Энергия ветросолнечных станций

   Ветер, солнце, вода….

• Сокращение энергетических запасов ископаемых на земле,

• Загрязнение окружающей среды выбросами продуктов его сгорания,

• Энергетический кризис …

  Всё это заставляет ученых придумывать, а конструкторов разрабатывать, новые способы получения энергии от возобновляемых источников, таких, как ветер, вода, солнце.

  Возобновляемая энергетика с каждым годом все активнее, начинает конкурировать с традиционными видами получения электрической энергии.

  В свою очередь, она прочно и повсеместно завоевывает новые направления в сферах деятельности человека.

  Одним из популярных направлений возобновляемой энергетики, является   ветро солнечная энергетика.

  Это новая, развивающаяся отрасль, которая основывается на получении электрической энергии от возобновляемых источников, таких, как ветер и солнце одновременно.

  Энергия ветра и солнца даёт возможность развития весьма перспективного направления альтернативной энергетики…

  Ветер, солнце. Историческая справка использования.

  История использования энергии ветра, солнца человеком, уходит далеко в прошлое, в те времена, когда люди не имели понятия про законы физики.

  В Древнем Египте, как правило, использовали энергию ветра для помола муки в мельнице, в Китае, так же откачивали воду с рисовых полей с помощью приспособлений с лопастями.

  И только тогда, когда путешественники поняли, что ветер можно эффективно использовать для управления судном и добираться до нужного места значительно быстрее, преодолевая при этом, огромные расстояния, начали применять парус.

Как образуются ветер.

… И все же, для эффективной работы ветро солнечных станций, необходимо наличие эффективного по величине ветрового потока и сонечной радиации.

  В конечном счёте, для солнечного блока, ветро солнечной станции, эффективность производства энергии можно спрогнозировать.

  Трудности только возникают с прогнозом эффективности работы ветро станции, в составе ветро солнечной станции. Причиной тому является непостоянство скорости ветра, его влажность и соответственно плотность.

Как образуется ветер?

Пример из школьного курса физики…

… Зима. Представим себе, что в избе натопили печь, при этом, двери и окна закрыты. К тому же на улице отрицательная температура.

  Давайте приоткроем дверь, и поднесем к верхней её части зажженную свечу.

Что при этом будем наблюдать?

— скорее всего отклонение пламени свечи ИЗ комнаты.

… Давайте поднесем свечку в нижнюю часть двери, несомненно, пламя свечи будет направлено в комнату.

  Возникла циркуляция воздуха. Тёплый воздух поднимается вверх, а холодный воздух поступает снизу и распространяется по комнате, вдоль пола. Так образуется ветер.

  Нагрев и охлаждение воздушных масс в природе, вызывает циркуляционное движение воздуха, и в следствие чего, происходит образование ветра.

  В природе, движение струйных течений направлено от экватора к полюсам. В свою очередь, зона струйных течений распространяется по эллипсу. Границы эллипсов образуются на параллелях, 30-ом градусе северных и южных полушарий.

  Что примечательно, На южных полюсах расстояние по высоте, между струйными течениями холодного и тёплого воздуха достигает 7.5 км, в экваториальной же зоне воздух прогревается сильнее и расстояние между струйными потоками составляет до 18 км.

  Идёт постоянная циркуляция воздуха. Примерно на высоте 120 — 150м от уровня земли, возникают относительно стабильные ламинарные , стелящиеся потоки, которые используют для получения энергии на крупных ветро станциях.

  Зона на высоте до 20-25 м от уровня Земли, находится в сложном турбулентном движении воздушных масс. Как правило, вызвано такое поведение ландшафтом земли, строениями, а так же наличием лесной зоной и т.д.

  Потоки ветра в этой зоне трудно поддаются прогнозированию. Именно здесь, как правило, располагают ветростанции бытовой направленности.

Из опыта многолетних наблюдений

  В последние годы проводились тесты работы станций ортогонального типа на высоте от 0-35м. Замеры скорости ветра проводились с помощью цифрового анемометра, который размещался в определённых зонах, согласно плана проведения обследования. Энергетические показатели работы станций определялись по электрическим приборам, таких как амперметры, вольтметры, ваттметры, как правило, параллельно данные подтверждались показаниями с цифровой жидко кристаллической панели инвертора.  

