Тема_4_Вітроенергетика

1.

ТЕМА 4
Вітроенергетика
Ресурс, технології та особливості використання
Вітрові турбіни, енергетичний ресурс і інтеграція в енергосистему

2.

ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ
Про що ми говоримо сьогодні
01
Вітровий енергетичний ресурс
02
Типи вітроустановок та основні характеристики
03
Крива потужності, режими роботи та фактори продуктивності
04
Умови розміщення вітроустановок
05
Інтеграція вітрової генерації в енергосистему
Вітроенергетика
2

3.

РОЗДІЛ 1 · РЕСУРС
Вітровий енергетичний ресурс
Енергія вітру пропорційна кубу швидкості вітру:
P = ½ · ρ · A · v³
ρ — густина повітря, A — площа обдування ротора, v — швидкість вітру
Швидкість вітру — головний фактор: подвоєння швидкості дає вісім разів
більше потужності
Ресурс залежить від рельєфу місцевості, висоти над поверхнею та
шорсткості ландшафту
Оцінюється за допомогою вітрового кадастру (карт вітрового потенціалу)
та багаторічних вимірювань
Роза вітрів показує переважні напрямки та повторюваність швидкостей
вітру в регіоні
Вітроенергетика
Роза вітрів (умовна схема)
3

4.

Р О З Д І Л 2 · Т И П И УС ТА Н О В О К
Горизонтально-осьові турбіни (HAWT)
Найпоширеніший тип вітроустановок: вісь ротора паралельна напрямку
вітру, лопаті обертаються перпендикулярно до потоку.
Найвища ефективність перетворення енергії вітру серед усіх типів
Потребують системи орієнтації на вітер (yaw-механізм)
Домінують у великій вітроенергетиці — наземній і офшорній
Висота башти зазвичай перевищує діаметр ротора
Вітроенергетика
4

5.

Р О З Д І Л 2 · Т И П И УС ТА Н О В О К
Вертикально-осьові турбіни (VAWT)
Вісь ротора розташована вертикально — установка вловлює вітер незалежно від його напрямку.
Параметр
HAWT (горизонтальні)
VAWT (вертикальні)
Залежність від напрямку вітру
Потребує орієнтації (yaw)
Не залежить від напрямку
Вища
Нижча
Розміщення генератора/редуктора
У гондолі, на висоті башти
Біля основи, на землі
Типове застосування
Великі вітропарки, офшор
Міські та малі об'єкти
Вищий на великих потужностях
Зазвичай нижчий
Типова ефективність
Рівень шуму
Вітроенергетика
5

6.

Р О З Д І Л 2 · Х А РА К Т Е Р И С Т И К И
Основні характеристики вітроустановок
Клас установки
Потужність
Діаметр ротора
Типова висота башти
Мікро (побутові)
до 10 кВт
1–7 м
6–20 м
Малі промислові
10–100 кВт
7–25 м
20–40 м
100 кВт – 1 МВт
25–60 м
40–80 м
1–8 МВт
80–170 м
80–150 м
Середні
Великі (мережеві)
Клас вітру за міжнародною класифікацією IEC визначає розрахункові навантаження турбіни: клас I — для найсильніших вітрів, клас III — для
найслабших.
Вітроенергетика
6

7.

Р О З Д І Л 3 · К Р И В А П ОТ У Ж Н О С Т І
Крива потужності вітроустановки
Залежність потужності від швидкості вітру
1
100
Cut-in (≈3 м/с)
Мінімальна швидкість початку генерації енергії
Потужність, %
80
2
60
Номінальна (≈12 м/с)
Швидкість досягнення номінальної потужності
40
20
3
Cut-out (≈25 м/с)
Швидкість автоматичної зупинки для захисту турбіни
0
0
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
20
25
Швидкість вітру, м/с
Вітроенергетика
7

8.

