Ветряки-мельницы давно отошли в прошлое. Мельницами стали електроагрегаты различной мощности. Так что проблем с помола зерна в сельском хозяйстве нет. Но соблазняет мысль о “запрягании” ветра уже в новом качестве — использование ветряных мельниц как электростанций. И идеи конструкторов находят реальное воплощение. Свидетельство этому хотя бы современные пейзажи Голландии, где многочисленные вітряки не воспринимаются как экзотика. Ведь они не только вырабатывают электроэнергию, но и продолжают выполнять свою вечную работу: мелють зерно. А у нас? Или имеем перспективы видеть в Украине голландские пейзажи?
“Електротема” № 12 (20) 24 июня — 7 июля 2003 года

Историческая справка

Дармовых силу ветра человечество использовало издавна. Уже в 2 ст. до нашей эры мельницы работали в Персии. Еще раньше их использовали в Китае. В России на начало двадцатого века крутилось около 2500 тысяч ветряных мельниц с общей мощностью свыше миллиона киловатт. В 1917 г. владельцев мельниц было объявлено експлуататорамы. И вітряки остались без хозяев. Кирпичные разбирались на нужды коммун, деревянные — на дрова. А металлические рабочие машины превращались в металлолом.

Правда, позже, при советской власти, государство делала попытки использовать силу ветра. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетических установка мощностью 100 киловатт. Созданный для этого Институт ветроэнергетики разработал проект агрегата мощностью 5000 киловатт. Но научное заведение быстро был закрыт как ненужный. Ведь наступила эра Днепрогэса, которая дала толчок к строительству Днепровского каскада гидроэлектростанций — огромных бетонных загат, которые превратили берега Славутича в болота, поломали естественную жизнь реки, вичилы из земледелия тысячи гектаров знаменитого украинского чернозема. В результате — с советской ветроэнергетики вышел “пшик”.

Сейчас в мировой практике использования силы ветра наблюдается бум. Вторая жизнь мельниц побуждает инженерную мысль на создание различных ветровых агрегатов. В основном, они маломощные, предусмотренные для использования в малых фермерских хозяйствах. Следовательно, экономически выгодны, так как относительно дешевые: производят “дармовых” электроэнергию.

Энтузиасты ветроэнергетики есть и в Украине. Их работа в определенной мере поддерживается государством.

Предистория хозяев ветра

Середина девяностых двадцатого века. Постановлением Кабинета Министров предусмотрено выделение межотраслевой координационном совете, который распределяет средства для производства витростанций, 0,5% оплаты за электроэнергию, которая поступает на счет Национального диспетчерского центра. В 1996 году Указом Президента Украины эту сумму был увеличен до 0,75%. На эти средства с самого начала претендовали два производителя. КБ “Южное” (ДКБП) разработало собственный агрегат ветряной мельницы АВЕ-250С. Украино-американская компания “Уиндэнерго” наладила выпуск лицензионных ветряных мельниц USW-56-100 (ими укомплектован крупнейшую в Украине Донузлавская ВЭС и несколько мелких станций). В результате “борьбы” за средства, основное финансирование было направлено на изготовление лицензионных ветряных мельниц.

В августе 1997 года Президент поручил тогдашнему первому вице-премьеру правительства Анатолию Голубченко курировать вопросы использования ветра. Эксперты доказывали, что в будущем витроенергостанции смогут производить до 15% потребляемой в Украине электроэнергии.

В исследовали, развитие украинской ветроэнергетики регулируется соответствующей национальной программой.

Вместе с тем, в те же девяностые годы конкуренция в “борьбе” за получение государственных финансов вылилась на страницы прессы. Каждая сторона преподавала свои аргументы, которые имели право на жизнь. И здесь уместно будет вспомнить ситуацию, которая тогда складывалась в сфере выбора конструкций ветряных мельниц.

Взгляды на развитие витрякобудування были противоположны. Похожи они были в одном — финансировать производство двух различных ветряных мельниц государство вряд ли способна. Заместитель генерального конструктора ДКБП Владимир Декалин тогда подчеркивал: “Это ненормальная ситуация, мы не настолько богаты, чтобы финансировать два проекта. Надо определиться, какой из них осуществлять. “Уиндэнерго” производит много компонентов, но АВЕ-250С — это от начала до конца украинский ветряк. И это наши рабочие места “.

По словам директора Южной ветроэнергетических компании — дочерней фирмы “Уиндэнерго”, — Владимира Кукушкина, ситуация выглядела иначе. На деньги, поступавшие от Координационного совета, с USW-100 к тому времени было уже создано несколько витростанций. Между тем как все образцы АВЕ-250С требовали доработки, что требовало значительных средств. Следовательно, по его мнению, выпускать витроагрегаты Украина сможет только по лицензии.

