Вятърни електроцентрали

Тенденции в конструкцията и технологиите

Съвременните вятърни турбини са истински електроцентрали, състоящи се от голям брой компоненти и подсистеми. Носещата им конструкция представлява стоманен или стоманенобетонен тръбен пилон върху който е монтирана т.нар. гондола, съдържаща най-важните елементи на вятърната турбина - електрически генератор, редуктор, спирачки, система за ориентиране на ротора, хидравлична и охладителна система и системи за управление и дистанционен контрол на турбината. Друг основен компонент са роторът и роторните лопати. Роторът е монтиран върху вал, свързан към редуктор, който оптимизира оборотите на въртене, съобразно техническите специфики на генератора. Използват се и генератори с директно задвижване, при които традиционният зъбен редуктор не присъства в конструкцията на турбината, както и различни хибридни решения, включително едностъпални редуктори и многополюсни генератори.

Основна тенденция в развитието на вятърните турбини е непрекъснатото увеличаване диаметъра на ротора, с което съответно нараства и изходната им мощност. Някои от съвременните турбини достигат мощност 7 MW и диаметър на ротора повече от 125 м. Специалисти прогнозират, че тази насока на развитие ще продължи и през следващото десетилетие. Причината е, че макар големите вятърни турбини да са по-скъпи за инсталиране и експлоатация от малките, общата себестойност на киловатчас произведена електроенергия намалява с увеличаване на размера на вятърните турбини. Очаква се ветрогенераторите, разработени и инсталирани през следващите 10-15 години, да достигнат номинална мощност в диапазона от 8-10 MW и диаметър на ротора от 180-200 m. Това, от своя страна, ще наложи създаването на нови конструктивни решения и материали, тъй като изпозваните до момента не позволяват производството на роторни лопати и други компоненти на турбината с подобни размери.

Увеличаването на диаметъра на ротора

обаче неизбежно води до нарастване на натоварването върху вятърната турбина. Очаква се това натоварване да доминира над натоварването от вятъра и да доведе до значително увеличение на теглото и себестойността на роторната система. Също така при по-висока линейна скорост на върховете на роторните лопати при голямогабаритните океански вятърни турбини има опасност от огъване на дългите лопати и е необходимо да се увеличи гъвкавостта им. Разработките в тази насока са свързани с разработването на нови материали с по-висока якост. За изработката на съвременните лопатки основно се използват армирани композити от фибростъкло и специални смоли. За да намалят теглото и да увеличат якостта на големите пропелери, някои производители използват при изработката им въглеродни нишки.

Освен към постигането на идеално съотношение между размер и тегло, оптимизирането на конструкцията на турбините е насочено и в посока използване на максимална част от вятърната енергия в приложения, характеризиращи се с ниска скорост на въздушните течения.

При слаб вятър, конвенционалните турбини изпитват затруднения при развъртане, тъй като механичното съпротивление при старта е голямо и минималният въртящ момент на вала на турбината не е достатъчен тя да се завърти под товар. Трудният самостарт оставя практически неоползотворена енергията на вятъра при скорости под 3-4 метра в секунда. Ветроенергията е неефективно оползотворена и в случаите, когато турбините се въртят, но коефициентът им на полезно действие е нисък, поради малкия въртящ момент.

Използване на реактивната струя в периферията на лопатите

Една от разработките, насочени към разрешаването на този проблем, са реактивните вятърни турбини, специално предназначени за високоефективна работа при ниски скорости на вятъра. Завъртането на роторните лопати при този вид турбини се осъществява не само поради разликата в налягането на флуида пред и зад пропелерите, но и поради формирането на реактивна струя в периферията на лопатките, която създава реактивна сила, подпомагаща въртенето. Тази сила е за сметка на натиска на флуида върху челните стени на лопатите. Част от този натиск се пренасочва за полезно въртене на пропелера.

Освен от натиска, периферните реактивни струи се формират и от центробежно изхвърляния флуид при въртенето. Особеността на използваната центробежна сила за подпомагане на въртенето е фактът, че тази сила не е класическата Нютонова сила, а така наречената от някои физици “феноменална”, защото се проявява не само при ускорително въртеливо движение (с положително ъглово ускорение), но и при равномерно въртене (с нулево ъглово ускорение), както и при забавящо се въртене (с отрицателно ъглово ускорение). Тоест, центробежната сила винаги косвено подпомага въртенето на турбината, независимо как се върти тя. Генерираната електрическа мощност се увеличава повече за сметка на увеличения въртящ момент на ротора и по-малко от повишаването на оборотите.

