Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 3. Монтаж и сервис ветроустановок

Введение

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием активности Солнца. Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. По данным отчёта Глобального совета по ветроэнергетике (GWEC) «Global Wind Report 2026», к концу 2025 года общая установленная мощность ветрогенерации достигла 1 299 ГВт, а доля ветра в мировом производстве электроэнергии составила 9,5%. Некоторые показатели развития ветроэнергетики в 2025 году:

1. В мире установили 28,4 тыс. новых ветряных турбин, то есть в среднем новая турбина появлялась раз в 18,5 мин.

2. Новые ветропарки ввели в эксплуатацию 57 стран, причём 14 из них добавили более одного гигаватта мощностей.

3. Абсолютным лидером стал Китай, установивший 120,5 ГВт новых ветряных станций. За ним следуют США (6,9 ГВт), Индия (6,3 ГВт), Германия (5,7 ГВт) и Бразилия (2,3 ГВт).

4. В общей сложности в 2025 году к электросетям подключили 165 гигаватт новых ветряных мощностей — это на 40% больше, чем годом ранее.

По прогнозам GWEC, в период с 2026 по 2030 год ожидается ввод в эксплуатацию 969 ГВт новых ветряных мощностей по всему миру. Амбициозная цель отрасли — увеличить глобальную мощность ветроэнергетики до 3 ТВт к концу десятилетия.

Возможности России в генерации ветровой энергии (которые в настоящее время практически не используются) оцениваются в 30% от общего электроэнергетического потенциала страны. По данным на 1 июля 2026 года, совокупная установленная мощность объектов ВИЭ в России, в том числе ветровых электростанций, составляет 7,61 ГВт. По данным на начало 2026 года, в топ-5 крупнейших ветроэлектростанций (ВЭС) России входят:

Новолакская (Дагестан) — 300 МВт. Запуск первой очереди состоялся в конце 2025 года, полное завершение — 2026 год.

Кочубеевская (Ставропольский край) — 210 МВт. Один из первых сверхмощных объектов «Росатома», стабильно работает в энергосистеме юга.

Кольская (Мурманская область) — 202 МВт. Самая мощная ВЭС в мире за Полярным кругом, управляется компанией «ЭЛ5-Энерго».

Труновская (Ставропольский край) — 160 МВт. Введена в эксплуатацию в 2023–2024 годах в рамках программы развития ВИЭ на Ставрополье.

Марченковская (Ростовская область) — 120 МВт. Крупный объект в кластере Ростовской области, обеспечивающий промышленность региона «зелёной» энергией.

С появлением персональных компьютеров появились и соответствующие программы, стандартизирующие и упрощающие учёт многих факторов, влияющих на скорость ветрового потока на месте. Обладая данными программами, навыками работы с ними, а также достоверной исходной информацией можно, посчитать прогнозируемую выработку ветроэлектрической станции (ВЭС) любой мощности, сложности и конфигурации.

Глава

Глава 1. Ветер как источник энергии

Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании кинетической энергии ветрового потока. Ветер представляет собой движение воздуха в атмосфере, возникающее под действием различных факторов. Прежде всего он возникает от разности давлений у поверхности Земли и границы атмосферы. Возникает также разность давлений в горизонтальной плоскости - барический градиент, который вынуждает воздух перемещаться в горизонтальном направлении. Неравномерный нагрев атмосферы, земной поверхности и мирового океана из-за солнечной радиации, вращение Земли и связанное с ним действие сил Кориолиса также оказывают воздействие на поток воздуха. В области экватора воздух нагревается и поднимается вверх. Верхние слои движутся в направлении полюсов, там охлаждаются и опускаются к Земле. Вместе с тем, существуют зоны стабильных ветров - пассатов, которые находятся в области, лежащей между 25 и 30 северной и южной широтами соответственно. Постоянный западный ветер дует с запада на восток в полосе от 40 до 60 южной широты. Постоянно дующими ветрами являются муссоны в Индийском океане.

