Powerindustry Bulgaria  

Вятърната енергия – технологии и тенденции в развитието на ветрогенераторите

08.06.2023   |   Начало»Тенденции
Редактор
Пепа Петрунова
Пепа Петрунова
Пепа Петрунова Редактор
Пепа Петрунова

Разработването на технологично и ценово ефективни решения за преобразуване на вятърната енергия в електрическа се нарежда сред най-големите технически предизвикателства през последните десетилетия.

 

Идеята да се използва енергията на вятъра за производство на електрически ток с основание би могла да се разглежда като логично продължение на експлоатирането й в продължение на векове за задвижване на различни съоръжения, сред които най-широка популярност несъмнено са получили вятърните мелници.

 

Въпреки сравнително кратката история на вятърните централи – първият съвременен ветрогенератор е въведен в експлоатация през 80-те години на миналия век – днес вятърните перки са характерен елемент от пейзажа на немалко европейски страни. Свидетелство за техническото развитие на вятърните централи през годините е увеличаването със стотици пъти на изходната им мощност в сравнение с първите ветрогенератори.

 

Конструкциите от 80-те години са с мощност от 20 до 60 kW и перки с диаметър на ротора не повече от 20 m. Съвременните ветрогенератори постигат изходна мощност от 5000 kW при огромни перки с диаметър на ротора над 100 m.

 

 

Наред с останалите възобновяеми енергийни източници (ВЕИ) – слънцето, водата и дървесината, актуалността на вятърната енергия нараства паралелно с увеличаването на екологичните изисквания по отношение на вредните атмосферни емисии, генерирани от конвенционалните електрически централи за производство на ток. Не би било погрешно да се твърди, че прогресивно нарастващият инвестиционен интерес към ВЕИ по света е въпрос и на политика от страна на развитите индустриални държави.

 

Вятърна енергия: предимства и недостатъци

 

Ключов фактор за увеличаване на относителния дял на електроенергията, произведена от вятърни централи, е ефективната интеграция на изградените мощности към електроенергийната система. Изграждането на вятърни централи е свързано с редица технически, икономически и нормативни изисквания, които целят осигуряване на стабилност на общата електроенергийна система.

 

С оглед успешно интегриране на ветрогенераторите към съответните електропреносни и електроразпределителни системи е необходимо да се отчетат следните специфики на вятърната електроенергия:

 

  • Изходната мощност на вятърните ферми се променя в зависимост от атмосферните условия;
  • Голяма част от вятърните ферми се изграждат в региони, разположени в периферията на съществуващите разпределителни мрежи;
  • Електроенергийните системи на повечето европейски страни са проектирани да пренасят електрическата енергия, генерирана от малък брой мощни електроцентрали, в посока от центъра към периферията на мрежата;
  • Техническите характеристики на вятърните електропроизводствени мощности са различни от тези на конвенционалните електроцентрали.

 

Основен технически проблем, свързан с оползотворяване на вятърната енергия, е непостоянството в изходната мощност на вятърните централи. Резултатите от направени анализи показват, че изменението в изходната мощност на един ветрогенератор е незначително за период от няколко минути, докато изходната мощност на голяма вятърна ферма остава сравнително постоянна за часове.

 

Днес усилено се работи в посока разработване на автоматизирани системи, които на базата на метеорологичните прогнози и данните за състоянието на вятърната централа позволяват изготвянето на сравнително точни прогнози за изходната й мощност в бъдещ период от време.

 

Конструкция на вятърните турбини

 

Въпреки непрекъснатото конструктивно усъвършенстване и сериозното развитие на техническите характеристики на вятърните турбини (ВТ), принципната им конструкция е претърпяла незначителни промени през последните десетилетия. Вятърните турбини функционират на базата на насочен срещу вятъра ротор, снабден с три работни перки.

 

Турбината се активира посредством завъртане на работните перки в направление, съвпадащо с посоката на вятъра. Чрез нискооборотен търкалящ лагер с голям диаметър (при мощни турбини присъединителният размер на лагера достига няколко метра) роторът с перки е монтиран върху вал, свързан към редуктор, който оптимизира оборотите на въртене, съобразно техническата спецификация на генератора. Използваните днес редуктори са претърпели сериозно техническо развитие.

 

Масово е приложението на генератори с директно задвижване, при които традиционно използваните зъбни редуктори не присъстват в конструкцията на турбината. Съвременните ветрогенератори са снабдени с аеродинамични ротори, задвижващи генератора директно. Използват се и различни хибридни решения, включително едностъпални редуктори и многополюсни генератори.

 

Преобладаваща част от съвременните вятърни турбини са оборудвани с четириполюсни генератори. При най-големите вятърни централи стъпката между роторните перки не е фиксирана, а се променя непрекъснато с цел усвояване на най-голямо количество вятърна енергия.

