как устроены ветровые электростанции, рентабельность и особенности конструкции
Содержание
- Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы?
- Размеры ветряка
- Мощные ветрогенераторы: сравнительная характеристика
- Промышленные ветровые электростанции
- Рекомендуемые товары
Ветроэнергетика как отрасль может базироваться только на использовании крупных и высокопроизводительных ветровых турбин. Установки малой мощности, обеспечивающие лишь отдельные дома или группы потребителей, интересны только как автономные источники энергии. Крупные ветротурбины успешно используются в странах Запада, США, Китае. Для использования таких устройств требуется достаточно сильный и стабильный ветер, что свойственно не всем регионам.
Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы?
Существующие ныне мощные ветрогенераторы имеют практически одинаковую конструкцию. За основу взят горизонтальный ротор с крыльчаткой. Большие размеры лопастей создают высокую площадь сопротивления потоку ветра, поэтому обычно устанавливается по три лопасти.
Масса таких установок очень велика — одна из величайших установок Enercon E-126 весит 6000 т. При таких параметрах требуется достаточно сильный и ровный ветер.
Для старта вращения используются специальные электродвигатели. Большинство моделей не имеет устройства наведения, обходятся установкой на преобладающем направлении потока. Обычное место использования — степные или пустынные регионы, прибрежные или шельфовые районы с постоянными и ровными ветрами.
Конструкция мощного ветрогенератора состоит из следующих элементов:
- опорная башня. У образцов меньших размеров это мачта. Башня имеет коническую форму, способствующую большей устойчивости и равномерному распределению нагрузок. Изготавливается на месте путем последовательной заливки бетоном соответствующей опалубки. В основании имеется мощная бетонная площадка, являющая цоколем фундамента, обеспечивающего неподвижность и устойчивость
- гондола. Это камера, внутри которой расположены генераторный отсек, устройства передачи вращения.
К ней же присоединяется ротор, конструктивно являющийся продолжением гондолы и образуюший вместе с ней обтекаемую форму. Внешняя часть ротора состоит из хаба и лопастей. Хаб — это центральный обтекатель, установленный на валу генератора и служащий для присоединения лопастей. Гондола имеет возможность вращения вокруг башни для установки на ветер, для чего используется асинхронный электродвигатель и зубчатая передача, опоясывающая всю верхнюю часть башни. Возможность вращения имеется не у всех моделей, для шельфовых ветряков, работающих на потоках двух противоположных направлений, эта функция необязательна. - генератор турбины представляет собой устройство кольцевого типа. Ротор турбины конструктивно объединен с ротором генератора, это снижает потери и уменьшает материалоемкость. Для подобных конструкций принципиально важно в максимальной степени исключить узлы передачи вращения, взамен применяя единые цельные элементы.
К ней же присоединяется ротор, конструктивно являющийся продолжением гондолы и образуюший вместе с ней обтекаемую форму. Внешняя часть ротора состоит из хаба и лопастей. Хаб — это центральный обтекатель, установленный на валу генератора и служащий для присоединения лопастей. Гондола имеет возможность вращения вокруг башни для установки на ветер, для чего используется асинхронный электродвигатель и зубчатая передача, опоясывающая всю верхнюю часть башни. Возможность вращения имеется не у всех моделей, для шельфовых ветряков, работающих на потоках двух противоположных направлений, эта функция необязательна.Лопасти изготавливаются из специального композитного волокна с включениями стали.
В зависимости от размеров они изготавливаются целиком или набираются из отдельных частей. Устройство лопастей предусматривает возможность изменения профиля или угла поворота, позволяя регулировать аэродинамику в соответствии с режимом ветрового потока.
В зависимости от размеров, фирмы-изготовителя и назначения ветряка, могут иметься какие-либо изменения в конструкции, дополнения или иные особенности, присущие только данной модели.
Размеры ветряка
Промышленные ветрогенераторы большой мощности обладают впечатляющими габаритами. Так, уже упоминавшийся Enercon E-126 имеет полную высоту 198 м при размахе лопастей 128 м. Площадь, которую ометают такие лопасти, составляет 12668 м2.
