4.3 Перспективні типи генераторів4.3.1. Генератори високої напруги (ВНГ)4.3.2. Генератор перемикання магнітного потоку (ПМПГ)4.3.3. Генератор поперечного потоку (ППГ)

5 Силова електроніка для вітрових турбін5.1 Плавний пускач5.2 Батарея конденсаторів5.3 Випрямлячі та інвертори5.4 Частотний перетворювачДодаток АДодаток БДодаток ВДодаток Г


Характерною прикметою сучасної енергетики України є рух в напряму розвитку екологічно чистої енергетики на основі нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії.

Досить швидким темпам її розвитку сприяє науковий та практичний доробок в цій галузі, набутий на протязі останніх 20 років.

В останній час нетрадиційна енергетика отримала визнання з боку державних органів влади, в результаті чого підготовлено та прийнято ряд державних програм і поправок до законів про енергетику, що створює сприятливі умови як для впровадження і експлуатації вже розробленого обладнання нетрадиційної енергетики, так і розвитку нових енерготехнологій та устаткування.


Розвиток відновлювальної енергетики для України не менш важливий, ніж для країн Європейського Союзу.

Спільною для нас є обмеженість власної сировинної бази щодо газу і нафти та залежність від поставок цього органічного палива з зовнішніх джерел. Однак такі поставки для європейських країн диверсифіковані. Україна ж залежить виключно від однієї країни-постачальника — Російської Федерації.

Друга особливість нашої економіки — велика питома вага у структурі валового внутрішнього продукту енергоємних галузей: металургії, хімії, виробництва цементу та інших, що робить економіку України ще більш енерговразливою.


Директива Європейського Союзу від 27 вересня 2001 року вимагає від країн-членів встановити національні індикативні цільові показники споживання електроенергії, виробленої з відновлювальних джерел, та формулює завдання досягти 12% валового внутрішнього споживання за рахунок такої електроенергії до 2010 року.


В Україні є значні ресурси більшості відомих на сьогодні видів ВНДЕ. Але реальні передумови: технічна спроможність і необхідний науковий потенціал існують на двох напрямах — це використання енергії вітру та енергії малих річок.

За даними НАН України, розбудова малої гідроенергетики може дати країні до 4 млрд. кВт•год, а вітроенергетики — 30—45 млрд. кВт•год електроенергії на рік. Освоєння цього значного потенціалу в Україні, можна сказати, ще не почалося. До речі, саме вітроенергетика в останні 10—15 років інтенсивно розвивається в Європі, США та багатьох країнах Азії і, по суті, є основним напрямом освоєння ВНДЕ у світі.


Уже на той час західноєвропейські країни, зокрема Данія та Німеччина, мали солідні результати у розвитку вітроенергетики. Їх досвід показував, що успіх великою мірою залежить від державної підтримки. По-перше, ВЕУ — це досить складні у технічному відношенні агрегати, більшість вузлів яких потребує створення спеціалізованих виробництв та значних інвестицій. По-друге, попри очевидні переваги ВЕУ як генераторів, що працюють без палива, навіть у Європі вони не витримували конкуренції з тепловими, атомними і тим більше гідроелектростанціями через високу ціну виробленої ними електроенергії. Вони не вироблялися серійно, а одинична потужність навіть промислових ВЕУ була дуже малою. Не на користь вітроенергетики були і відносно невисокі на той час ціни на органічне та ядерне паливо. В Україні потенційна конкурентоспроможність вітроенергетики тоді була ще меншою.


.


ВітроенергетикаВ Україні промислове освоєння енергії вітру розпочалося на початку дев’яностих років минулого століття з ініціативи нечисленних ентузіастів. У той період економіка країни переживала далеко не найкращі часи. У наявності був весь кризовий набір: галопуюча інфляція, глибокий спад виробництва, величезна армія безробітних і бартерні схеми розрахунків. Якогось впливу на паливно-енергетичний баланс країни у коротко- чи середньостроковій перспективі від цієї ініціативи не очікували. Разом з тим розвиток цього напрямку енергетики міг дати хоч якусь роботу підприємствам військово-промислового комплексу, більшість з яких на той час не мали замовлень. Тому цю ініціативу підтримало Міністерство промислової політики України, у підпорядкуванні якого перебували заводи, що потенційно могли виготовляти вітроенергетичні установки (ВЕУ).


Кліматична карта УкраїниПривертає увагу менша кількість шилей

(цифри у колі)у центральних регіонах

(Полтава)


Вартість опалення різними видами палива.Для розрахунку ми взяли середні вартості різних видів палива та ккд найпоширеніших опалювальних пристроїв . В розрахунку взята тільки вартість палива, без вартості опалювальних пристроїв, дозволів на підключення (газу) і т. д.