  В процессе проведения обследования, станции устанавливались на ровный участок земли и захватывали участок потока ветра на высоте 0-15м, в то время, как на кровле зданий захватывали поток ветра  в интервале 35-40м

  Обследование показало, что на высоте от 0-15 метров, очевидного приращения скорости ветра анемометр не регистрировал. В тоже время, на высоте 35-45м ветер давал приращение до 40%.

  Основываясь на наши эксперименты, считаем, что на высоте от 0 до 15 м, скорость ветра примерно одинакова и на эффективность работы станции значительного влияния не оказывает.

  На мой взгляд, турбину необходимо поднимать на высоту 10-15м и выше в случае:

• Обеспечения безопасной эксплуатации станции
• Обеспечения беспрепятственного обтекания турбины ветром.

Ветер и его рабочий диапазон для ВЭС.

  В настоящее время, из мировой практики, ветер, его скорость, на который проектируется работа станций — 10-12 м/сек.

  Ветро солнечные станции GSk, проектируются для работы в средней полосе России на ветер со скоростью 9-10м/сек.

  Как правило, с целью эффективной работы, станции адаптируются под особенности ветровой зоны её эксплуатации.

  На расчётном ветре, станция должна выйти в номинальный режим работы.

Возникает вопрос, а что потом?….

Что делать со станцией, когда скорость ветра превышает 10-12 м/сек?

Ответ однозначный — тормозить.

  На практике, контроллер управления, регистрирует максимально допустимое напряжение со станции и при переходе в разряд критического напряжения, плавно включает балластную нагрузку.

  Идёт процесс торможения. Обороты станции понижаются. И турбина вновь входит в зону работы допустимых напряжений, и начинает вырабатываться электрическая энергия на потребителя.

  Как правило, в таком цикле, турбина может работать на ветре до 15-19 м/сек.- для горизонтальных станций, 25-30 м/сек — для ветро солнечных станций вертикального типа GSk.

  При достижении предельной скорости вращения, с целью торможения вращения турбины, горизонтальные станции уводят от ветра, либо эл. приводом, для крупных станций, или поворотом хвоста в сторону, для небольших по мощности станций.

А что дальше?

… В том случае, если буря, скорость ветра продолжает увеличиваться, 19-45м/сек и выше.

  В случае отсутствия противобуревого тормоза, происходит разрушение станции.

  Ниже приведу ориентировочный порядок разрушения элементов станции:

• Лопасти, растяжки, мачта
• Электроника
• Генератор

  Именно так произошло в 2019 г, когда на побережье Краснодарского края прошёл Норд-Ост, со скоростью ветра до 41 м/сек. Всё станции горизонтального типа полностью вышли из строя, в то время, как на ветро солнечных станциях GSk вертикального типа,  сработала аэродинамическая защита торможения и вращение турбин было остановлено, и в результате, ветро солнечные станции GSk не подверглись разрушению.

Работа ВЭС на опоре с растяжками

  Так же было проведено обследование работы ортогональной  ВЭС на опоре, которая удерживалась дополнительно растяжками, где для удобства обслуживания ветро турбины применяли складывающуюся мачту, типа «журавль».

  По истечении трёх летней эксплуатации анализировался опыт работы турбины с использованием мачты.

  Ниже приведу обобщенный результат негативных последствий, которые мы выявили:

• Затраты на монтаж мачты составляли примерно до 40% от стоимости станции
• Продолжительность монтажных работ мачты составляла 23 дня, по той причине, что приходилось выжидать время для набора прочности бетона фундамента под мачту и растяжки.
• Для выполнения работ, по сооружению мачты, применялось грузоподъемное оборудование
• Для обслуживания турбины требовались либо строительные леса, либо грузоподъемный механизм
• Необходимость содержания персонала для обслуживания мачты, по той причине, что тросовые растяжки, в зависимости от разности температур, сильных ветров, вибраций, систематически ослабевали. Резьбовые соединкния торлепов, тросовых стяжек, приходилось систематически подтягивать
• . Ветро турбина работала с частотой вращения от 0 до 800 об/мин. Соответственно, ее частота, в тот или иной момент вращения турбины, совпадалв с внутренний частотой колебаний строительной конструкции, и устройства входили в резонанс.    Вторя причина вибрации мачты — пульсирующая характеристика работы ортогональной турбин. Вибрационные явления хорошо были заметны при работе станции на разных скоростях ветра.

