Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом преобразования энергии ветра. При проектировании ВЭУ необходимо учитывать их следующие особенности:
1) для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса нужно изменять частоту вращения при изменении скорости ветра, а для эффективной работы электрогенератора нужна постоянная частота вращения;
2) механические системы управления частотой вращения ветроколеса сложны и дороги. Эффективнее и дешевле управлять частотой вращения изменением электрической нагрузки электрогенератора;
3) чем больше радиус ветроколеса, тем меньше оптимальная частота его вращения. Поэтому только небольшие ветроколеса (радиусом не более 2 м) можно соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветроколеса нужно использовать повышающие редукторы, которые увеличивают стоимость ВЭУ. Заменой редукторам могут стать новые типы многополюсных генераторов, работающих при меньших частотах вращения.
В автономных ВЭУ используются электрогенераторы разных типов. В небольших установках чаще всего применяют многополюсные генераторы с постоянными магнитами. Генераторы постоянного тока могут иметь устройства для сглаживания пульсаций тока, а ток можно использовать для зарядки аккумуляторных батарей. Для генерации переменного тока можно использовать синхронные генераторы с нестабилизированными и стабилизированными параметрами на выходе. Асинхронные генераторы переменного тока могут быть как самовозбуждаемые, так и со вспомогательным возбуждающим генератором.
Анализ потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5…10 % из них предъявляют определенные требования к её параметрам (например, к частоте). Это в основном электродвигатели, электронные устройства и осветительные установки. Поэтому система электроснабжения должна быть такой, чтобы она могла обеспечить потребителей как дешевой электроэнергией с нестабилизированными параметрами, так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами.
Чтобы избежать перебоев в электроснабжении в периоды безветрия ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии или быть запараллеленными электроэнергетическими установками других типов.
Важной характеристикой ветроколеса является коэффициент быстроходности: z=wR/V, где R – радиус ветроколеса, w – окружная скорость вращающейся лопасти (частота вращения); V – скорость ветра; wR – скорость движения концов лопастей. Этот коэффициент показывает во сколько раз скорость движения конца лопастей превышает скорость ветра. Чем больше лопастей имеет ветроколесо, тем меньше должна быть скорость его вращения при данной скорости ветра. При оптимальном значении коэффициента z большому радиусу ветроколеса соответствует меньшая частота его вращения.
По мощности ВЭУ можно условно разделить на:
1) малой мощности – до 100 кВт;
2) средней – от 100 до 500 кВт;
3) большой (мегаваттного класса) – 0,5…4 МВт и более
Горизонтальные ВЭУ среднего и мегаваттного класса имеют быстроходное ветроколесо с двумя–тремя лопастями. Ветроколесо с помощью автоматической системы ориентации поворачивается на башне по направлению ветра. В настоящее время в ряде стран налажено серийное производство горизонтальных ВЭУ с диаметром ветроколеса 20…40 м мощностью 100…500 кВт. Построены опытные горизонтальные ВЭУ с диаметром колеса до 70…100 м и мощностью 3…4 МВт.
Также в некоторых странах работают вертикальные ВЭУ мощностью до 500 кВт. Пущена опытная ВЭУ с диаметром ротора 64 м, высотой 110 м, мощностью 4 МВт.
Ветроэнергетика связана с большой материалоемкостью. По удельной материалоемкости (металлоемкости) ветроустановки на два порядка превышают тепловые энергоустановки такой же мощности.
Ветроэлектростанция (ВЭС) состоит из большого количества ВЭУ. Для строительства ВЭС требуются изъятие больших площадей земельных ресурсов. На 1 МВт установленной мощности в зависимости от розы ветров и рельефа местности требуется площадь от 5 до 15 км2.
ВЭС производят акустическое воздействие на окружающую среду. Шумовые эффекты ВЭС можно разделить на механические (шум редукторов, подшипников и генераторов) и аэродинамические, вызванные вращением ветроколеса.
Аэродинамические эффекты могут быть низкочастотными (менее 16…20 Гц) и высокочастотными (от 20 Гц до нескольких кГц). Шумовой эффект вблизи ВЭС достигает 50…80 Дб. Отдельную экологическую проблему составляет инфразвуковой эффект ВЭУ мощностью более 250 кВт, отрицательно воздействующий на биологические субъекты и человека.
Размещение ВЭС влияет на миграцию птиц. В местах установки ВЭС значительно ослабевает сила воздушных потоков, а это может оказать влияние на климат и уменьшить проветривание близлежащих промышленных районов. ВЭС также создают помехи для распространения радиоволн .Поэтому при выборе места строительства ВЭС необходимо учитывать её негативное воздействие на окружающую среду.
Ветроэнергетические станции имеют ряд недостатков.
· При строительстве ВЭС требуется изъятие больших площадей земельных ресурсов.
· ВЭС производят акустическое воздействие на окр.среду
· Размещение ВЭС влияет на миграцию птиц.
· ВЭС также создают помехи для распространения радиоволн.