Вид палива та нагрівального пристрою Одиницявимі- рювання Вартість палива

Тепло-творна влас-тивість

палива

ККДНагріва-льного

пристрою

отриманетепло

Ціна одного кВт

тепла

од грн/од кВт/од % кВт/од грн

Вугілля Твердопаливний котел тона 600 5180 70 3626 0.16

Дрова Твердопаливний котел м.куб 100 1500 0,4 600 0.17

Піролізний котел м.куб 100 1500 0,86 1290 0.08

Газ для фізичних осіб при використанні до 2500 в рік газовий котелм.куб 0.483 8 0.8 6.4 0.08

при використанні до 6000 в рік газовий котел м.куб 0.732 8 0.8 6.4 0.12

Газ для юридичних осіб газовий котел м.куб 2.630 8 0.8 6.4 0.42

Дизпаливо Дизельний котел Тона 5500 10000 0.8 8000 0.69

Електроенергія для фізичних осіб .

Звичайний облік Електродний котелкВт 0.24 1 0.98 0.98 0.25

Техумови на електроопалення Трьохтарифний облік

Період - ніч .Електродний котелкВт 0.07 1 0.98 0.98 0.07

Період - пік .Електродний котел кВт 0.27 1 0.98 0.98 0.28

Звичайний облік Тепловий насос кВт 0.24 1 4,5 4,5 0.05

Техумови на електроопалення Тепловий насос кВт 0.187 1 4,5 4,5 0.04

Техумови на електроопалення Трьохтарифний облік Період

- ніч .Тепловий насоскВт 0.07 1 4,5 4,5 0.015

Період - пік кВт 0.27 1 4,5 4,5 0.06

Період - день кВт 0.187 1 4,5 4,5 0.04

Електроенергія для Юридичних осіб.


Трьохтарифний облік Період - пік .Тепловий насос кВт 1.26 1 4,5 4,5 0.28

Трьохтарифний облік Період - день .Тепловий насос кВт 0.7 1 4,5 4,5 0.156

http://frankeko.com.ua/information.php?page=ek&subpage=inform8


Вид палива та нагрівального пристроюОдиниця

вимі- рювання

Вартість

палива

Тепло-творна

влас-тивість

палива

ККДНагріва-льного

пристрою

отриманетепло

Ціна одного

кВт тепла

од грн/од кВт/од % кВт/од грн

Вугілля Твердопаливний котел тона 600 5180 70 3626 0.16

Дрова Твердопаливний котел м.куб 100 1500 0,4 600 0.17

Піролізний котел м.куб 100 1500 0,86 1290 0.08

Газ для фізичних осіб при використанні до 2500 в рік газовий котел м.куб 0.483 8 0.8 6.4 0.08

при використанні до 6000 в рік газовий котел м.куб 0.732 8 0.8 6.4 0.12

Газ для юридичних осіб газовий котел м.куб 2.630 8 0.8 6.4 0.42

Дизпаливо Дизельний котел Тона 5500 10000 0.8 8000 0.69

Електроенергія для фізичних осіб .


Техумови на електроопалення Трьохтарифний облік

Період - ніч .Електродний котелкВт 0.07 1 0.98 0.98 0.07

Період - пік .Електродний котел кВт 0.27 1 0.98 0.98 0.28

Звичайний облік Тепловий насос кВт 0.24 1 4,5 4,5 0.05

Техумови на електроопалення Тепловий насос кВт 0.187 1 4,5 4,5 0.04

Техумови на електроопалення Трьохтарифний облік Період -

ніч .Тепловий насоскВт 0.07 1 4,5 4,5 0.015

Період - пік кВт 0.27 1 4,5 4,5 0.06

Період - день кВт 0.187 1 4,5 4,5 0.04

Електроенергія для Юридичних осіб.


Трьохтарифний облік Період - пік .Тепловий насос кВт 1.26 1 4,5 4,5 0.28

Трьохтарифний облік Період - день .Тепловий насос кВт 0.7 1 4,5 4,5 0.156


Основні терміниВітроенергетика – це галузь виробництва, яка базується на перетворенні енергії вітру в електричну енергію. Перетворення енергії здійснюється за допомогою вітрових турбін (вітрогенераторів). Вітер обертає ротор турбіни, від якого це обертання передається на генератор, який генерує електричний струм. Вітер. Вітром називають переміщення потоків повітря в масштабах Землі. Основними причинами виникнення вітру є рух повітря від зон більш високого тиску в зони з меншим тиском та обертання планети (сила Коріоліса). В масштабах місцевості рух повітря залежить також від сил тертя за рахунок нерівностей ландшафту та від різниці температур різних ділянок поверхні землі.


Потенціал вітрової енергії в Україні

Україна має потужні ресурси вітрової енергії: річний технічний вітроенергетичний потенціал дорівнює 30 млрд. кВт´год.

В результаті обробки статистичних метеорологічних даних по швидкості та повторюваності швидкості вітру проведено районування території України по швидкостях вітру

і визначено питомий енергетичний потенціал вітру на різній висоті відповідно до зон районування.


Карта Середньої Швидкості Вітру


Питомий енергетичний потенціал вітрової енергії в Україні

№ районуСередньорічна

швидкість вітру,Vср, м/с

Висота,м

Природнийпотенціал вітру,кВт´год/м2 рік

Технічно-досяжнийпотенціал вітру,кВт´год/м2 рік

1 <4,25

15 1120 20030 1510 28060 2030 375

100 2530 460

2 4,5

15 2010 39030 2710 52060 3640 700

100 4540 850

3 5,0

15 2810 52030 3790 69060 5100 860

100 6350 975

4 5,5

15 3200 62030 4320 83060 5810 1020

100 7230 1150


Приведені дані є базовими при впровадженні вітроенергетичного обладнання і призначені до використання проектувальниками об'єктів вітроенергетики для встановлення оптимальної потужності вітроагрегатів та тилу енергії (електрична або механічна) для ефективного її виробництва в конкретній місцевості.