  Окончательную точку, в истории с мачтами на рстяжках, поставил случай из практики, когда в 2020 году, на станции, установленной на 9 ти этажном здании Удмуртского государственного университета, Во время внезапно поднявшегося, ураганного ветра, в результате ослабления растяжек, произошла авария .

  Торлепы, китайского производства, порвало на две части. Мачта осталась без растяжек. Ситуацию спас только тот факт, что мачта была не трубчатой, как это принято, а каркасной. …

  В итоге, проанализировав трехгодовалый опыт работы ветро станций на опоре, приняв во внимание недостатки, было принято, на мой взляд, инновационное решение…

  Категорически исключить из состава бытовых ветро станций мачты на растяжках.

  В  последсивии, мы эту задачу решили. Решили просто, надёжно и относительно не дорого.

Энергия солнечной электростанции.

  Солнечная электростанция (СЭС) — инженерное сооружение, преобразующее  солнечную радиацию в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной энергии в электрическую различны и зависят от конструкции электростанции. Выработка энергии солнечных станций с использованием солнечных панелей напрямую зависит от   величины солнечной инсоляции поступающей на квадратный метр облучаемой площади солнечной панели.

  Инсоляция (от лат. in «внутрь»+ sōl «солнце») — облучение поверхностей солнечным светом (солнечной радиацией), поток солнечной радиации на поверхность; облучение поверхности или пространства параллельным пучком лучей, поступающих с направления, в котором виден в данный момент центр солнечного диска.

  Солнечная инсоляция является определяющим фактором для получения электрической энергии с квадратного метра облучаемой площади поверхности солнечных панелей.

Основное преимущество солнечных станций:

• Станции быстро возводимые
• Бесшумные
• Экологически чистые
• Имеют хороший эстетический вид

Недостатки солнечных станций:

• Низкая производительность 12-14% от заявленной мощности
• Снижается выработка энергии при наличии снега, пыли на поверхности панелей.
• Снижается производительность при высоких температурах наружного воздуха.

Ветро солнечная станция GSk

  Анализируя конструкцию, достоинства и недостатки ветро станций , солнечных станций, конструкторы, пришли к совершенно новой концепции построения энергетических комплексов.

  Из всего собранного опыта, состоящего из достоинств и недостатков, перед разработчиками была поставлена задача, объединить солнце и ветер воедино, и создать станцию с учетом ниже перечисленных требований:

• Позволяющую принимать энергию от нескольких источников
• Работа которой не зависит от направления ветра
• Станция должна быть мобильной, передвижной, с защитным каркасом
• Разработать блок, из которых будет возможность собирать станции большой мощности
• Ометаемая площадь турбины не должна зависеть от размеров лопасти
• Станция должна содержать три вида торможения при сильном ветре-  аэродинамическую, противобуревую защиту, электромагнитную защиту и ручной тормоз.
• Каркас турбины должен быть полностью сборно – разборный , и хорошо комплектоваться в транспортные места, с целью удобства перевозки
• Лопасть должна быть укороченной, с целью возможности преодоления больших нагрузок
• Ротор турбины должен быть многоярусным
• Турбина должна быть ортогональной
• Сочетание траверса-лопасть, должны иметь систему установки угла атаки
• Предусмотреть возможность быстрой сборки, без применения грузоподъёмных механизмов
• Предусмотреть быстровозводимую подставку под турбину
• Предусмотреть возможность обслуживания турбины без применения грузоподъемной техники.
• Обеспечить относительную быстроходность турбины
• Разработать специализированный синхронный без редукторный тихоходный генератор
• Разработать систему управления работой турбины
• Обеспечить возможность работы станции в автономном, гибридном и сетевом варианте
• Создать ветрянной блок, который, как солнечные станции, можно будет простым сочленением, собирать в мобильные ветро комплексы большой мощности. и т. д

  В конечном счёте, такая станция была разработана, изготовлена и запущена в мелкое производство. Впервые была создана мобильная, ветро солнечная станция с ортогональной сбалансированной турбиной. В разработке использовались научные труды Российских и Американских учёных. Авторство на станцию зарегистрировано в России.