Размеры других ветряков соответствуют вырабатываемой мощности. Существуют более крупные или мелкие модели, но все они велики и обладают большим весом. При этом, поверхность земли занимает только основание мачты, вся остальная площадь пригодна для использования под сельское хозяйство.
Примечательно, что мощные ветряки нерентабельны по отдельности. Они используются чаще всего в составе больших ветроэлектростанций, занимающих достаточно большие площади. В составе комплексов насчитываются десятки и даже сотни отдельных установок, объединенных в единую систему и выдающие суммарную мощность в несколько мВт. Они создаются в местах с оптимальными ветровыми условиями, способными обеспечить равномерную нагрузку и стабильную производительность оборудования.
Большие размеры означают высокие цены на оборудование. Так, стоимость турбины Enercon E-126 составляет 11 млн евро. Можно примерно подсчитать стоимость целой ветроэлектростанции, эксплуатационные расходы и затраты на доставку и монтаж таких гигантов. Соответственно, себестоимость энергии достаточно высока, а срок службы относительно низок — около 20 лет.
Мощные ветрогенераторы: сравнительная характеристика
Параметры мощных ветряков напрямую зависят от их мощности.
Тип конструкции у всех моделей практически одинаков, так как аэродинамика лопастей, оптимальным образом подходящая для установок высокой мощности, должна соответствовать именно такой конфигурации. Поэтому сравнивать можно только пропорции крыльчатки того или иного устройства. Гораздо проще рассматривать мощность установок, поскольку она важнее для любых расчетов и может сказать гораздо больше для потенциального пользователя.
Флагманами в этом направлении являются известные фирмы Siemens, Enercon, Vestas и многие другие. Конкуренция между ними весьма жесткая, так как спрос ограничен, ошибки недопустимы. Отсюда высочайшее качество оборудования, отлаженный механизм работы всех узлов и агрегатов. Примечательно, что спрос на крупные устройства намного ниже, чем на менее производительные. Цена оборудования не позволяет широко распространять его повсеместно, выбор делается в сторону меньших расходов.
Промышленные ветровые электростанции
Функционирование нескольких сотен крупных ветряков способно создавать большие мощности.
Создание ветровых электростанций позволило решить проблемы с электроснабжением регионов, не имеющих возможности строительства ГЭС или АЭС.
Примечательно, что запрет на строительство АЭС в ряде регионов мира и отсутствие других возможностей явились причинами возникновения множества ВЭС, хотя эксплуатационные и экономические параметры ветряков уступают более традиционным вариантам выработки энергии. Кроме того, ветроэнергетика признана экологически чистым направлением, что также сыграло немалую роль в развитии отрасли.
В последнее время наблюдаются две параллельные тенденции:
- рост числа мощных установок, объединенных в большие станции
- возрастание интереса к частным источникам, дающим возможность автономного существования без использования сетевых ресурсов
Возникает конкурентная ситуация, когда большие вложения в огромные комплексы перестают покрываться доходами от них, а небольшие установки становятся все более выгодными и удобными. Будущее покажет, какая система станет наиболее распространенной и эффективной.
Рекомендуемые товары
Как вам статья?
Промышленные ветрогенераторы
Согласно отчету Всемирной ассоциации ветроэнергетики (World Wind Energy Association (WWEA)), годовая выработка электроэнергии всеми ветроэнергетическими турбинами, установленными в мире на конец 2013 года (нужно обновить данные, взять статистику за 2014), составляет 318ТВт, что превышает современное электропотребление Соединенного Королевства — шестой по размеру экономики мира.
Ветряная энергетика является индустрией со значительными темпами роста и инвестиционной привлекательностью, что делает её очень выгодной областью для капиталовложений.
В условиях современной Украины вкладывать деньги в ветроэнергетику наиболее выгодно промышленным объектам, поскольку государственные тарифы на электроэнергию для них выше, чем для населения и, соответственно, срок окупаемости оборудования значительно ниже.
Согласно общераспространенной классификации к промышленным ветряным установкам относят ветрогенераторы мощностью более 100 кВт.
Реализация подобных проектов чаще всего выглядит так: компания использует электроэнергию от сети, но не платит за неё или даже получает деньги, так как продает в сеть излишки электроэнергии, которая вырабатывается промышленным ветрогенератором по «зеленому тарифу». Огромный плюс таких систем в том, что не нужно использовать аккумуляторы, соответственно, стоимость системы значительно снижается.