В умовах України за допомогою вітроустановок можливим є використання 15¸19% річного об'єму енергії вітру, що проходить крізь перетин поверхні вітроколеса. Очікувані обсяги виробництва електроенергії з 1 м2 перетину площі вітроколеса в перспективних регіонах складають 800¸1000 кВт´год/м2 за рік.


Застосуванння вітроустановок для виробництва електроенергії в промислових масштабах найбільш ефективно в регіонах України, де середньорічна швидкість вітру > 5 м/с: на Азово-Чорноморському узбережжі, в Одеській, Херсонській, Запорізькій, Донецькій, Луганській, Миколаївській областях, АР Крим та в районі Карпат.

Експлуатація тихохідних багатолопатевих вітроустановок з підвищеним обертаючим моментом для виконання механічної роботи (помолу зерна, підняття та перекачки води і т.п.) є ефективною практично на всій території України.


Вітроенергетика України має достатній досвід виробництва, проектування, будівництва, експлуатації та обслуговування як вітроенергетичних установок, так і вітроенергетичних станцій; в країні є достатньо високий науково-технічний потенціал і розвинена виробнича база.

В останній час розвитку вітроенергетичного сектора сприяє державна підтримка, що забезпечує реалізацію ініціатив по удосконаленню законодавства, структури керування, створенню вигідних умов для внутрішніх і зовнішніх інвесторів.


Реалізація державних національних програм в галузі вітроенергетики на 2010 рік передбачає загальне річне виробництво електроенергії на вітроелектростанціях та автономних вітроустановках близько 5,71 млн. МВт´год;

що дозволить забезпечити біля 2,5 відсотків від загального річного електроспоживання в Україні.


Класифікація вітрів. Класифікацію вітрів здійснюють за різними ознаками, в т.ч. за силою, швидкістю, напрямком, тривалістю, масштабом тощо. Завдяки доступності, екологічності, відновлюваності та дешевизні вітрової енергії, її використовують як для виробництва електроенергії (за допомогою вітроенергетичних установок), так і в інших галузях.

ДОВВЕСТИ швидкості вітрів Галицького вітрорегіону


Вітроенергетичні установки. Вітроенергетична установка (ВЕУ) складається з комплексу споруд та механізмів, які використовуються для промислового виробництва електроенергії за рахунок енергії вітру. Основними складовими частинами ВЕУ є власне вітрогенератор (турбіна - turbine) та вежа (tower), на якій вітрогенератор розташований. Фактори, які слід враховувати при проектуванні ВЕУ. Основними факторами, від яких залежить корисна потужність вітроенергетичної установки (вітрогенератора), є, зокрема, швидкість та напрямок вітру (роза вітрів), структура навколишнього ландшафту, висота встановлення (висота вежі) тощо. Далі детальніше про фактори впливу на ВЕУ.


Роза вітрів. Розою вітрів називають відображення багаторічних та короткочасних метеорологічних спостережень за напрямком та швидкістю вітру в даній місцевості.На карті роз вітрів відображається відносна частота різних напрямків вітру по часу, добуток відносної частоти на середню швидкість по кожному з напрямків, або ж нормалізований добуток частоти на середню швидкість по кожному з напрямків (приведений до 100%). За допомогою карт рози вітрів розраховують потужність ВЕУ та виконують орієнтування певних видів вітрогенераторів таким чином, щоб забезпечити відбір максимальної потужності від енергії вітру найбільш частого напрямку вітру із забезпеченням максимальних значень коефіцієнта корисної дії.


Швидкість вітру. Швидкість вітру безпосередньо впливає (визначає) на потужність турбіни, оскільки енергія вітру пропорційна його швидкості в третьому степені. Частота обертання ротора, а, отже і потужність генератора, знаходяться в прямій залежності від енергії вітру. доввестИ “ перед-виміряне (вітер) регулювання Обертання Ротора з пост-вимірюванням (биття та рівномірність)”


Напрямок вітру. Напрямок вітру – величина, що практично постійно змінюється та залежить в основному від погодних умов. В зв’язку з перемінністю напрямку та швидкості вітру у вітроенергетиці застосовують карти роз вітрів та різноманітні методи прогнозування вітрової енергії. доввестИ “методи вимірювання Напрямку та Швидкості вітру” (картинки!!)