Преимущества ветро солнечной станции GSk

Из характеристики станции…

  Ветро солнечная станция GSk — мобильная, быстровозводимая станция, поставляется заказчику разобранном виде. Упакованная в 23-25 тарных места, с общим весом до 700 кг.

  Преимущество, примечательность станции состоит в том, что она:

• Быстровозводимая . Бригада из трёх человек, способна собрать и запустить в работу станцию за одну рабочую смену.
• Устанавливается на любую ровную поверхность (на нулевую отметку земли, на кровлю строений, на тележки, самоходные транспортные средства)…
• Для монтажа станции не требуется фундамент, устанавливается на любую ровную поверхность
• На станции не применяются тросовые растяжки.
• Устойчивы к ураганным ветрам
• Станция быстровозводимая, легко, просто, на основании видео инструкции, производится её по элементная сборка. Бригада слесарей из трёх человек, способна собрать и запустить в работу станцию за 1 рабочий день.
• Три вида торможения
• Работает полностью в автоматическом режиме.
• Легко собирается в ветропарк с мощностью на одну линию до 45 кВт
• Работает как от энергии ветра, так и от энергии солнца  и т.д.
• Способна работать на подставке высота которой 1,8м.
• Может  работать в любом положении : Вертикальном, горизонтальном, наклонном,

  Более того, ортогональные станции ООО «Деалан Энерго» г. Ижевск, Россия, способны работать и удерживать турбину в рабочем диапазоне на ветре до 25-30 м/сек., после чего срабатывает противобуревая защита.

Устройство станции GSk

  Станция состоит из:

1. Каркаса турбины — служит для крепления вала, а так же защитной конструкцией с целью ограждения попадания предметов и живых организмов в зону вращения турбины.  

1. Вала турбины – промежуточное звено для передачи вращательного движения на вал ротора генератора
2. Траверсы – служат для сочленения лопастей с валом
3. Лопасти –  является основным рабочим элементом, создающим движение турбины.

1. Тихоходный генератор —  без редукторная синхронная электрическая машина, преобразующая вращающий момент вала турбины станции в электрическую энергию
2. Подставка турбины – элемент станции, служащий противовесом для сохранения устойчивого состояния станции и элементов защиты от попадания в зону вращения турбины людей, животных.

1. Солнечные панели – служат для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию.
2. Рамка солнечных панелей — служит для крепления солнечных панелей на подставке ветро солнечной турбины.
3. Контроллер управления – электронное устройство, которое служит для управления работой  ветро солнечной станцией

1. Инвертор – преобразователь напряжения, служит для преобразования DC напряжения с аккумуляторных батарей в  АС напряжение промышленной частоты и качества синусоиды выходного сигнала
2. Аккумуляторные батареи – предназначены для накопления выработанной электрической энергии

  Выше по тексту для представления, показано краткое описание и комплектация типовой ветро солнечной станции  GSk.

Выбор места установки ветро солнечной станции

  Во-первых, место для установки ветро станции нужно правильно выбирать. От того , насколько правильно выбрано место, зависеть наработка станции, эффективность работы станции.

  Во-вторых, место в обязательном порядке анализируется, тестируется.

  В-третьих, наиболее эффективным местом для установки ветровых электростанций являются участки с постоянным потоком ветра — кровли зданий и сооружений, холмистая местность,  горы, прибрежные участки морей и океанов.

Прежде всего Существует такое правило установки станций…

… При движении ветра со стороны станции, расстояние до препятствия допускается 2Н. Также , за препят-ствием, волна турбулентности распространяется до 18-20Н.