Безусловно, продажа электроэнергии по зеленому тарифу требует получения разрешений. Но как бы мы не пеняли на наше государство, оформление разрешительной документации у нас проще и быстрее чем, к примеру, в Британии или Италии.
Компания WINDER, являясь членом Всемирной ассоциации ветроэнергетики, сотрудничает с рядом европейских и американских производителей ветряных установок и поставляет комплектующие для ветрогенераторов средней мощности. Мы можем предложить довольно широкий выбор промышленных ветрогенераторов.
В сегодняшних условиях особенно выгодным является использование реновированных ветряных установок.
Наличие большого количества таких машин на европейском рынке связано с быстрым развитием ветроэнергетики, и, в связи с этим — заменой промышленных ветрогенераторов, которые прослужили 5-15 лет, на ветряки большей мощности. В Европе наблюдается острый дефицит свободных площадок с хорошими условиями скорости ветра. В результате, ежегодно на рынок выбрасываются ветряки, отслужившие всего 20-60% своего ресурса. Учитывая, что цены на такие ветрогенераторы в 5-10 раз ниже, чем на новые, такой вариант оказывается очень выгодным инвестиционным решением для украинских инвесторов и компаний со значительным энергопотреблением.
Пример коммерческого предложения на реновированные ветрогенераторы
Узнать актуальные цены на промышленные ветрогенераторы и заказать выезд инженера вы можете, заполнив заявку у нас на сайте
Заказать коммерческое предложение
или по телефону +38044 33 22 660 (контакты).Для оценки инвестиционной привлекательности и прибыльности установки промышленного ветрогенератора используются данные ветромониторинга.
Непосредственно на месте, где планируется монтаж ветряка, устанавливается опора для ветроизмерений со специальным оборудованием.
Ветромониторинг
Размердействительно имеет значение, говорит Rystad
По мере роста оффшорной ветроэнергетики, даже во время глобальной пандемии , оффшорных ветряных турбин также будут увеличиваться в размерах и мощности, и Rystad Energy считает, что чем больше, тем лучше.
Как сообщалось ранее, компания Siemens Gamesa в мае объявила о запуске крупнейшей в мире морской ветряной турбины , морской турбины с прямым приводом SG 14-222 DD мощностью 14 мегаватт (МВт).
Прототип будет готов в 2021 г., а коммерческие поставки турбин ожидаются в 2024 г.
Норвежская аналитическая компания Rystad Energy считает, что, хотя эти гигантские турбины могут быть более дорогими, они снижают общую стоимость крупномасштабных морских ветровых электростанций — до 100 миллионов долларов по сравнению с использованием турбин мощностью 10 МВт в проектах ветряных электростанций мощностью 1 ГВт. .
«Ожидается, что их дополнительные расходы будут снижены за счет меньшего количества необходимых агрегатов и повышения эффективности, связанного с более новыми, более технологически продвинутыми турбинами. Для каждого проекта также есть стоимость изготовления ряда фундаментов, поэтому сокращение Количество турбин также приведет к меньшему количеству кабелей массива, что, в свою очередь, уменьшит объем установки», — говорится в заявлении Rystad.
Rystad Energy проанализировала стоимость использования турбин разных размеров для морского проекта мощностью 1 гигаватт (ГВт).
Модель SG 14-222 DD превзойдет новый прототип GE Haliade-X мощностью 12 МВт и станет самой большой турбиной, доступной в мире. На данный момент крупнейшие турбины, которые будут введены в эксплуатацию в период с 2020 по 2021 год, имеют номинальную мощность до 10 МВт, сообщил Rystad.
«При использовании турбин мощностью 14 МВт вместо турбин мощностью 10 МВт количество агрегатов, необходимых для проекта мощностью 1 ГВт, уменьшается на 28 единиц, со 100 до 72. Переход на турбину мощностью 14 МВт с турбины мощностью 12 МВт по-прежнему дает сокращение почти на 11 единиц. В целом, анализ показывает, что использование самых больших турбин для новой ветряной электростанции мощностью 1 ГВт обеспечивает экономию средств почти на 100 миллионов долларов по сравнению с установкой доступных в настоящее время турбин мощностью 10 МВт», — обнаружил Rystad.