Променливи обороти на въртене на ротора

Повечето съвременни вятърни турбини работят с променливи обороти на ротора. Променливата скорост предлага редица предимства, сред които подобряване на съвместимостта им с електроенергийната система, редукция на товара, енергоспестяване и др. За централите с мощност над 1 MW е задължително да поддържат различни обороти на въртене, макар и в тесен работен интервал.

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, като генераторът се свързва към електрическата мрежа през електрически преобразувател.

Електрическата енергия, 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 различни конфигурации, базирани на синхронни или асинхронни генератори.

Понастоящем популярна система е тази с двойно захранен асинхронен генератор (doubly fed induction generator - DFIG), който предлага почти всички предимства на задвижванията с променлива скорост, но при него само една част от енергията (около 1/3) преминава през конвертора. По този начин електрическият преобразувател може да бъде с приблизително 1/3 от размера, цената и загубите на конвенционалните конвертори за задвижвания с променлива скорост.

В тази концепция, статорът на електрическата машина е директно свързан с мрежата, а роторът се свързва с нея през конвертора. Двойно захраненият асинхронен генератор има по-ограничен скоростен диапазон, но той е достатъчен, за да покрие изброените предимства.

Замяна на механичните транмисии с електронни системи

Сред наскоро представените разработки в областта на вятърната енергетика е и нов тип генератор, с който, според изобретателите му, преобразуваната енергия нараства с около 50%. Новият генератор може да се използва при по-разнообразни условия в сравнение с конвенционалните генератори и да запази ефективността си при увеличаване или намаляване скоростта на вятъра. Оптимизирането на работата му се осъществява чрез замяна на механичната трансмисия с електронна система. Като цяло работата на генератора се осъществява на същия принцип както и при всички останали генератори. Разликата е, че в него отделните намотки не са свързани помежду си, а могат да се комутират чрез електронни превключватели. При ниска скорост на вятъра се включват толкова от намотките, колкото са необходими за преобразуването на енергията на вятъра в момента. Съответно при по-високи скорости се включват повече намотки и така се преобразува повече енергия. Комутаторите реагират бързо и адаптацията към променливите условия е много ефективна. За да намалят размерът на ротора и оттам инерцията му, създателите на системата са разположили намотките на няколко малки по диаметър генератори по дължината на вала. По-малкият диаметър позволява по-бърза смяна на скоростта на въртене и оттам по-висока ефективност на процеса. Това, от своя страна, позволява по-бързо и лесно изработване на генератори с различни характеристики, подходящи за всеки отделен случай. Например, за локации със силни ветрове просто се добавят повече елементи.

Регулиране на стъпката на роторните лопати

До появата на мегаватовите вятърни турбини в средата на 90-те, сред методите за управление на турбините при различни скорости на вятъра преобладаваше откъсването на въздушния поток от роторните лопати. Днес за по-добро решение от конструктивна и функционална гледна точка се счита регулирането стъпката на роторните лопати. Сред основните причини е по-доброто качество на електроенергията при този метод. Допълнителен фактор, който допринася за по-широкото използване на регулатор на стъпката, вместо на откъсването на поток от лопатите, са приблизително еднаквите разходи за изпълнение на двете схеми. Това е причината понастоящем на пазара да се предлагат четири пъти повече турбини с регулиране на стъпката на роторните лопати, отколкото версиите с откъсване на въздушен поток от тях.

Дистанционно управление на вятърните турбини

Повечето големи вятърни турбини са оборудвани със съвременни системи за управление на работния процес и контрол на оборудването. Благодарение на тях, обслужващият персонал получава актуални данни за генерационния процес и други важни параметри, както и дистанционен достъп до управлението на турбината. Производствените данни се извличат автоматично от софтуерната система на вятърната турбина и се подават на съответния уеб сървър. Информационната връзка с ветрогенератора се осъществява чрез широколентов достъп, ISDN връзка, GSM и др.