Основные характеристики ветра - скорость и его направление крайне изменчивы и зависят от многих факторов, а именно: рельеф местности, удаленность от берегов и океанов, климатические зоны и т.д. Скорость ветра может меняться в широких пределах: от легкого дуновения до урагана (около 100 м/с). Колоссальная энергия ветра может нанести громадный ущерб в виде разрушенных при ураганах зданий, линий передач и т.д. или может быть использована в народнохозяйственных целях. Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например — городами), без ущерба для хозяйственной деятельности. Природно-техническая система с ВЭУ представлена на рис.1.1.Таким образом, можно сделать обобщающий вывод о том, что ресурс ветроэнергетике достался не постоянный и существенно подверженный влиянию местных условий.

Рис. 1 Природно-техническая система с ВЭУ

Ветер как источник энергии характеризуется, прежде всего, скоростью. Скорость ветра в данном месте очень непостоянная величина. Для нее характерны быстрые изменения (порывы) и медленные (погодные, суточные, сезонные). Поэтому данное место характеризуют среднегодовой скоростью ветра. Обычно в справочниках на основании данных метеостанций приводятся скорости ветра на высоте 10 м. Для сооружения крупной (ВЭУ) предпочтительно знать скорость ветра на высоте 80 - 100 м. Кинетическая энергия потока воздуха E (Дж), занимающего объем V(м3), имеющего плотность ρ (кг/м3) и движущегося со скоростью w (м/с), определяется по формуле:

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже для указанного рабочего диапазона скоростей ветра приведены значения удельной мощности Nуд:

С помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ) в механическую энергию может быть преобразована только часть энергии ветрового потока. Отношение кинетической энергии ветрового потока Eв, преобразованной с помощью ветровой турбины в механическую энергию, к кинетической энергии невозмущенного ветрового потока E называется коэффициентом мощности или коэффициентом использования энергии ветра – Ср. Коэффициент использования мощности иногда называют критерием Жуковского-Бетца по имени двух учёных, которые теоретически обосновали его предельное (идеальное) значение 0,593.

Для каждой ВЭУ можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра:

Wminр, при которой 0≤w≤wminр и мощность ВЭУ равна нулю;

wNр, при которой wminр≤w≤wNр и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;

wmaxр, при которой w>wmaxр и мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от wminр до wNр полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра w на высоте башни Hб(м) и диаметре ротора ВЭУ w (м) рассчитывается по формуле:

где S = πD2/4; ηр— КПД ротора (около 0,9); ηг— КПД электрогенератора (около 0,95); Ср — коэффициент мощности, обычно принимаемый равным 0,45 в практических расчетах; ρ = 1,226 кг/м3

После подстановки всех указанных значений в формуле получаем для ориентировочных расчетов:

Для малых ВЭУ wminр находится обычно в пределах 2,5–4 м/с, а wNр — от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4–5 и 12–15 м/с.

Для реальных современных ВЭУ Ср лежит в диапазоне 0,38…0,48. Для получения электрической мощности ВЭУ вышеприведённое выражение необходимо ещё умножить на произведение механических (редуктор, подшипники и т п.) и электрических (генератор, трансформатор и т. п.) КПД элементов силового тракта ВЭУ. Обычно для современных ВЭУ суммарный КПД элементов можно принимать в диапазоне 0,90…0,93.

Для разработки конструкции ветроколеса (ВК), кроме параметра, - коэффициент использования мощности–Ср, используется еще один важный параметр - коэффициент быстроходности-λ.

Быстроходность ветроколеса представляет собой отношение линейной скорости конца лопасти к скорости набегающего потока и служит аэродинамической характеристикой ветроколеса. При оптимальной быстроходности лопасть ветроколеса не попадает в поток, турбулизированный предыдущей лопастью. Этот поток успевает покинуть область ветроколеса. В то же время воздух не проходит через сечение ветроколеса свободно, без взаимодействия с его лопастями. Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра Ср от быстроходности ВК λ для различных типов ВЭУ представлены на рис.1.2.

Быстроходность важна тем, что для получения электрического тока приемлемого качества (~50Гц) необходимо, что бы быстроходность ВК была как можно больше. Больше линейная скорость конца лопасти, т. е. больше частота вращения ВК, т. е. больше число оборотов генератора, т. е. ток, вырабатываемый этим генератором ближе к желаемым 50 Гц. На практике недостающие обороты, помимо быстроходности «добирают» применением редукторов (коробки передач, повышающей число оборотов на валу генератора), применения многополюсных генераторов, использованием электрических схем повышающих частоту переменного тока и т. п.