По расположению выделяют следующие виды:

• наземные;
• прибрежные;
• плавающие;
• офшорные

  Регионами с высокими ветровым потенциалом считаются места, где средняя скорость ветра около 9 м/с. К таким местам относят Латинская Америка, Гренландия, западная и северная части Европы, Центральная часть Азии, Центральная часть Северной Америки.

  Оценка ветровых ресурсов сложный процесс. Основные факторы, на которые обращают внимание:

• какие ветра преобладают;
• рельеф и высота местности;
• наличие водоемов, растительности, различных построек.

  Стартовая скорость для выработки электроэнергии — это 3 м/с. Оптимальная скорость — 10-12 м/с.

  Получение энергии от ветро солнечных станций на морях и океанах.

  Наличие постоянного ветрового потока — важный фактор для эффективной работы ветро солнечной станции.

  В морской океанической и прибрежной зонах, ветер более стабильный. Также на стабильность оказывает влияние отсутствие помех, для его разгона. И разность темперер системы вода -земля. Нахождение ветряков вблизи морей и океанов создает подходящую ветро генерацию — здесь всегда образуются потоки ветра. Кроме обычных, есть и штормовые ветра, которые достигают скорости от 20 м/с. и более.

  Вырабатываемая энергия, построенными ветряными парками в морях и океанах, могла бы обеспечить все нужды человечества. Скорость ветра в океане больше примерно на 70%, чем на суше. Это огромный энергетический потенциал. Реализация идеи  сложная и требует больших инвестиций.

Расчет мощности станции по ветру

  Мощность устройства можно рассчитать по следующей формуле:

P=Ср ṕ S V3/0.5  где,

P – расчетная мощность, кВт;

р – плотность воздуха, кг/м3;

V – скорость ветра, м/с;

S – Площадь поперечного сечения турбины, м2

Ср – коэффициент мощности турбины

  И всё же, большое значение в конструировании имеет Во-первых, размер лопасти, во-вторых, её форма, так же материал из которого лопасть изготовлена.

Ветроэнергетика в России

  На мой взгляд, Россия достаточно слабо использует такой ресурс, как ветер. Самая крупная ветроэлектро-станция в России была запущена в 2020 году в Ставропольском крае. Рабочая мощность каждой из 84 установок — 2,5 МВт.

  На мой взгляд, первенство по установке ветро парков в России принадлежит Ульяновской области, благодаря активности первого лица региона.

  Тем не менее, за прошлый год ветряками было выработано менее 1% от всего объема потребляемой энергии. Это обусловлено тем, что в стране развиты другие способы добычи энергии.  Энергия ветра неиссякаема и Российские производи-тели продолжают развивать это направление возобновляемой энергетики.

Перспективы развития получения энергии от ветра, солнца.

  Мировой энергетический кризис заставил, наконец то повернуться государства всего мира в сторону экологически чистых источников производства эл. энергии.

  В результате чего идёт продвижение новых разработок и усовершенствование старых моделей альтернативной энергетики.  Последняя Российская разработка  мобильных ветро солнечных станций GSk, это прогресс в мировой ветро солнечной энергетики. Станции подобного класса могут работать на суше и на море, могут работать на передвижных механизмах и под водой, могут собираться в кластеры большой мощности.

  Все больше стран в мире уделяет ветряной энергии внимание и начинает строительство своих ветряков на подходящих территориях. Энергия ветра считается одной из перспективных альтернативных отраслей энергетики. 

  Кроме того, многие считаю, что за ветроэнергетикой, как и за альтернативными экологичными способами добычи энергии, стоит будущее. Российский производитель и пользователь  очень рассчитывает на то, что с принятием  Федерального закона от 27 декабря 2019 г. № 471-ФЗ “О внесении изменений в Федеральный закон «Об электроэнергетике» в части развития микрогенерации”.

  В конечном счёте, Российский производитель и пользователь рассчитывает на то, что следом будет принят закон о субсидировании производителей и покупателей станций, по производству автономной энергии.  

 Ссылка на сайт производителя

  На виде показан интересный момент, как прекрасно проходит станция изменение скорости ветра за счёт харашей инерционности ротора турбины. Что является так же величиной расчётной.