 

Специално проектирани автоматизирани системи регулират непрекъснато стъпката на работните перки на ротора, което на практика осигурява работа на ветрогенератора при най-високата възможна скорост на вятъра, а следователно води до постигане и на най-голяма изходна мощност. Изграждането на високомощни вятърни турбини през последните години е възможно и благодарение на разработването на голямогабаритни подемно-транспортни машини, съобразени с тенденциите в развитието на вятърните електроенергийни мощности.

 

Най-често носещата конструкция на вятърните турбини представлява стоманен тръбен пилон с конусовиден краен сектор. Намират приложение и други типове пилони, включително с решетъчна конструкция. Височината на пилона се определя съобразно размера на ветрогенератора и конкретните атмосферни условия.

 

Технологични тенденции в развитието на ветрогенераторите

 

Точното дефиниране на технологичните тенденции в развитието би осигурило необходимата информационна база за прецизна диагностика на работата на съоръженията и обективно прогнозиране на бъдещото им развитие.

 

Активно се работи върху създаването на подробна статистическа база данни за конструкцията и основните технически характеристики на ветрогенераторите от 80-те години на XX век до днес.

 

Диаметър на ротора

 

Основна тенденция в развитието на вятърните турбини е непрекъснато увеличаване на диаметъра на ротора. Анализът на статистическите данни показва, че с диаметъра на турбината нараства и изходната й мощност. Установено е, че диаметърът, или по-точно втората му степен, е определящ фактор за количеството на произведената електроенергия.

 

От друга страна, максималната изходна мощност представлява основен фактор за изчисляване на поеманите от турбината товари. Оптимизацията на конструкцията на турбините е насочена в посока отработване на максимална част от вятърната енергия в приложения, характеризиращи се с ниска скорост на въздушните маси.

 

За ветрогенераторите от 90-те години изходната мощност на турбината се определя чрез зависимост, в която диаметърът на ротора D е на степен 2,4. Параметърът D2,4 е важен, тъй като с увеличаването на диаметъра на ротора нараства и височината на турбината. При конструкциите след 2003 г. степенният показател е намален от 2,4 на около 2. Диаметърът на ротора и изходната мощност на турбината са основни показатели и при определяне цената на една вятърна централа.

 

Кръгова скорост на върховото сечение на роторната лопатка

 

Резултат е от скоростта на въртене на ротора и радиуса на работните перки. С увеличаване на кръговата скорост на върховото сечение на роторната перка рязко нараства и нивото на генерирания при работата на турбината шум. Следователно при избора на вятърна централа трябва да се има предвид, че турбините с висока кръгова скорост на върховото сечение на роторната перка са много по-шумни от по-нискооборотните модели.

 

За дадена изходна мощност, при високи обороти на въртене на ротора, генерираният въртящ момент е по-нисък в сравнение с по-нискооборотните турбини. Посоченият факт обяснява по-високата цена на задвижващия механизъм при високооборотните ветрогенератори. От казаното може да се направи изводът, че оптималният избор на вятърна турбина е свързан с компромис между генерирания шум и цената на задвижващия механизъм.

 

 

За вятърни централи, изграждани върху земната повърхност (т.нар. onshore ветрогенератори), шумът е в много по-голяма степен важен фактор при избора на турбина. Най-мощните вятърни централи в момента се разработват специално за т.нар. океански приложения (offshore ветрогенератори).

 

Резултатите от направени проучвания, обхващащи техническите характеристики на ветрогенератори на различни производители, изграждани на сушата и в океана, показва, че последните имат кръгова скорост на върховото сечение на роторната перка по-висока с 10 до 30%.

 

Стъпка на роторните перки

 

Сред дискусиите във вятърната електроенергийна индустрия се нарежда въпросът кой е по-оптималният вариант – да се регулира стъпката на роторните перки или откъсването на въздушен поток от тях. До средата на 90-те години на ХХ век повечето вятърни турбини са с регулиране на откъсването на поток от лопатките. Днес за по-добро от конструктивна и функционална гледна точка се счита регулирането на стъпката на роторните лопатки.

 

Сред основните причини е по-доброто качество на електроенергията при регулиране на стъпката на роторните лопатки. Допълнителен фактор, който допринася за по-широкото използване на регулатор на стъпката, вместо на откъсването на поток от лопатките, са приблизително еднаквите разходи за изпълнение на двете схеми.

Разработени са конструкции, в които стъпката между всеки две перки на ротора се регулира независимо.

 

Работа с променливи обороти

 

Възможността вятърните турбини да работят с променлива скорост предлага редица предимства, сред които подобряване на съвместимостта им с електроенергийната система, редукция на товара, енергоспестяване и др. Днес само незначителна част от произвежданите ветрогенератори работят с постоянни обороти на въртене. За централите с мощност над 1 MW е задължително да поддържат различни обороти на въртене, макар и в тесен работен интервал.

 

На практика, работата на вятърната турбина с променливи обороти на въртене на ротора би могла да се реализира чрез широко разнообразие от технически решения. Системите с директно задвижване, например, предлагат възможност за работа в широк честотен работен интервал. При традиционно използваната концепция за работа на турбината с променлива скорост се използва зъбна предавка, посредством която генераторът се свързва към електрическата мрежа през електрически преобразувател.