Быстроходность остаётся одним из определяющих понятий для выбора типа ВЭУ. Оперируя этими двумя важными параметрами и глядя, на вышеприведённый график можно рассуждать о том, почему же в современной ветроэнергетике в подавляющем большинстве случаев применяют трёхлопастные горизонтальноосевые башенные ВЭУ, использующие подъёмную силу. ВК использующие подъёмную силу имеют больший коэффициент использования мощности, чем использующие силу сопротивления при достаточно большом коэффициенте быстроходности. Башенные – потому что позволяют использовать ветровой поток на высоте 100 м от земли, горизонтальноосевые по тем же причинам (наилучшее соотношение λ с Ср ). А вот с тремя лопастями вопрос остаётся открытым. Казалось бы, двухлопастные ВК имеют наилучшее соотношение λ с Ср , а применяются крайне редко. Точнее в «большой» ветроэнергетике вообще практически не применяются. Причин две: при слишком высоком λ может возникнуть такая ситуация, когда конец лопасти уйдёт в так называемый флаттерный режим при превышении скорости звука (~340 м/с); двухлопастные ВК подвержены сложным динамическим нагрузкам (биение) связанным с двухполюсностью (по числу лопастей) ВК. В то время как трёхлопастные ВК более равномерно распределяют нагрузки от лопастей на три полюса. С другой стороны, становится понятным, почему для получения механической энергии (момент на валу) при, например подъёме воды из используются многолопастные ВЭУ. При неплохом Ср он имеет крайне низкий λ, т. е. вращается крайне медленно, но, по закону сохранения момента количества движения с максимально возможным для ВЭУ усилием.

Рис. 1.2. Главные энергетические характеристики наиболее распространенных ветродвигателей

Существуют два способа регулирования мощности. Первый способ — поворотом лопасти относительно направления ветра, изменяя так называемый «угол атаки», то есть угол, под которым ветер набегает на лопасть и от которого зависит «подъемная» сила лопасти, которая преобразуется в ее вращение. Этот способ по-английски называется «питч-регулирование» (pitch — «ставить», то есть лопасть принудительно ставится в определенное положение). Ветроустановки с поворотом лопастей можно использовать для регулирования мощности как в зависимости от скорости ветра, так и по заданию диспетчера. При этом наибольшая возможная мощность определяется скоростью ветра.

Второй способ заключается в том, что профиль лопасти выполняется различным по длине. В результате при увеличении скорости ветра на отдельных частях лопасти наступает, срыв потока и ее «подъемная» сила уменьшается. Таким образом, при скорости ветра выше номинальной удается держать мощность ветроустановки равную номинальной. Способ называется «стол» (stall — «застревать»), то есть часть потока ветра как бы застревает и не производит работу. В ветроустановках такого типа принудительно регулировать мощность нельзя. И это их недостаток. Но их достоинство состоит в том, что не нужен сложный механизм поворота лопастей. Тем не менее, практически во всех мощных ВЭУ используется первый способ. Коэффициент использования энергии ветра Ср зависит от многих конструктивных особенностей, но, в конечном счете, от профиля лопасти и от степени ее шероховатости, а также от соотношения между скоростью вращения лопастей и скоростью ветра, называемом коэффициентом быстроходности. Этот коэффициент определяет, в конечном счете, экономичность ветроустановки.

Ветроустановку характеризуют следующие параметры ветра:

- стартовая скорость ветра, обычно в диапазоне от 2,5 до 4,0 м/с, при которой ВЭУ начинает вращение;

- номинальная скорость ветра, обычно от 10 до 14 м/с, при которой мощность ветроустановки достигает номинального значения;

- максимальная скорость ветра, при которой ветроустановка отключается от сети и останавливается, обычно в диапазоне 20-25 м/с.

Существует еще так называемая «буревая скорость ветра». Это скорость, при которой остановленная ветроустановка не должна разрушаться (обычно от 60 до 80 м/с).