«Новейшая турбина Siemens Gamesa — это шаг к значительному сокращению затрат на разработку и выравниванию затрат во всем мире.
С более крупными турбинами достигается большая экономия в других сегментах проекта и больший потенциал получения дохода в течение продолжительности будущих проектов, что повышает конкурентоспособность оффшорной ветроэнергетики», — говорит Александр Флотре, менеджер по продукции Rystad Energy для оффшорной ветроэнергетики.
Иллюстрация предоставлена: Siemens Gamesa
В своем анализе Rystad исходит из того, что стоимость турбины составляет в среднем около 800 000 долларов США за МВт для доступных в настоящее время агрегатов (т. на каждую дополнительную МВт для более крупных блоков, ожидаемых в среднесрочной перспективе, чтобы отразить ожидаемые усилия производителей по получению прибыли.
«Таким образом, для этого анализа мы оцениваем, что стоимость турбины мощностью 10 МВт составляет 8 миллионов долларов США, в то время как турбины мощностью 12 МВт и 14 МВт будут стоить приблизительно 10,1 миллиона долларов США и 12,3 миллиона долларов США соответственно. Таким образом, переход от 10 МВт турбины на турбину мощностью 14 МВт может привести к увеличению затрат на производство примерно на 85 миллионов долларов, в то время как использование турбины мощностью 14 МВт вместо установки мощностью 12 МВт может увеличить производственные затраты почти на 45 миллионов долларов», — сказал Rystad.
Фундаменты являются основными компонентами, обеспечивающими возможность снижения затрат при использовании более крупных турбин. По оценкам Rystad Energy, стоимость фундамента обычно составляет от 3 до 4 миллионов долларов, причем различия в основном связаны с типом фундамента и глубиной воды. При переходе с 10 МВт на 14 МВт такая экономия затрат может превысить 100 миллионов долларов для разработчика, в то время как экономия в сценарии с 12 МВт на 14 МВт, вероятно, составит от 30 до 50 миллионов долларов.
Стоимость кабелей массива зависит от размера турбины. В то время как использование более крупных турбин подразумевает потенциальную экономию средств за счет меньшего количества фундаментов, дополнительная длина, необходимая для кабелей массива для турбин мощностью 14 МВт, вероятно, сохранит общие затраты на кабели на прежнем уровне. Однако меньшее количество турбин сокращает количество кабельных трасс и подключение турбин к морской подстанции, что, в свою очередь, может снизить затраты на установку.
Этот пример показывает, что, хотя ожидается, что более крупные установки повысят стоимость турбин, сокращение затрат в других сегментах, а именно в фундаментах, может привести к экономии от 100 до 120 миллионов долларов только на производстве, помогая компенсировать некоторые расходы разработчика. .
Прототип Haliade-x Изображение: GE Renewable Energy
По оценкам Rystad Energy, стоимость установки турбины колеблется от 0,5 до 1 миллиона долларов, а стоимость установки фундамента — от 1 до 1,5 миллиона долларов за единицу.
Используя среднюю точку в каждом диапазоне, Rystad сказал, что для проекта мощностью 1 ГВт подразумеваемая экономия превысит 50 миллионов долларов США при использовании блоков мощностью 14 МВт вместо 10 МВт. При аналогичных обстоятельствах, но при сравнении турбин мощностью 14 МВт с турбинами мощностью 12 МВт потенциальная экономия превышает 20 миллионов долларов.
Кроме того, норвежская компания пояснила, что сокращение кабельных трасс и соединений из-за меньшего количества кабелей в массиве может привести к дополнительной экономии от 5 до 15 миллионов долларов США при использовании турбин мощностью 14 МВт, а не турбин мощностью 12 МВт и 10 МВт.
Помимо потенциальной экономии средств за счет сокращения количества агрегатов, увеличение размера турбины также может способствовать повышению эффективности. Rystad Energy проанализировала потенциальное снижение приведенной стоимости энергии (LCOE) с использованием Equinor’s Empire Wind в США в качестве примера.
