Ветросиловые станции

Ветросиловые станции

ВЕТРОСИЛОВЫЕ СТАНЦИИ, сооружения, имеющие своим назначением утилизацию силы ветра для получения работы в том или ином виде. В самом общем виде ветросиловые станции состоят из ветряного двигателя, аккумулятора энергии ветра и резервного (неветряного) двигателя. Для расчета ветросиловых станций необходимо, задавшись графиком нагрузки станции, произвести специальную обработку ежедневных наблюдений над энергией (скоростью) ветра с целью определения продолжительности работы резервного двигателя при различной емкости аккумулятора. Обработка наблюдений производится следующим образом. К энергии ветра за данный промежуток времени (день) прибавляют оставшуюся неиспользованной от предыдущего промежутка времени емкость аккумулятора; отсюда вычитают заданную для данного промежутка времени работу станции, согласно графику нагрузки; разность, если она будет положительной, даст величину заряда аккумулятора для следующего промежутка времени, а разность отрицательная - величину работы резервного, неветряного двигателя. Энергия ветра, остающаяся свободной после заряда аккумулятора, рассеивается в пространство. По данным о продолжительности работы резервного двигателя за достаточно длинный промежуток времени (10 лет) строят кривые продолжительности работы или простоя ветряного двигателя (в днях), в зависимости от емкости аккумулятора (в днях средней годовой нагрузки станции). Такие кривые строятся для разных значений W3 (W - скорость ветра), т. к. полная мощность станции пропорциональна W3. Задавшись различными емкостями аккумулятора, определяют для разных размеров ветряных двигателей, сообразуясь с продолжительностью работы резервного двигателя, стоимости как единицы мощности, так и единицы энергии, получаемой на ветросиловой станции.

С удалением от земной поверхности скорость ветра увеличивается, и для получения определенной мощности достаточно ветряного двигателя меньшего диаметра; вместе с этим увеличивается, однако, и стоимость башни. Существует наивыгоднейшая высота башни и соответствующий ей диаметр ветряного двигателя. Подсчеты показывают, что для открытого места наивыгоднейшая высота башни для ветряных двигателей разных диаметров соответствует 8—10 м расстояния нижнего конца крыла от земли.

Теоретические подсчеты показывают, что при московских ветрах в современных условиях СССР (при условии возврата основного капитала в 8 лет и 6 % годовых на капитал) 1 kWh ветроэлектрической станции мощностью 15 kW должен обходиться в 35,8 коп. с электрохимическим (свинцовым) аккумулятором и 38,3 коп. с гидравлическим аккумулятором. Отсюда следует, что в современных условиях СССР небольшие ветроэлектрические станции с любыми аккумуляторами энергии ветра нерентабельны. Более рентабельны мелкие электрические станции, работающие от нефтемотора параллельно с усовершенствованными ветряными двигателями. В этом случае топлива расходуется в 2,5—3 раза меньше, и стоимость энергии понижается на 20—30%.

Количество га, которое в зависимости от скорости ветра W, при разных высотах подъема воды Н м, может оросить ветряной двигатель с диаметром крыльев в 8 м, с поршневым насосом, при постоянной скорости вращения двигателя

Что касается ветряных двигателей, применяемых для орошения, то кривые на фиг. 1 показывают количество га, которое в зависимости от скорости ветра W, при разных высотах подъема воды Н м, может оросить ветряной двигатель с диаметром крыльев в 8 м, с поршневым насосом, при постоянной скорости вращения двигателя; при этом принимается КПД трансмиссии η1 = 0,75, КПД насоса η2 = 0,65 и, следовательно, общий КПД всей установки η = 0,487 и предполагается, что за шесть летних месяцев установка должна подать воды для орошения 4000 м3 на га. При переменной скорости вращения двигателя производительность увеличивается с увеличением этой скорости; если последняя возрастет вдвое, то при постоянном ходе поршня насоса производительность увеличится в полтора раза, а при автоматически переменном ходе поршня даже в два раза против данных фиг. 1. Центробежные насосы, приводимые в движение ветряным двигателем, при переменной скорости вращения двигателя и при прочих равных условиях делают работу установки более плавной, чем поршневые насосы, и несколько увеличивают общую выработку за сезон, уменьшая стоимость всей установки вследствие меньшей стоимости центробежных насосов.