Принято считать, что крупные ВЭУ целесообразно устанавливать в месте, где среднегодовая скорость ветра не ниже 5 м/с. Для оценки количества электроэнергии, которое будет произведено данной ВЭУ за год, необходимо также знать усредненную по многолетним наблюдениям вероятность наличия ветра с той или иной скоростью. На этом основании вычисляется коэффициент использования установленной мощности (Киум) и представляет собой отношение действительной выработки электроэнергии к максимально возможной, т. е. максимальное значение коэффициента равно единице или 100%. Для традиционных электростанций он колеблется от 0, 4 до 0, 8. Что касается ветростанций, то их Киум в Европе в среднем составляет 0,2-0,3, но зависит он в основном от ветровых условий. Есть примеры ВЭС, где он равняется 0,4 и выше. Для благоприятных мест с более или менее постоянным ветром (ущелья, горные хребты, шельф) этот показатель может достигать 3000 ч/год (коэффициент использования установленной мощности около 0,3).

По величине энергии проходящей на один кв. метр обметаемой поверхности существует подразделение местности на семь классов. Фактически это подразделение местности по среднегодовой скорости ветра на высоте 50 м над поверхностью. Названия классов и их характеристика приводятся в таблице 1.1.

Эти данные являются ориентиром для выбора площадки сооружения ВЭС большой мощности. Для ВЭУ малых мощностей это не является решающим фактором. Срок энергетической окупаемости ветроустановки (или любой другой электростанции) —это термин, обозначающий за какое время ветроустановка (или электростанция другого типа) выработает количество энергии, равное количеству, затраченному на её производство, монтаж (строительство), обслуживание и утилизацию. По оценкам Британской и Американской ветроэнергетических ассоциаций этот срок для ВЭУ составляет от трёх до восьми месяцев (в зависимости от среднегодовой скорости ветра) — это один из самых коротких сроков всех видов электроустановок, тогда как для угольных и атомных электростанций он составляет шесть и более месяцев.

Другая оценка этого явления — «коэффициент энергетической эффективности» — это отношение энергии, выработанной ветроустановкой (или любой электростанцией) за срок службы к энергии, затраченной на производство установки, строительство, обслуживание и утилизацию ветроустановки (или любой другой электростанции). По исследованиям университетов США, коэффициент энергетической эффективности ветростанций Среднего Запада Америки составил от 17 до 39 (в зависимости от среднегодовой скорости ветра. В то время как для атомных электростанций он оказался равным — 16, а для угольных — 11.

Таблица 1.1. Классификация ветроэнергетических ресурсов на высотах 10 и 50 м от поверхности земли

Класс

Высота 10 м

Высота 50 м

Скорость ветра, м/с

Удельная мощность, Вт/

Скорость ветра, м/с

Удельная мощность, Вт/

1

0–4,4

0–100

0–5,6

0–200

2

4,4–5,1

100–150

5,6–6,4

200–300

3

5,1–5,6

150–200

6,4–7,0

300–400

4

5,6–6,0

200–250

7,0–7,5

400–500

5

6,0–6,4

250–300

7,5–8,0

500–600

6

6,4–7,0

300–400

8,0–8,8

600–800

7

7,0–9,0

400–1000

8,8–11,9

800–1200

Ветроустановки рассчитываются на срок службы 20-25 лет. В течение этого срока из основных механизмов возможна замена лопастей

Глава 2. Классификация ветроэнергетических установок

Трудно найти другую область науки и техники, где было бы зарегистрировано столько же патентов на конструкции ветроэнергетических установок, а в особенности конструкций ветроколёс (ВК). Дадим такую укрупнённую классификацию конструкций ВК:

-использующие подъёмную силу - Y;

-использующие силу сопротивления X.

