Мировая практика выбора конструкций ВЭУ, их влияние на экономические характеристикии выбор ВЭУ для России

В учебнике «Ветродвигатели и ветроустановки»
д.т.н. Фатеева Е.М. изд. 1948г. описаны следующие типы ветроколёс («ветротурбин» в современной международной терминологии) :
Крыльчатое
Роторное карусельное

Роторное барабанное
Савониуса
Эффект Магнуса/Флеттнера

Роторная крыльчатая установка

Сравнение типов ветротурбин по теоретической аэродинамической характеристике ξ (КПД ветротурбины)

Ветер

Облик современной ВЭУ

Современная ВЭУ
Главная характеристика ВЭУ - себестоимость получаемой электроэнергии.

ξ = 0,593
ξ = 0,41
ξ = 0,192
Классическая
Карусельная крыльчатая
Карусельная роторная

Эффективность несущего профиля лопасти или крыла характеризуется коэффициентом качества профиля К:
К = Су / Сх
Су – характеризует подъёмную силу профиля (т.е. полезный эффект),
Сх – характеризует силу сопротивления профиля (т.е. вредный эффект).
Для вращающегося цилиндра К = 3
Для профилей достижим К = 28.
Теоретический КПД ξ = 0,593.
ВЭУ на основе эффекта Магнуса-Флеттнера

Реальные ветроустановки
Основная борьба между теми или иными производителями идет не в разрезе типов ветродвигателей,
а в технологии производства, надежности и стоимости оборудования.

Мировые тенденции развития конструкций ВЭУ
- увеличение КПД ВЭУ;
- увеличение коэффициента использования установленной мощности;
- рост единичной мощности установки;
- размещение оси ветротурбины на максимально возможной высоте;
- адаптивность ВЭУ (приспосабливаемость базовой конструкции) к району и особенностям применения;
- формирование цены по размеру ветротурбины и высоте башни;
- уменьшение количества механически изнашиваемых агрегатов;
- минимизация участия человека в управлении установкой;
- снижение материалоёмкости, в первую очередь металлоёмкости;
- снижение трудозатрат на механическую обработку деталей;
- снижение вредного влияния на макросистему (ВЭС на сеть и шум ВЭУ);
- снижение массы агрегатов ВЭУ для снижения требования грузоподъёмности (и соответственно цены) к строительно-монтажной технике и обустройству строительной площадки,
- минимизация требования к квалификации работников выполняющих монтаж и наладку.
- снижение требований к эксплуатации ВЭУ для минимизации затрат на эксплуатацию и ремонт, а также снижения требования к квалификации эксплуатационного персонала.

Почему три лопасти?
Формула идеальной ветротурбины:
- Ось вращения параллельна направлению скорости ветра. - Бесконечное количество лопастей, ширина которых стремится к нулю.
- Сопротивление лопастей равно нулю, а сами лопасти по всей своей длине одинаково эффективно работают.
- Количество энергии, снимаемое с потока в каждой точке ометаемой площади, постоянно.
- Угловая скорость вращения стремится к бесконечности.
Три лопасти компромисс между
С одной стороны
стремлением обеспечить конструктивную прочность лопастей и снизить динамические нагрузки,
удешевить ВЭУ путём уменьшения количества лопастей,
обеспечить допустимый уровень аэродинамических шумов и вибраций, усиливающихся с ростом скорости движения концов лопастей
и
с другой стороны
стремлением к увеличению КПД ветротурбины, растущего с увеличением оборотов ветротурбины и числа лопастей.

Какие ВЭУ лучше – с мультипликатором или без?
ВЭУ с низкооборотными генераторами занимают около 15…17%рынка.
ВЭУ с мультипликаторным приводом, ширина гондолы 2,5м
ВЭУ Enercon
Диаметр гондолы 8м
ВЭУ Harakosan
Диаметр гондолы 4м
Преимущества прямоприводных ВЭУ:
- выше КПД;
- проще монтаж;
- дешевле эксплуатация;
- выше межремонтный ресурс;
- ниже вредное влияние на макросистему (ВЭС на сеть);
- проще при освоении производства.