В том противостоянии лавровый или терновый венец (в зависимости от обстоятельств) с успехом могли примерить обе стороны. А как развивается ветроэнергетика сегодня, какое оборудование пользуется спросом на агрорынка? С этим вопросом редакция обратилась к технического директора частного предприятия `Аванте` (Киев) Юрия Фаворского, которое довольно успешно продвигает к потребителю собственную продукцию — маломощные електровитрякы. Ответ получили. Поэтому ее печатаем.

Техника ветровой электроэнергии

Сразу отметим, что инженерно правильное название так называемых електромлинив — витроелектрична система бесперебойного питания (ВЭС). ВЭС включает в себя витроелектричну установку, в нашем случае, мощностью 0,75 кВт (ВЭУ-075); блок управления и преобразования (БУП) и аккумуляторные батареи (АБ). Система предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую, ее накопления в АБ и преобразования посредством БУП в электроэнергию стандартных параметров. Т.е. тех, которыми можно организовать энергообеспечения индивидуальных потребителей: АЗС, кафе и других отдаленных от сети объектов; частных домов и небольших фермерских хозяйств; отелей, кемпингов, турбаз, санаториев; систем микрозрошення и аэрации водоемов; систем освещения и водоснабжения; електропастухив и других автономных объектов.

Мощность ВЭС, изготавливаемой на предприятии, определена в условиях среднестатистического энергопотребления одной семьей в пределах 100-300 кВт × ч / мес.

ВЭУ имеет ротор с аеромеханичним центробежным регулятором угловой скорости и механическим тормозом, безредукторну трансмиссию и тихохидний генератор с возбуждением от постоянных магнитов. Указанные узлы и агрегаты размещены в гондоле, что с помощью поворотного устройства монтируется на тригранну фермову опору, установленную на фундаменте. Отчуждаемых при этом площадь земли — около Æ2600 мм. Ориентация по направлению ветра — за счет витрильности ротора.
Основные технические характеристики ВЭУ:

Рабочий диапазон скоростей ветра, м / с

-стартовая

2,5
-номинальная

7,5
-максимальная эксплуатационная

45
Мощность, Вт

-на клеммах генератора

750
-номинальная на выходе БУП

1500
-максимальная кратковременная (до 4 сек.)

3000
Напряжение на выходе БУП, В / Гц

220-230/50-60
Тип АБ

кислотно
Среднее время работы от АБ (190 А × г) при нагрузке 1 кВт часов

3,5
Масса гондолы, кг

32
Высота опоры, м

11; 17

БУП работает полностью в автоматическом режиме и выполняет следующие функции:

— Автоматический контроль за состоянием АБ и соблюдением режимов работы, обеспечивающие продление их срока службы при сохранении потребительских свойств;

— Преобразование накопленной энергии в параметры сети; цифровая индикация текущих параметров;

— Автоматическая коммутация всех процессов и нагрузок на сеть ВЭУ в зависимости от наличия ветра или сети;

— Подзарядка АБ от сети или от ВЭУ с накоплением энергии в АБ;

— Цифровая и звуковая сигнализация аварийных режимов.

Неоспоримым преимуществом потребительских свойств ВЭС является наличие в составе БУП ридиннокристаличного индикатора (ЖКИ) с указанием важной для потребителя информации о времени работы на данном режиме до полной разрядки батареи в формате (часы: минуты). Поскольку БУП допускает кратковременные перегрузки до 3 кВт, то запуск потребителей, имеющих в своем составе электродвигатели мощностью до 1 кВт, не является проблемой.

Важным является и тот факт, что ВЭУ максимально адаптированная к ветровых условий большей части территории Украины, а именно: ее стартовая скорость лишь 2,5 м / с, номинальная — (7,5 м / с).

К преимуществам ВЭУ относится также отсутствие мультипликатора и, как следствие, снижение шума и упрощения обслуживания при эксплуатации.

Опытная эксплуатация ВЭС показал, что заказчики совершенно не учитывают график распределения нагрузки в течение суток, а просто подытоживают мощности потребителей. Отсюда ошибочное мнение, что мощности ВЭС недостаточно. Хотя после расчетов становится ясно, что месячное энергопотребления для среднестатистической украинской семьи составляет в пределах 100-300 кВт в месяц или 3,3-10 кВт ч в сутки и не зависит от суммарной мощности потребителей.