Модерните вятърни турбини са снабдени и със система за автоматично управление, която защитава и контролира генератора и мрежата. Освен това, системата коригира настройките на оборудването, според вятъра и метеорологичните условия, като по този начин оптимизира производството на електроенергия. Автоматичният контрол се осъществява на базата на различни сензори - за вибрации, температура, за измерване на нуждата от отопление на енергийния блок и смазочните течности през студените периоди и др. Някои модели разполагат и с датчици против обледеняване на пропелера. Системата за контрол на състоянието осигурява трендови графики, честотни спектри, информация във времето и технически данни за вятърната турбина, които позволяват точен анализ на евентуалните откази. Сред средствата за контрол са и анемометърът и ветропоказателят на вятърната турбина, които следят промените в скоростта и посоката на вятъра и контролират оборудването според съответните стойности.

Системата за управление на вятърната турбина е подсигурена с UPS, в случай на отпадане на електрозахранването. За защита от мълнии и последствията от тях се използват съвременни средства - гръмоотвод във всяка лопатка, варистори и предпазители в клемната кутия на генератора, върху съединителите на инвертора, екранирани кабели на датчиците, заземяване на пилона, защита от свръхнапрежение откъм високоволтовата страна на трансформатора и други.

Височината на носещата кула

В периода, в който вятърните турбини са се проектирали предимно за инсталация на земната повърхност, височината на носещата кула е нараствала право пропорционално с диаметъра на ротора. Този тип конструкция е подчинен на идеята, че колкото по-голяма е височината на пилона, при толкова по-високи скорости на вятъра работи турбината и следователно генерира по-висока изходна мощност. Разбира се, има и изключения от това правило, тъй като повечето производители предлагат различни вариации във височината на кулата с всеки определен модел турбина, за да осигурят оптимална работа на електроцентралата при специфичните климатични условия на даден регион.

В днешно време се обръща много по-голямо внимание на тежестта на кулата, отколкото на пропорционалността й с диаметъра на лопатите. Тази тенденция произтича от големите вятърни турбини във водни басейни и икономическата нецелесъобразност от издигането им на по-голяма височина. Оказва се, че по-големите инвестиции в основата на носещата кула и нейната себестойност, разпределени във времето, превишават приходите, постигнати от по-високата изходна мощност на турбината.

Транспорт и инсталация на турбините

Тенденцията към увеличаване размера на вятърните турбини отправя нови предизвикателства и към производителите на подемна техника. До средата на 90-те години производителите на турбини се съобразяваха с наличните видове кранове и произвеждаха отделните елементи в допустими за възможностите им размери. В днешно време, производителите на подемна техника започнаха да се съобразяват с новите ветрогенераторни технологии и изпълняват специални модели за нуждите на вятърната енергетика.

При инсталацията на турбините се използват различни техники, съобразени с вида на вятърната турбина и локалните климатични условия. Компонентите се изработват на отделни части и се сглобяват във въздуха. Така например, дългите роторни лопатки могат да се произведат на няколко части и да се сглобят директно при монтажа на турбината.

Някои производители на големи морски ветроелектрически централи изграждат базите си директно на пристанища, за да не бъдат ограничавани от възможностите на наземния транспорт.

Бъдещи иновации

Според специалисти от бранша, вятърната енергетика ще постигне най-голямо развитие в областта на вятърните паркове, изградени във водни басейни. Ето защо през последните няколко години повечето големи компании концентрират усилията си в технологичното усъвършенстване на т. нар. офшорни турбини. Иновативен подход в решаването на проблема с фундаментите на турбините на голяма дълбочина са плаващите вятърни турбини. Те са поставени върху плаващи платформи, пълни с вода и камъни за баласт, които са захванати със стоманени въжета към дъното. Сред предимствата на тези съоръжения се посочва фактът, че могат да се изграждат при дълбочини от 120 до 700 метра, което за момента е непостижимо за традиционните офшорни турбини. Както е известно, ветровете са много по-силни по-навътре в морето (където и дълбочината е по-голяма) и този факт предвещава много по-висока ефективност на съоръженията. Разработват се и турбини под формата на хвърчила, предназначени да работят на големи височини, където вятърът се характеризира с постоянна скорост.

Все по-голяма популярност добиват и хибридните ветросоларни електроцентрали, чиято идея е да балансират сезонно производството на електричество. През лятото производството на ток от фотоволтаици е няколко пъти по-голямо, отколкото през зимните месеци. Същевременно зимният и пролетният вятър са значително по-силни и чести, в сравнение с вятъра през летния сезон.