1. Использующие подъемную силу. Данные ВЭУ преобладают в мировой ветроэнергетике, т.к. могут развивать линейную скорость конца лопасти (совпадает с направлением действия подъёмной силы Y), значительно больше скорость ветрового потока V. Прямоугольник аэродинамических сил, действующих на крыло представлен на рис.2.1 В аэродинамический каплевидный профиль сечения лопастей ветроколеса и ветроротора под воздействием ветрового потока обеспечивает подъемную силу на лопастях за счет возникновения разности скоростного течения ветровых струй вдоль их плоскостей. Преобразование подъемной силы лопастей и, соответственно, крутящего момента на приводном валу ветроколеса или ветроротора в механическую энергию обеспечивается редуктором-мультипликатором, а затем, при необходимости, электрогенератором в электроэнергию

Ветроколеса современных ветроагрегатов собираются из нескольких лопастей, закрепленных на втулке. Лопасти имеют аэродинамический профиль, при обтекании которого возникает подъемная сила, вращающая ветроколесо. Расчет и проектирование ветроколеса базируется на законах аэродинамики, изучающей движение воздуха и его взаимодействие с поверхностью крыла при его обтекании.

Рис. 2.1. Прямоугольник аэродинамических сил , действующих на крыло

Верхний и нижний контуры сечения крыла имеют различную конфигурацию. Проходя у нижнего контура крыла, поток воздуха замедляется из-за трения. В этой части создается зона повышенного давления. Огибая более протяженный верхний контур, поток ускоряется и над крылом создается зона пониженного давления. Разность давлений под крылом и над ним обуславливает возникновение подъемной силы R и вращающего момента на ветроколесе.

В свою очередь ВЭУ, использующие подъёмную силу, могут быть классифицированы по:

1.ориентации оси вращения ВК;

2.положению ВК относительно всей конструкции.

Большинство типов ветродвигателей делятся на две группы:

- ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5),

- ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)), рис.2.2.

.

Рис.2.2 Типы ветродвигателей

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей. Основные компоненты ВЭУ с горизональными и вертикальными осями представлены на рис. 2.3.

2.1. Ветроустановки с вертикальной осью вращения

Ветроколесо в установках с вертикальной осью вращается вокруг оси, перпендикулярной направлению потока. Данные механизмы наделены рядом существенных особенностей перед ветряками с горизонтальной осью. У них нет как таковых узлов под ориентирование на ветровой поток. Из-за своего строения, при абсолютно любом направлении ветра, конструкция располагается в абсолютно произвольном положении, ввиду чего, она более проста в своём исполнении. В подобных механизмах возникновение вращения создаёт подъемная сила лопастей, а также силы сопротивления.

Рис .2.3. Основные компоненты ВЭУ с горизональными и вертикальными осями

Такие установки появились в 30-х годах прошлого столетия. Наиболее известными из них являются ротор Дарье с изогнутыми лопастями, рис. 2.4 а, ротор Савониуса, рис.2.4 б, ортогональные ветроустановки с прямыми вертикальными лопастями (ротор Масгрува), рис.2.4 в.

Рис.2.4. Ветроустановки с вертикальной осью вращения

Многочисленные конструкции с вертикальной осью вращения объединяются в основные группы:

- ветрогенератор с ротором Дарье,

– ортогональное устройство;

- генератор на роторе Савониуса;

- многолопастная конструкция с направляющими элементами;

- геликоидный ротор;

-вертикально-осевая конструкция ротора.

Ветрогенератор с ротором Дарье выполнен с двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала, рис.2.5.

Рис.2.5. Схема работы ветровой турбины Дарье

Работа ветровой турбины Дарье основана на принципе вращения лопастей вокруг оси. Кинетическая или внутренняя энергия рабочего тела (газа или жидкости) преобразуется в механическую работу. У ротора Дарье ось вращения расположена перпендикулярно потоку источника энергии. Принцип работы конструкции ротора Дарье основан на разности аэродинамических показаний. Благодаря этому обеспечивается вращение лопастей механизма. После того как образовалась циркуляция потоков воздуха, устройство начинает вращаться бесперебойно. На каждое крыло по отдельности воздействует сила подъема относительно воздушного потока. Показатели этой силы зависят от угла, который образовывается между лопастью и величиной скорости потока ветра. Момент силы, который образуется в момент запуска, носит переменный характер, а не постоянный. Существует три типа ротора Дарье, рис. 2.6: классический, лопасти имеют форму полумесяца, их размер достаточно большой, сравним с длиной основной оси; тип Н, три крыла его имеют прямую форму, которые расположены под прямым углом относительно горизонтальных опор, и находятся на верхнем отсеке конструкции; винтообразный тип, лопасти, которого изготовлены в виде изогнутых спиралей.