Обмежувачі Потужності Турбін

• Енергія вітру

• Betz межа (потік повітря не може бути сповільнений до нуля)

• Втрати ККД при низьких кутових швидкостях

• Довготривалі втрати – втрати від Неоптимальної Аеродинаміки та Конструктивні та Логістичні прорахунки


Вимірювання швидкості та напрямку вітру. Ці вимірювання мають важливе значення для вітроенергетики. Швидкість вітру вимірюється анемометром, частіше за допомогою обертового чашкового або гвинтового. В деяких випадках вимірювання швидкості вітру проводять вимірюванням ультразвукових сигналів або дії вентиляції на резистор, що нагрівається. Інший тип анемометра використовує трубку Піто, яка дозволяє вимірювати перепад тиску між внутрішньою і зовнішньою трубою, яка піддається дії вітру для визначення динамічного тиску, який потім використовується для обчислення швидкості вітру. Для визначення швидкості вітру у верхніх шарах атмосфери використовують радіонавігаційний або радіолокаційний зонди. Робота такого зонду базується на ефекті Доплера.


Прогнозування вітрової енергії. Прогнозуванням вітрової енергії називають оцінювання очікуваної продуктивності одного, або декількох вітрогенераторів (парку вітрогенераторів) за наперед визначений період часу в найближчому майбутньому. Наявну (генеровану) потужність парку вітрових турбін віднесену до номінальної потужності вітрових ферм в одиницях потужності (кВт, МВт) називають терміном продуктивність (парку вітрових турбін) або коефіцієнтом використання його встановленої потужності. Прогноз виражається величиною енергії та визначається інтегруванням продуктивності за окремі проміжки часу.Прогнозування вітрової енергії розглядається в різних масштабах часу, та в залежності від передбачуваного застосування.

Різниця між Енергією та Потужністью

ЕнергіяЕнергія ПотужністьПотужність

КількістьКількість НормаНорма

ОдиницяОдиниця kWhkWh kW, MW*kW, MW*

Водна аналогіяВодна аналогія ЛітрЛітр Літр / ГодинаЛітр / Година

Авто-аналогіяАвто-аналогія - Як далеко?- Літр бензину- Як далеко?- Літр бензину

Engine HPEngine HP

Ціна одиниціЦіна одиниці 12 цент/кВ*г12 цент/кВ*г $1,500,000/MW$1,500,000/MW

МаркерМаркер Споживання АБО виробництвоСпоживання АБО виробництво

Встановлена величинаВстановлена величина


На сьогодні існує та застосовується багато різноманітних методів короткострокового прогнозування вітрогенерування (вітроенергії). Найпростіший з них ґрунтується на метеорологічних даних (кліматологія) або ж середніх статистичних значеннях минулого фактичного виробництва. Цей метод може бути застосований в якості еталонного методу, оскільки він достатньо простий в реалізації. Також, цей метод може бути використаний як базовий при оцінюванні більш сучасних та передових методів. Для розширеного методу короткострокового прогнозування є необхідним прогнозування метеорологічних змін для застосування їх в якості вхідних величин вітрового виробництва електроенергії, у рамках так званої кривої потужності.


Розширені методи прогнозування традиційно поділяються на дві групи. Перша група розширеного прогнозування, яку іменують фізичний підход,- основну увагу приділяється опису вітрового потоку навколо та всередині вітрової турбіни, та використовується криву потужності заводу-виробника для оцінювання потужності вітроенергії. Одночасно з цим друга група (статистичний підхід), концентрується на аналізі співвідношення між метеопрогнозами та вихідною потужністю з використанням статистичних моделей, при цьому параметри оцінюються виключно за зібраними даними. Прогнозування здійснюється за допомогою чисельних прогнозів моделей погоди, які ґрунтуються на рівняннях руху і сили.

Однак зазначене прогнозування потребує уточнень, оскільки всім процесам моделювання притаманна деяка непевність результату вимірювання, яку обов’язково слід враховувати для оптимізації прогнозування.


Структура ландшафту. Структура навколишнього ландшафту відіграє значну роль при встановленні вітрової станції. При встановленні турбін слід враховувати мінімальні відстані від перешкод до турбіни, можливість виникнення турбулентності, ефектів тунелю та пагорба. Нехтування переліченими факторами може призводити до недостатньо ефективної роботи турбін.


Конструкція ВЕУ. Конструкція ВЕУ також має бути найбільш придатною для ефективної роботи. Висота вежі вітрогенератора, має бути оптимальною і враховувати виникнення вітрової тіні. Конструкція ротора та інших частин вітрової турбіни також повинна бути оптимальною та розрахованою на максимальний відбір енергії вітру в заданих умовах даної місцевості, матеріали для виготовлення турбіни мають бути корозійно- та зносостійкими. Анемометри повинні бути точними та нечутливими до обмерзання. Обов’язково слід передбачати встановлення блискавкозахисту. При проектуванні турбіни також слід враховувати рівень шуму та вібрації, від роботи турбіни, та оцінювати можливий їх вплив на людей.

Вітрові турбіни часто встановлюють великими групами, таким чином утворюючи парки вітрогенераторів.


Парки вітрогенераторів. Вітровим парком називають вітроелектростанцію, яка складається із сукупності вітрогенераторів. Типовий вітровий парк включає 80 вітрогенераторів, встановлених квадратом 8 × 10. Встановлена потужність кожної турбіни може досягати 5 МВт. Встановленою називають потужність, яку міг би виробляти генератор, якщо міг би використовувати її на 100%. В європейських умовах коефіцієнт використання встановленої потужності ВЕУ (щільність потужності) ≈25%.Легко вирахувати, що реальна генерована потужність окремо взятого вітрового парку може скласти 5 × 80 × 0,25, тобто 100 МВт, що співмірно із показниками ГЕС.