О применении ветросиловых станций к промышленной электрификации грубо ориентировочные подсчеты показывают следующее. В случае, если подстанция, состоящая из 8 ветряных двигателей диаметром 30 м, снабженных асинхронными генераторами по 100 kW каждый с компенсацией на подстанции cos ϕ, работает на сеть высокого напряжения (38000 V) параллельно с существующей районной электрической станцией, то размеры первоначальных расходов на 1 установленный kW составят 513 руб.; стоимость 1 kWh получается: для Москвы (среднегодовой ветер 4,32 м/сек и число часов использования 1660 в год) - 5,5 коп., для Крыма (7 м/сек, 4400 ч. в год) - 2,09 коп., для района Баку (8,5 м/сек, 5340 ч. в год) - 1,72 коп. и для района Новороссийска (9,3 м/сек, 5950 часов в год) - 1,54 коп. В случае создания ветряных двигателей мощностью по 1000 kW каждый, если принять, что расходы по установке единицы мощности будут такие же, как и для ветряного двигателя в 100 kW, стоимость 1 kW установки для станции мощностью в 8000 kW составит 362 руб., а стоимость энергии: для Москвы - 3,4 коп., для Крыма - 1,3 коп., для Баку - 1,07 коп. и Новороссийска - 0,95 коп. за 1 kWh. Для района протяжением 1000 км, покрытого широко развитой сетью электропередач, с приключенными к ней в разных местах группами ветряных двигателей, энергия ветра не обеспечивает непрерывности подачи тока по твердому графику нагрузки, хотя и может принять на себя, в общем, до 80% среднегодовой нагрузки районной электростанции. Подсчеты показывают, что безусловно полного перекрытия затишья одной части района ветрами другой его части не получается даже для района протяжением в 3000 км. Резерв для энергии ветра, следовательно, необходим. Весьма подходящим источником энергии для параллельной работы с ветряным двигателем является вода, так как в засушливые годы количество энергии ветра увеличивается, а по временам года периоды стока воды и сильных ветров также, в общем, взаимно противоположны; тем не менее необходимы широкое регулирование стока воды гидравлической станции и утилизация его преимущественно в периоды безветрия.

Энергию ветра человечество стало применять для приведения ветряных двигателей во вращение уже со 2 века нашей эры. В США в конце 19 в. было около 200 заводов, занимавшихся изготовлением ветряных двигателей, причем годовой выпуск в 1895 г. составлял: двигателей «Аэромотор» - 60000 шт. и двигателей «Эклипс» - 45000 шт. Земледелие и садоводство во многих полузасушливых штатах Северной Америки получили возможность развития исключительно благодаря применению ветряных двигателей для орошения и других сельскохозяйственных работ. В Аргентине на площади 2987000 км2 до 1914 г. ежегодно устанавливалось 12—15 тыс. ветряных двигателей. В 1926 г. в США вновь было установлено более 100000 ветряных двигателей. В Дании существует целая сеть вспомогательных ветроэлектрических установок, работающих параллельно с небольшими общинными электрическими станциями, причем оказалось, что в некоторых случаях удалось достигнуть 50% экономии в годовом расходе топлива.

Общее количество ветряных двигателей в 38 губерниях (197 уездах) европейской части СССР по неполным статистическим данным можно оценить числом около 170000 штук, из которых двигателей заводского производства только 67 штук. Общую среднегодовую мощность всех этих ветряных двигателей можно считать равной 700000 л. с. Для всего СССР - эти числа будут значительно выше. Более 99% существующих в СССР ветряных двигателей применяется для помола муки, причем почти всюду их достаточно для помола всего местного урожая хлеба. При уплотнении работы этих мельниц примерно в 2,5 раза они были бы в состоянии перемолоть всю муку СССР при утилизации лишь 26,3% проходящей через них энергии ветра.

Общий вид ветряной мельницы голландского шатрового типа

На фиг. 2 представлен общий вид ветряной мельницы голландского шатрового типа (см. Ветряные мельницы). Низкий коэффициент утилизации энергии ветра ξ в этих ветряных мельницах обусловлен гл. обр. воздухопроницаемостью (щелями) крыльев и помещением за крыльями толстого, ничем не прикрытого маха (из нескольких бревен), который представляет очень большое сопротивление для воздуха. Создание хорошо обтекаемой воздухом формы крыльев и устранение их воздухопроницаемости могут повысить значение коэффициента утилизации энергии ветра ξ вдвое.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.