 

Електрическата енергия (ток), произведена от вятърната централа, е с променлива честота, зависеща от скоростта на въртене на ротора. Преди да се подаде към мрежата, честотата на произведената електроенергия се преобразува до мрежовата. Използват се няколко конфигурации, базирани върху синхронни или асинхронни генератори.
 

 

С най-широко приложение в съвременните вятърни турбини са решения, базирани на асинхронни генератори с навит ротор. Те осигуряват почти всички предимства на задвижващите механизми с регулиране на оборотите. В сравнение с конвенционалните задвижващи механизми с регулиране на оборотите, електрическите преобразуватели са приблизително три пъти по-малкогабаритни и евтини.

 

При асинхронните генератори с навит ротор статорът е свързан директно към мрежата, а роторът към електрическия преобразувател. Недостатък на решението е сравнително по-малкият скоростен обхват в сравнение с конвенционалните задвижващи механизми с регулиране на оборотите.

 

Трябва да се отбележи, че цената на преобразувателите непрекъснато пада, а ефективността им се увеличава, поради което конвенционалните решения са все по-малко конкурентоспособни в сравнение с асинхронните генератори с навит ротор.

 

Друга нова конфигурация генератори, специално за приложение във ветрогенераторите, са безколекторните асинхронни генератори за ток. Конструктивна специфика при тях е отсъствието на характерните за асинхронните генератори с навит ротор контактни пръстени за ток.

 

Височина на турбината

 

За оптималния избор на височина на турбината трябва да се вземат под внимание две диаметрално противоположни тези. При първата, колкото по-голяма е височината на пилона, при толкова по-високи скорости на вятъра работи турбината, следователно генерира по-висока изходна мощност.

 

Втората теза защитава становището, че за изграждане на по-високи вятърни централи се изискват по-големи инвестиции, които разпределени във времето компенсират постигането на по-висока изходна мощност на турбината. При най-големите турбини тенденцията е височината на пилона да е приблизително равна на диаметъра на ротора.

 

Маса на ротора

 

Себестойността на ротора се изчислява на около 20% от цената на цялата вятърна турбина. Сред насоките в развитието на ветрогенераторите е разработване на конструкции ротори с по-малка маса и площ, което важи с особена сила за най-голямогабаритните вятърни централи. Ако вътрешните усилия в перката се запазват постоянни с увеличаването на габаритите, действащите върху работното колело товари и изискваната якост ще се увеличат със стойност, съответстваща на D3.

 

 

Следователно при подобни като геометрия работни перки е възможно при даден материал масата на перката да се увеличи също с D3. При въртенето на роторните перки, върху тях действат и силите, породени от собственото им тегло, което може да доведе до прекомерното им огъване, в случай че използваният материал е неподходящ за конкретното приложение.

 

Също така при по-висока кръгова скорост на върховото сечение на роторните перки при голямогабаритните океански ветрогенератори е необходимо да се увеличи гъвкавостта на лопатките. Обикновено се постига чрез намаляване на дебелината им. Трябва да се има предвид, че намаляването на общата площ на работната перка би могло да доведе до редуциране на масата й, в случай че използваните материали са с висока якост.

 

Техническо предизвикателство е съществуващата тенденция към намаляване на масата на ротора да се запази, ако роторите продължават да увеличават габаритните си размери.

     
Източник: TLL Media

Ключови думи: вятърна енергия   вятърна енергетика   вятърни турбини   вятърни централи   вятърни паркове   вятърни ферми   ВЕИ   ветрогенератори  

Област: Енергетика  

Енерджи ревю
е-книга Декарбонизация 2024
Подобни статии

АБОНИРАЙТЕ СЕ за единствения у нас тематичен бюлетин
НОВИНИТЕ ОТ ЕНЕРГЕТИКАТА
на специализирания портал PowerIndustry-Bulgaria.com
БЕЗПЛАТНО, професионално, всяка седмица на вашия мейл!


Тристан 02
SKE Engineering GmbH
Последно от Тенденции
е-книга Декарбонизация 2024

Специализиран портал от групата IndustryInfo.bg

Действителни собственици на настоящото издание са Теодора Стоянова Иванова и Любен Георгиев Георгиев

ПОЛИТИКА ЗА ПОВЕРИТЕЛНОСТ И ЗАЩИТА НА ЛИЧНИТЕ ДАННИ
Условия за ползване
Изисквания и условия за реклама
Карта на сайта

© Copyright 2010 - 2024 ТИ ЕЛ ЕЛ МЕДИА ООД. Всички права запазени.

  Фирмени публикацииПродуктови офертиПроектиБизнесВидео на седмицатаТехнологииСъбитиятаПредстоящоЕкспертноИнвестицииКариериИновацииТенденции
 

ОЩЕ ПОРТАЛИ ОТ ГРУПАТА

IndustryInfo.BG

ПРЕПОРЪЧВАМ МАТЕРИАЛ


 
 
момент...