Парки вітрогенераторів. Вітровим парком називають вітроелектростанцію, яка складається із сукупності вітрогенераторів.


Парки вітрогенераторів можуть займати й значно більші площі, проте ділянки під ВЕУ частково можливо використовувати в сільськогосподарських цілях, або ж встановлювати офшорні парки вітрогенераторів, які працюватимуть від енергії вітрів над водними поверхнями (океани, моря або озера).

Місце планування парків вибирають із розрахунку перспективності, але це не завжди оптимально, оскільки також слід враховувати *фактор екологічності, *віддаленості від населених пунктів (втрати електроенергії при передаванні на велику відстань) тощо.

При плануванні парків слід враховувати розміщення турбін відносно перешкод, їх оптимальну висоту та взаємний вплив турбін по відношенню одна до одної.


Слід відмітити, що раніше електромережі з небажанням брали електроенергію від вітрових ферм, оскільки виробіток енергії від них – нестабільний…

Враховуючи те, що електромережі підвладні періодичним пікам та провалам електроспоживання, потік енергії від ВЕУ стає додатковим дестабілізуючим фактором, хоча з встановленням системи перетворення виробленого струму та синхронізації його з загальними темпорально-енергетичними параметрами мережі – вони стали більш довершеними. До того ж концепція передачі енергії в декілька мереж одночасно (створення об’єднаних мереж – "supergrid") вирішує проблеми нестабільності споживання. Враховуючи вищенаведене, слід сказати що за вітровими парками велика перспектива.


Екологічні аспекти ВЕУ. З екологічної точки зору використання вітрової енергії менш шкідливе порівняно із традиційними джерелами енергії. Вітрова енергія не використовує органічне чи ядерне паливо, а тому не призводить до забруднення повітря. Витрати енергії на виготовлення, транспортування та встановлення вітрових турбін, компенсуються виробленою енергією за кілька місяців роботи. Негативними наслідками встановлення вітрових турбін є їх небезпека для птахів та кажанів, можлива зміна клімату у глобальних та місцевих масштабах, неможливість повноцінного застосування ділянок, виділених під вітрові станції. Всі перелічені фактори враховують при проектуванні вітрових станцій. Проблема шкідливого впливу шуму та вібрації на живі організми в минулому була достатньо актуальною, однак кожне нове покоління вітрогенераторів все тихіше та безпечніше. За останні 10 років швидкість обертання ротора знизилась в три рази (від 40 до 12-13 об/хв). Крім того, генератори тепер встановлюють на дуже високі вежі, 120 м та вище. Так, що в Європі з її жорсткими екологічними обмеженнями поряд з наземними вітропарками будують будинки.


Перспективи розвитку. Зростання світової вітрогенерації відбувається буквально шаленими темпами. Якщо десять років тому встановлена потужність всіх ВЕС в світі складала 17 ГВт, то вже в 2009 році цей показник орієнтовно був рівний 154 ГВт. За прогнозами на 2020 рік цей показник складе – 900 ГВт. Тільки за 2008 рік в Європі встановили 5000 вітрогенераторів із встановленою потужністю 2 – 5 МВт кожен, тобто більше десяти щодня. В наш час вітроенергетика перетворилася в хайтек-бізнес із обігом в десятки мільярдів євро. З кожним новим поколінням ВЕУ їх ефективність стає все більшою, а ціна виробництва та обслуговування все меншою. Для прикладу: найновіші редуктори, що використовуються у вітрогенераторах компанії VESTAS – одного з лідерів ринку – мають гарантію на 80 тисяч годин роботи без поломок. Фактично це складає 20 років безперебійної роботи та колосальну економію на ремонтах і обслуговуванні.За прогнозами економістів ЄС до 2015 року графіки цін на електроенергію із традиційних джерел та на енергію від вітростанцій зійдуться, а в подальшому енергія, одержана за допомогою вітру, стане навіть дешевшою.


Будова вітроенергетичної установки Вітроенергетична установка складається з двох основних частин: вежі (tower) та турбіни (turbine). Оскільки кращі характеристики притаманні горизонтально-осьовим турбінам, для них передбачено встановлювати достатньо високі вежі. Турбіна складається з ротора (rotor) та корпуса (housing), в якому знаходяться: мультиплікатор (gearbox), генератор (generator), частотний перетворювач (frequency converter), механізми повороту лопатей (pitch system) та турбіною (yaw motor and yaw system), системи охолодження (cooling system), система регулювання (control system) та захисту (safety system), може також бути і трансформатор (іноді розміщують у підніжжі вежі) (transformer).

На корпусі також знаходиться анемометр (anemometr).