Практика внедрения ВЭС выявила еще один интересный факт. Общеизвестно, что пригороды и некоторые районы в самих городах в последнее время интенсивно застраиваются. Эти здания, как правило, имеют несколько этажей и укомплектованы различной бытовой техникой и аппаратурой, преимущественно импортного производства. Кроме того, очевидна тенденция увеличения не только относительной, но и абсолютной енергооснащености обычной квартиры, а тем более коттеджа. В связи с этим нагрузка на КТП, не рассчитанных на современных потребителей резко возросли и в результате этого напряжение в сети упала (иногда до 130 В). Бытовая техника (котлы, стиральные машины, насосы, телерадиоприлады), особенно импортные, в таких условиях работы не приспособлены и «отказываются» работать. Более того, многие недешевых устройств выходят из строя через резкие перепады напряжения. Поэтому для жизненно важных устройств целесообразно использовать однофазные стабилизаторы напряжения.

Стабилизаторы мощностью до 22 кВт обеспечивают:

— “Чистую” форму синусоидальной выходного напряжения во всем диапазоне нагрузок;

— Стабилизацию выходного напряжения на уровне 220 В +7,5% -10% (+5% -7,5%) при изменении входного напряжения от 130 В до 270 В (от 150 В до 260 В) частотой 50 ± 2,5 Гц;

— Защитное видимкнення потребителей при повышении входного напряжения более 285 В (270 В) с последующим автоматическим подключением нагрузки при понижении входного напряжения до рабочего уровня;

— Защита от короткого замыкания и длительного перегрузки на выходе;

— Режим «транзит» в аварийной ситуации;

— Защита потребителей от перенапряжения в режиме «транзит» в диапазоне напряжения 247-257 В;

— Тепловой защиту автотрансформатора в интервале температур 75-98 оС;

— Нормированные (4,5-7,5 с) видимкнення потребителей при кратковременном исчезновении сети (предотвращает повреждение импульсных источников питания).

Но стабилизация напряжения не снимает проблемы гарантированного энергообеспечения потребителей через видимкнення сети или ее отсутствие на некоторых дачных участках, видгинних пастбищах, маяках, радиорелейных станциях, метеопостах и других удаленных от систем централизованного энергообеспечения объектах.

В случае видимкнення или исчезновения сети, ситуацию спасет ВЭС или ее составные части (БУП и АБ), что в данном случае выполняют функцию источника бесперебойного питания повышенной мощности и увеличенного времени работы. В случае видимкнення существующей сети, БУП полноценно функционирует в режиме резервного источника даже без использования ВЭУ. В случае отсутствия сети использование ВЭУ или другого источника постоянного тока, например, фотоэлементов, обязательно, потому что АБ необходимо подзаряжать.

Блоки бесперебойного питания и преобразователи напряжения с 12 (24) В постоянного тока в 220 В, 50 Гц переменного тока мощностью от 250 до 2000 Вт крайне необходимы в моменты видимкнення сети для питания агрегатов систем отопления, водоснабжения и т.п.

В данный момент осуществляется опытная эксплуатация многофункционального БУП для работы с гибридными витросонячнимы системами. В этом случае предусматривается более плавное среднегодовое покрытие нагрузок, потому что ветер доминирует в осенне-зимний период, а солнце-в весенне-летний, а также увеличение среднесуточной (среднемесячного производства энергии за счет увеличения вероятности одновременной работы двух независимых источников энергии. Следовательно, при работе двух источников с одним БУП, стоимость системы в целом снижается и, как следствие, уменьшается стоимость выработки одного киловатт / часа электроэнергии.

Ветер `качает` воду

Кратко остановимся на ветровых водопидйомних установках (ВВПУ). В начале 60-х годов в СССР насчитывалось более 20 000 витродвигунив, преимущественно водопидйомних. Из них только в Полтавской области было 650, которые полностью обеспечивали водоснабжения хозяйств, где были установлены. Сейчас использование ВВПУ не менее актуален.

Современная технология производства животноводческой продукции предусматривает организацию видгинно-пасовищного содержания животных в летний период. Вода нужна. Поливные земледелие в южных и степных районах Украины также требует воды. Яркий пример — известный заповедник Аскания-Нова, существование которого без надлежащего водоснабжения, м `яко говоря, проблематично. Очень эффективными ВВПУ могут оказаться при их использовании для отвода воды с подтопленных участков, зданий и сооружений. И, конечно, традиционное их использования для водоснабжения фермерских, сельскохозяйственных и других потребителей в сельской местности и на дачных участках.

Очень перспективное направление использования ВВПУ — капельного полива, так называемое микрозрошення и аэрация водоемов. Ведь ВВПУ доступны по цене, а их эксплуатация не требует специальной подготовки благодаря простоте конструкции.

ВВПУ, что изображена на фото 3, с диаметром ротора 3 м, производительностью 1300 л / час при скорости ветра 4,5 м / с со скважиной глубиной до 50 м, оснащена поршневым насосом. Установка прошла испытания на полигоне Государственного НИИ нетрадиционной энергетики и электротехники (ДНДИНЕЕ), а ее прототипы с диаметром ротора 2,44 м до сих пор успешно эксплуатируются. Масса установки (без труб) — 450 кг. Высота до оси ротора — 10,5 м. Стоимость такой установки около 1300 у.е.