В этом случае при использовании турбин мощностью 10 МВт предполагаемая НСЭ составляет приблизительно 75 долл. США/МВтч. Если вместо этого выбрать турбины мощностью 12 МВт, LCOE упадет примерно до 71 доллара за МВтч. При дальнейшей модернизации до турбин мощностью 14 МВт LCOE оценивается в 68 долларов за МВтч.
«Таким образом, с постепенным увеличением размеров турбины и морские ветряные электростанции становятся более экономичными — не только за счет более низких первоначальных затрат, но и за счет более долгосрочного потенциала производства электроэнергии», — сказал Ристад.
Кредит: Rystad Energy
Никаких лезвий! Ветряная турбина в форме шеста Vortex Bladeless вырабатывает энергию за счет тряски.
| 2022 Bridgestone World Solar Challenge Vortex Bladeless, безлопастная ветряная турбина в форме полюса, была разработана испанским стартапом Vortex Bladeless Ltd. Высокотехнологичный генератор простой формы защищен шестью семействами зарегистрированных патентов.
В настоящее время компания занимается созданием прототипа для коммерциализации во второй половине 2020 года по цене около 200 евро (около 25 000 иен). Генератор предназначен для использования на сельскохозяйственных угодьях и в жилых районах.
Генерация энергии с помощью явления завихрения
Вихрь Bladeless вибрирует, используя энергию, содержащуюся в его вихрях, которые генерируются, когда ветер обходит структуру и преобразует механическую энергию в электричество.
Начинает вырабатывать электроэнергию при скорости ветра 3 м/с, типичной для городских районов.
Ветрогенератор дополнительно оснащен предохранительным устройством для автоматического прекращения работы при скорости ветра выше 30-35 м/с, максимальной скорости, с которой может работать генератор.
Простая форма для экономичности, безвредности для дикой природы и низкого уровня шума
Vortex Bladeless разработан для решения проблем традиционных ветряных турбин, таких как эксплуатационные расходы, шум и воздействие на птиц. Благодаря простой форме и малому весу (15 кг) снижаются материальные затраты. Для него не требуется гондола или лопасти, которые являются самыми дорогими частями обычного ветряного двигателя, а производственные затраты оцениваются примерно в 53% от стоимости производства обычного ветряного двигателя.
Поскольку лопастей нет, турбина не издает слышимого шума (частота ниже 20 Гц), нет шансов зацепить летящие предметы в плохую погоду или убить птиц и летучих мышей лопастями.
Еще одна замечательная особенность заключается в том, что магниты, размещенные в цилиндре, отталкиваются друг от друга, а движущиеся части не касаются друг друга. Таким образом, почти нет повреждений, вызванных износом и трением, что снижает затраты на техническое обслуживание. По расчетам компании, срок службы генератора составляет от 32 до 9 часов.6 лет.
Три модели в разработке
Vortex Bladeless в настоящее время разрабатывается для трех разных моделей, два из этих прототипов уже находятся в эксплуатации.
Первый в эксплуатации Vortex Nano. При высоте 1 м и выходной мощности 3 Вт эта небольшая модель эффективно вырабатывает электроэнергию, работая от солнечных батарей. Второй — Вортекс Такома. Модель высотой 2,75 м с выходной мощностью 100 Вт предназначена для использования в жилых и сельскохозяйственных угодьях.
Vortex Atlantis/Grand, находящийся на стадии прототипа, имеет высоту от 9 до 13 м и выходную мощность около 1 кВт. Модель предназначена для бытового/сельского самостоятельного производства и установки на заводах.
Разработка продукта на основе видеоролика
Компания Vortex Bladeless Ltd. была основана в 2012 году Давидом Яньесом и Раулем Мартином. Видео вдохновило их на разработку генератора.
Это было видео моста Такома-Нарроуз в США, который рухнул в 1940, показывающий, как частота моста резонировала с частотой вихрей, вызванных высокоскоростным ветром, что привело к его обрушению. Дэвиду пришла в голову идея сделать устройство, которое вырабатывает энергию, используя энергию, содержащуюся в вихрях.
Его идея была высоко оценена и привлекла государственное финансирование Центра развития промышленных технологий (CDTI). Компания начала сотрудничество с Массачусетским технологическим институтом и Гарвардским университетом. В июне 2015 года они запустили успешную краудфандинговую кампанию по найму инженеров, необходимых для продвижения проекта.