Аеродинамічний дизайн ротора розробляється таким чином, щоб збільшити ефективність відбору енергії вітру та зменшити навантаження на лопаті. Також передбачається наявність механізмів для повороту лопатей та повороту турбіни в залежності від напряму вітру. Ротор перетворює енергію вітру в обертання валу, а мультиплікатор дозволяє збільшити кількість обертів (у випадку слабкого вітру). Генератор перетворює механічну енергію обертанняв електричну енергію, частотний перетворювач приводить цю енергію до необхідної частоти, а трансформатор зменшує або збільшує величину струму. Таким чином далі енергія передається в електромережу. Анемометр служить для визначення напряму та швидкості вітру.


Системи регулювання у вітрових турбінахВітрові турбіни можуть працювати як із постійною, так і зі змінною швидкістю.На початку 90-их років почали встановлювати вітрові турбіни, які працювали із постійною швидкістю. Це означає, що, незалежно від швидкості вітру, швидкість ротора турбіни є постійною і визначається частотою приєднаної мережі,коефіцієнтом мультиплікатора та будовою генератора.


Вітрові турбіни із фіксованою швидкістюВітрові турбіни із фіксованою швидкістю (Fixed-speed wind turbines) обладнані індукційними генераторами (з короткозамкненим або фазним ротором), який приєднаний до мережі напряму через плавний пускач і батарею конденсаторів (для зменшення реактивної потужності). Їх конструкція розроблена для досягнення максимальної ефективності при заданій швидкості вітру. Для збільшення виробітку енергії, генератор має дві обмотки: одна використовується при малих швидкостях вітру (звичайно 8 полюсів), а друга при середніх та високих швидкостях вітру (звичайно 4-6 полюсів).Вітрові турбіни із фіксованою швидкістю добре себе зарекомендували завдяки їх простоті, надійності та міцності. Складова частина вартості їх електричних частин є достатньо низькою. Недоліки таких турбін полягають у неконтрольованому споживанні реактивної потужності, збільшених механічних навантаженнях і обмеженні регулювання потужності. Незалежно від роботи при фіксованій швидкості, всі флуктуації швидкості вітру далі передаються як флуктуації механічного моменту та, відповідно, електричної потужності в мережі.


Вітрові турбіни зі змінною швидкістюВ останні роки переважно використовують турбіни зі змінною швидкістю (variable-speed wind turbines). Такі турбіни розраховані для досягнення максимальної аеродинамічної ефективності при широкому діапазоні зміни швидкостей вітру. Робота турбіни зі змінною швидкістю дає можливість пристосовувати (прискорювати або сповільнювати) швидкість обертання турбіни до перемінної швидкості вітру. Таким чином співвідношення зазначених швидкостей залишається постійним та на заданому рівні, який відповідає максимальному коефіцієнту потужності. На відміну від турбін з фіксованою швидкістю, турбіни зі змінною швидкістю зберігають момент генератора постійним, а зміни швидкості вітру поглинаються швидкістю генератора.Електрична система змінношвидкісних турбін має більшу комплектацію порівняно з одно- чи двошвидкісними турбінами. Зазвичай, змінношвидкісні турбіни складаються з індукційних або синхронних генераторів і приєднані до мережі через перетворювачі, які регулюють швидкість генератора.Переваги змінношвидкісних турбін виражаються збільшеною кількістю поглинутої енергії, покращеною якістю і зменшеними механічними напруженнями на турбіну. Недоліки цих турбін полягають у втратах енергії за рахунок силової електроніки, використанні більшої кількості елементів, і збільшеній вартості обладнання (силової електроніки).При проектуванні та впровадженні змінношвидкісних турбін є змога використання більшої кількості типів генераторів з можливістю застосування декількох комбінацій типів генераторів та перетворювачів.


Поставити яко ілістрацію, що, мовляв “вітровики” вже виправилися з нестабільністю електрогенерації, чим ВЕЛЬМИ псули нерви електропередатчикам, аж до міжфахових напруженнь .


.

Орієнтація• Турбіни можна категоризувати в двох видах,

заснованих на орієнтації ротораВертикальна Вісь Горизонтальна Вісь

Vertical Axis Turbines

Advantages• Omnidirectional

– Accepts wind from any angle

• Components can be mounted at ground level– Ease of service– Lighter weight towers

• Can theoretically use less materials to capture the same amount of wind

Disadvantages• Rotors generally near ground

where wind poorer• Centrifugal force stresses

blades• Poor self-starting capabilities• Requires support at top of

turbine rotor• Requires entire rotor to be

removed to replace bearings• Overall poor performance and

reliability• Have never been commercially

successful

Lift vs Drag VAWTs

Lift Device “Darrieus”– Low solidity,

aerofoil blades– More efficient than

drag device

Drag Device “Savonius”– High solidity, cup

shapes are pushed by the wind

– At best can capture only 15% of wind energy

VAWT’s не були комерційно успішні, але …

Що пару років нова компанія супроводжує обіцянку революційного крупного досягнення в турбіні вітру проектують, це низька вартість, робить краще що-небудь окрім на ринку, і долає всю з попередніх проблем з VAWT’s. Вони можуть також зазвичай бути встановлені на даху або в місті, де вітер бідний.