Р О З Д І Л 3 · Р Е Ж И М И Р О Б ОТ И
Режими роботи вітроустановки
1
Запуск
2
Номінальний режим
Ротор починає обертання при досягненні швидкості cut-in; система
орієнтується за напрямком вітру
Робота на розрахунковій потужності зі швидкостями між номінальною і
cut-out
3
4
Обмеження потужності
Зміна кута лопатей (pitch control) для захисту генератора при сильному
вітрі
Вітроенергетика
Зупинка
Автоматичне гальмування та флюгування лопатей при перевищенні cutout або сервісі
8

9.

Р О З Д І Л 3 · П Р ОД У К Т И В Н І С Т Ь
Фактори продуктивності
КВ
ВП
Коефіцієнт використання встановленої потужності
Відношення фактичної виробленої енергії до максимально можливої за
період; типово 25–45% для наземних турбін
≈
Турбулентність потоку
Нерівномірність вітру підвищує механічні навантаження та знижує
ефективність перетворення енергії
Вітроенергетика
↕
Висота башти
Швидкість вітру зростає з висотою через зменшення тертя об поверхню землі
— вищі башти дають більший виробіток
ρ
Густина повітря
Залежить від температури, висоти над рівнем моря та вологості; впливає на
кінетичну енергію потоку
9

10.

РОЗДІЛ 4 · РОЗМІЩЕННЯ
Наземні вітропарки (Onshore)
Розташовуються на відкритій місцевості — рівнинах, узбережжях, підвищеннях
— де забезпечено стабільний вітровий потік.
Нижча вартість будівництва та обслуговування
Простіший доступ для монтажу та ремонту
Обмеження через ландшафт, забудову та землекористування
Можливий вплив на ландшафт та шумове навантаження
Вітроенергетика
10

11.

РОЗДІЛ 4 · РОЗМІЩЕННЯ
Офшорні вітропарки (Offshore)
Розміщуються у морській акваторії, де вітровий потік сильніший і стабільніший,
ніж на суходолі.
Вищі та стабільніші швидкості вітру — більша продуктивність
Можливість встановлення турбін більшої потужності
Значно вищі витрати на будівництво та підключення до мережі
Складніше технічне обслуговування через морські умови
Вітроенергетика
11

12.

РОЗДІЛ 4 · ВИБІР МАЙДАНЧИКА
Критерії вибору майданчика
1
2
3
4
5
Вітровий потенціал ділянки
Дані вітрового кадастру та багаторічних вимірювань швидкості й напрямку вітру
Відстань до житлової забудови
Нормативні санітарні розриви для зниження шумового та візуального впливу
Екологічні обмеження
Оцінка впливу на міграційні шляхи птахів, кажанів та природоохоронні території
Доступ до інфраструктури
Наявність доріг для транспортування турбін і близькість до електромережі
Характеристики ґрунту та рельєфу
Придатність основи для фундаменту та стійкість схилів
Вітроенергетика
12

13.

Р О З Д І Л 5 · І Н Т Е Г РА Ц І Я
Інтеграція вітрової генерації в енергосистему
1
Змінність генерації
2
Балансуючі потужності
Залежність від погодних умов вимагає точного прогнозування виробітку
та резервних потужностей
Маневрені генеруючі джерела компенсують коливання вітрової генерації
в реальному часі
3
4
Системи накопичення енергії
Батареї та інші накопичувачі згладжують пікові коливання та підвищують
стабільність мережі
Вітроенергетика
Розвиток мережевої інфраструктури
Модернізація ліній передачі та підстанцій для приєднання нових
вітропотужностей
13

14.

ПІДСУМК И
Висновки
Потужність вітру пропорційна кубу швидкості, тому вибір майданчика з високим вітровим ресурсом критично важливий
Горизонтально-осьові турбіни домінують у промисловій енергетиці завдяки вищій ефективності
Крива потужності (cut-in, номінальна, cut-out) визначає режими роботи та безпеку турбіни
КВВП, висота башти та турбулентність — ключові фактори реальної продуктивності установки
Офшорне розміщення дає вищий виробіток, але потребує значно більших інвестицій, ніж наземне
Змінність вітрової генерації вимагає балансуючих потужностей і систем накопичення енергії
Вітроенергетика
14