Для чего такая тонкая высокая башня?
С созданием системы pitсh-контроля ( управления углом атаки лопастей), разрушающие нагрузки на башню намного снизились (на лопасти и прочие элементы также). Конструкторы ВЭУ создали «Гибкую башню», как более лёгкую и дешёвую.
Высокая башня позволила поднять ветротурбину повыше, что повысило выработку энергии

Какой мощности ВЭУ наиболее востребованы в мире?
Наиболее востребованными в мире сегодня стали установки мощностью в пределах 1,5…2,5МВт, применяемые для строительства ВЭУ на суше
и установки от 3-х МВт и выше, как правило, применяемые для строительства ВЭС в прибрежной зоне с фундаментом на морском дне.
Такое разделение по размерам в первую очередь связано с возможностями транспорта и монтажной техники.
Как изменяется удельная цена ВЭУ с ростом установленной мощности?
В сегодняшнем мире более корректно связывать цену установки не с мощностью установленного генератора, а с размером ветротурбины и высотой башни.
Производители для различных по силе ветра районов предлагают различного размера установки при одном и том же генераторе.

Разделение ВЭУ одной мощности по ветровым районам
I район
I I район
III район

Эти различия ВЭУ для разных ветровых районов отражаются в наименованиях

Зависимость стоимости ВЭУ от диаметра ветротурбины и единицы установленной мощности (цифры 2002 года, на сегодня их нужно увеличить на 25..30%).
От диаметра ветротурбины
От мощности генератора

ВЭУ для России
В качестве основных критериев выбора конструкции ВЭУ для строительства ВЭС в России приняты
минимальные затраты времени и средств
как для строительства ВЭС, наладки и эксплуатации, так и для освоения производства этих ВЭУ в России.
В соответствии с этими критериями предложены основные принципы по выбору ВЭУ.

Основные принципы по выбору ВЭУ:
1. Конструкция ВЭУ должна строиться на основе принятых в мире отработанных технических решениях и, в противоположность, не содержать (или содержать минимум) технических решений, требующих конструктивной доводки и отработки.
2. Конструкция ВЭУ должна следовать мировым тенденциям развития техники в общем смысле и ВЭУ-строения в частности:
- увеличение КПД машины;
- размещение оси ветротурбины на максимально возможной высоте для максимального использования установленной мощности;
- адаптивность ВЭУ (приспосабливаемость базовой конструкции) к району и особым условиям применения;
- уменьшение количества механически изнашиваемых агрегатов и деталей;
- минимизация технического обслуживания;
- минимизация участия человека в управлении установкой;
- снижение материалоёмкости, в первую очередь металлоёмкости;
- снижение трудозатрат на механическую обработку деталей;
- снижение вредного влияния на макросистему (ВЭС на сеть и шум ВЭУ);
- стабилизация выходных параметров тока ВЭУ (в первую очередь частоты) мощной силовой электроникой;
- приближение производства к месту применения (локализация).
3. Конструкция ВЭУ должна иметь наибольший эффективный потенциал развития и совершенствования (т.е. улучшения характеристик, приведенных и п.2 по сравнению с предлагаемыми на рынке).

4. Конструкция ВЭУ должна быть наиболее пригодной для производства в России с минимально возможными начальными затратами.
5. Агрегаты, закупаемые на первом этапе производства ВЭУ за рубежом, должны быть такими, чтобы затраты и технические проблемы при освоении их производства в России могли быть минимальными.
6. Размер отдельно транспортируемых агрегатов должен позволять осуществлять транспортировку агрегатов в российских условиях.
7. Конструкции агрегатов ВЭУ должны иметь минимально возможный вес для снижения требования грузоподъёмности (и соответственно цены) к строительно-монтажной технике и обустройству строительной площадки, а также позволить минимизировать требования к квалификации работников при монтаже и наладке.
8. Требования к эксплуатации ВЭУ должны позволять минимизировать затраты на эксплуатацию и ремонт, а также снижать требования к квалификации эксплуатационного персонала.
9. Конструкция и эксплуатация ВЭУ должны быть приспособлены к суровым и разнообразным российским условиям.

Наиболее полно соответствующая критериям и отвечающая принципам конструкция ВЭУ