WindStorMag-Wind

WindTree Wind Wandler

Співвідношення Швидкості Ротора

Ємкісний Чинник

Ідеальна модель Високо-швидкістний

Американський багато-пелюстковий

Horizontal Axis Wind Turbines

• Rotors are usually Up-wind of tower

• Some machines have down-wind rotors, but only commercially available ones are small turbines

ОбрахуванняОптимальної Швидкості Ротора

Енергетичний Коефіцієнт (Ср) Змінюється із Співвідношенням Швидкості Наконечника

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

Cp

12 10 8 6 4 2 0 Співвідношення Швидкості Ротора

Завихорення & Конічна форма• Швидкість руху леза крізь

повітря змінюється з відстанню від центру

• Тому, співвідношення швидкості наконечника змінюється також

• Щоб оптимізувати «кут атаки» уздовж леза/пера, це повинно контролювати від кореня до наконечника

Кількість крил/лопастей• Стандарт-де-факто

Леза з Деревини

з Металу

Композитногопластику

Леза з Деревини ??з Металеві ??з Композитної пластмаси ??

The Kidwind Projectwww.kidwind.org

Леза з Деревини ??з Металеві ??з Композитної пластмаси ??

March 01, 2006 EWEC 2006 – Aerodynamics, Aero-Elasticity, Aero-Acoustics, Loads 120

Проблеми встановлення на Морському Дні

• With Wind Turbines Blades Getting larger and Heavier, Can the Rotor Weight be Reduced by Adding Active Devices?

• Can Active Control be Used to Reduce Fatigue Loads?

• Can Energy Capture in Low Wind Conditions be Improved?

Research Goal:Understand the Implications and Benefits of Embedded Active Blade Control, Used to Alleviate High Frequency Dynamics

Активний Контроль

Потоку

Пропозиція/ПроектMicrotab Concept

Активний Елерон на Zond 750 BladeCourtesy: NREL

Micon 65 – ADAMS Model

NuMAD FEA Model

Wind Energy TechnologyУ це простіше всього, вітер повертає леза турбіни, які прядуть держак, сполучений з генератором, який робить електрику. Великі турбіни можуть групуватися разом, щоб сформувати енергетичну установку вітру, яка годує владу до електричної системи передачі.

Review of Power and Energy Relationships

Force = mass x acceleration F = ma

Typical Units – Pounds, Newtons

Energy = Work (W) = Force (F) x Distance (d)

Typical units - kilowatt hours, Joules, BTU

Power = P = W / time (t)

Typical units kilowatts, Watts , Horsepower

Power = Torque (Q) x Rotational Speed (Ω)

Kinetic Energy in the WindKinetic Energy = Work = ½mV2

Where:M= mass of moving object V = velocity of moving object

What is the mass of moving air?

= density (ρ) x volume (Area x distance)= ρ x A x d= (kg/m3) (m2) (m)= kg

V

A

d

Power in the Wind

Power = Work / t

= Kinetic Energy / t = ½mV2 / t

= ½(ρAd)V2/t= ½ρAV2(d/t)= ½ρAV3

d/t = V

Power in the Wind = ½ρAV3

A couple things to remember…

• Swept Area – A = πR2 (m2) Area of the circle swept by the rotor.

• ρ = air density – in Colorado its about 1-kg/m3

Power in the Wind = ½ρAV3

R

Wind Turbine basics

Contents

Turbine typesMechanical partsElectrical partsPower Control methodsMita-Teknik control systemsSafetySummary

Wind turbine basics

Turbine types

Turbine types

Capacity: Up to 6-7MW (2010)1,2 or 3 bladesGearbox-Generator or direct Generator drive1-2 generator fixed speed or variable speedUpwind: Rotor facing the windDownwind: Rotor placed on the lee side of the towerHorizontal or vertical axisPanels placed in tower base and or in nacelle

Wind turbine basics – Turbine types

Mechanical parts

Mechanical parts

TowerYaw systemBladesHub / pitch systemNacelleRotorGear boxGeneratorBrake system

Wind turbine basics – Mechanical parts

Tower

Conical tubular steel towers

Lattice towers

Guyed Pole towers

Hybrid towers


Yaw system

Keeps the nacelle in wind direction

Driven by electrical motors (or hydraulics)

Most turbines have yaw brakes and/or damping


Blades

Creates ”lift” like aeroplane and makes the rotater to rotate

1+ blades, but most common is 3 blades


Hub / pitch system

Fixpoint for the blades

Passive Stall: No blade rotationPitch: Blades can rotate ”out of wind”Active Stall: Blades can rotate ”in deeper stall” (opposite direction from pitch)

Blades are rotated by hydraulics or electrical motors (most common)

Max 12°/s, often 8-10°/s


Nacelle


Generator

Converts mechanical energy to electrical energy

Synchronous / Asynchronous

2 poles => 3000 rpm @ 50Hz4 poles => 1500 rpm @ 50Hz6 poles => 1000 rpm @ 50HzEtc.