Также предлагается ВВПУ малой мощности, оснащена мембранным насосом и предназначена преимущественно для индивидуальных потребителей. Ее технические характеристики таковы:

— Диаметр ротора, м — 1,2;

— Количество лопастей, шт — 12;

— Высота до оси ротора, м — 4,6;

— Производительность при скорости ветра 5 м / с, л / ч — 300;

— Максимальная глубина всасывания воды, м — 8;

— Максимальная высота нагнетания воды, м — 3,5;

— Минимальная рабочая скорость ветра, м / с — 2,5;

— Максимальная скорость ветра, м / с — 40;

— Масса, кг — 40;

— Цена, у.е. — Около 400.

Также была разработана, изготовлена и опробована ВВПУ АВЕ4.00.00.00 (фото2), который имеет следующие технические характеристики:

— Диаметр ротора, м — 2,0;

— Количество лопастей, шт. — 9;

— Высота до оси ротора, м — 6,0;

— Производительность при скорости ветра 4-5 м / с, л / ч — 1000;

— Высота нагнетания воды, м — 20;

— Тип насоса — поршневой заглибний;

— Минимальная рабочая скорость ветра, м / с — 2,5;

— Максимальная скорость ветра, м / с — 40;

— Масса, кг — 150.

— Цена, у.е — около 600.

Опыт эксплуатации показал, что ВВПУ не обязательно должна быть расположена над источником воды. В зависимости от уровня воды в колодце или водоеме и расстояния от этих источников до места установки ВВПУ, источник воды и ВВПУ могут быть территориально разнесены (теоретически разница между уровнем воды в источнике и уровнем установки насоса не может быть больше 10 м, а практически за счет гидравлических потерь на всасывание, продление расширение / сужение потока — еще меньше).

Кроме того, имеется положительный опыт использования верхнего слоя воды ( `верховодкы`), находящегося на глубине 4 м. Фильтр насоса просто вставлен в песчаный водоносный слой, а насос находится на поверхности земли.

Желательным элементом систем водоснабжения на базе ВВПУ является наличие водонапорной башни, которая аккумулирует энергию ветра в виде потенциальной энергии поднятой ветром воды и покрывает пики потребления, следовательно обеспечивает потребителей водой в периоды отсутствия ветра необходимой скорости.

Следует знать, что при проектировании системы водоснабжения на базе ВВПУ необходимо учитывать дебит источника воды, из которого предполагается подача. ВВПУ не должна выкачивать воды больше, чем есть в источнике. В противном случае колодец может замулюватись. Большинство шахтных колодцев имеет глубину до 10 м и дебит 0,2-5 м3/час.

Следует также учитывать возможность работы ВВПУ в зимний период, для чего источник воды и трубопроводы должны быть утепленные.

Если насос подобранный по максимальной мощности ВВПУ при расчетной скорости ветра, например 8 м / с, то его рабочая характеристика N = f (w) не будет пересекать рабочие характеристики ПУ при скоростях ветра, например, 6 м / с и ниже из-за перегрузки. Таким образом, ВВПУ с таким насосом будет простаивать большую часть года, между тем как вода хозяйству необходима ежедневно. Поэтому ВВПУ должна работать на тех скоростях ветра, что наиболее вероятные для данного региона, т.е. на среднегодовых, хотя и с меньшей мощностью и коэффициентом использования энергии ветра, а использование водонапорной башни позволит сгладить пиковое потребление воды.

Очень перспективным направлением может оказаться использование ВЭУ, оборудованных синхронными генераторами, с другими механизмами (насосы, мельницы, крупорушки и т.д.), которые приводятся в крутящий движение асинхронными электродвигателями с короткозамкнутим ротором. В этом случае ВЭУ и приводные механизмы работают по принципу «электрического вала», т.е. могут быть территориально разнесены. Это обстоятельство особенно важно при водоснабжении, т.к. ВВПУ не всегда может работать с максимальной эффективностью в условиях пересеченной местности. Причина в том, что ВВПУ относительно жестко привел `связана к источнику воды, который обычно расположен в низине, а ветры, наоборот, доминируют на возвышенности. При работе по принципу «электрического вала» электрическая часть ВЭУ значительно упрощается, так как нет необходимости в стабилизации выходных параметров генератора. Необходимо лишь обеспечить ограничение угловой скорости ротора, а следовательно, и напряжения электрогенератора посредством аеромеханичного видцентрованого регулятора.

Таким образом, на сегодняшнее время ветроэлектрические системы могут обеспечивать потребности в гарантированного энергоснабжения потребителей, страдающих от внезапных и аварийных запрещены, а также внести свой вклад в выполнение Национальной энергетической программы Украины.