Water- or air cooled


Gearbox

Transforms low speed shaft (rotor) to high speed shaft (generator)

Contains many liters of expensive oil

A heat exchanger keeps the oil temperature below typically 70 degree Celsius

Temperatures and vibrations can be monitored


Brake system

Aerodynamic brakes:Pitch or tip-brakes on blades

Mechanical brakes:Discbrake at high speed shaft

Parking brakes:Diskbrake at high and/or low speed shaft

Rotor lock for service safety

Automatic brake at griddrop and/or system failure

Wind turbine Basics – Mechanical parts

Electrical parts

Електричні частини

Control- і енергетичні групи

Grid зв'язок тиристора

Phase компенсація

Частотний конвертер (Інвертор)

Кабельна петля

Високий перетворювач напруги

Wind turbine basics – Electrical parts

Control and power panels

Panels in tower base and/or nacelle

Subpanel in nacelle

Powercircuit in turbines with fixed speed

Control panels in turbines with variable speed

MCCB as main switch


тиристорний зв’язок

Обмежує поточний генератором для м'якого зв'язку

3x2 тиристорами управляють WP4060 модулі.

WP4060 вимірює потік і регулює тиристори.

WP4060 отримує setpoint управляють системою


Фазо-компенсація

Великі конденсаторні блоки і вимикачі

Регулює реактивну владу від генератора

На конденсаторах перемикають спеціальні замикачі, які precharges їх в зв'язку, щоб уникати великих потоків натиску


Частотний конвертер / інвертор

Управляє RPM генератора - змінна частота

Перетворює енергію від генератора в DC і формує AC syncroneous до грат

Управляє постійною владою до grid і дозволяють generator зміні його ОБОРОТ в хвилину

Gridquality - esential

Wind turbine basics – Електричні частини

Кабельна петля

Hangs down in the tower from the nacell

Can be twisted up to 5 turns

The Limit is supervised by the ”yellow box” or by wireswitch.

Звисає в башті від nacell

Може бути крученим аж до 5 черг

Межу контролює ”Жовта коробка” або wireswitch.


Високовольтний перетворювач напруги

Перетворює напруги від турбіни 690V до 6kV або 10kV

Один перетворювач на турбіну

Розміщено в окремій ”будівлі” декількох метрів від турбіни, в towerbase або в корзині аеростата

Необов'язковий контроль controlsystem


Методи Енергетичного Контролю

Енергетичні Криві

FS-FP: Виправлена Швидкість, Виправлене падіння

FS-VP: Виправлена Швидкість, Змінне падіння

VS-FP: Змінна Швидкість, Виправлене падіння

VS-VP: Змінна Швидкість, Змінне падіння

Методи Енергетичного Контролю

Sensors • Мережа• Контроль Обороту в хвилину• Швидкість вітру та Напрям• Відхилення від Курсу• Температура• Гідравлічний Тиск

мережА

3 фазової напруги і поточний зважені controlsystem

Напруга перетворюється до 10..18V вольт WP4090/WP3090.

Curerents зважені 3 поточними перетворювачами

Controlsystem обчислює енергетичну реактивну владу, частота, і т.п.

Рівні контролюються і Зупиняються і або контроль ФРАХТУ виконується

Wind turbine basics - Sensors

Контроль Оборотів в Хвилину (RPM)

Rotor and generator RPM i monitored by inductive sensors as ”time between pulses”.Контроль обертыв/хвилину для Ротору та Генератора є контрольований індуктивними датчиками як ”час між пульсами”.

Ротор надають 2..24 пульси за оберт вітряка«крильчатки»

Генератор надає 2..4800 пульси за оберт

Охорона перевищення швидкості WP2032 використовується, щоб відкрити Коло Безпеки??


Швидкість Вітру та Напрям

Швидкість Вітру:Зважено в m/sКубковий анемометр / надзвуковийПульси за метр за сек. або передача даних

Напрям Вітру:Зважено як кут winddirections офсетний від напряму корзини аеростата1, 2, 4 шматка - 4..20mA або передача даних


Відхилення від курсу

Measured often by 2 induktive sensors (greykode)Sensor 1: _------___------___------_Sensor 2: ___------___------___-----

This way direction, distance and speed can be calculated


Температура

Датчики PT100 використовуються

WP3000 вимірює -29° до +212°C

Наступні температури - часто зважено :Outdoor, nacell, групи· Generator провітрювання і стосунки· Нафта коробки передач і стосунки· Стрижка води


Гідравлічний тиск

Зважено в ”Барі”

Майте розміри впливовими відправниками аналога, що надають 4-20mA сигнали

Тиск для гальм наконечника і відхиляючись від курсу складає часто близько 80 Бару

Тиск для pitch системи складає часто близько 200 Бару


Sirocco Теплий вітер Середзем’я - південний суховій, що виникає перед областю низкого тиску, що рухається з Сахари чи Аравійських пустель

Вітроенергетика Огляд

професор Богдан І. Стадник -2010-

Вітроенергетика Огляд

Як саме воно ПрацюєЯк саме воно Працює & & Як воно НЕ Працює Як воно НЕ Працює(і що при тім робити слід/варт)(і що при тім робити слід/варт)

професор Богдан І. Стадник -2010-

Інститут Комп’ютерних технологій, Автоматики та Метрології Національний університет "Львівська політехніка"

Sirocco Теплий вітер Середзем’я - південний суховій, що виникає перед областю низкого тиску, що рухається з Сахари чи Аравійських пустель

Wind Turbine basics

Documents

Transcript of Wind Turbine basics