Основные тины и краткая характеристика ветроагрегатов
Прежде чем рассматривать типы и конструкции ветровых энергетических агрегатов уточним основные термины, касающиеся этих установок.
В технической литературе под ветродвигателем или ветроколесом (ветротурбиной) принято понимать любое устройство (двигатель), использующее кинетическую энергию ветра для выработки (производства) механической энергии.
К ветроэнергетическому агрегату или ветроагрегату ( ВЭУ) обычно относят систему, состоящую из ветродвигателя, одной или нескольких рабочих машин (генератора, насоса, компрессора и т. д.), служащих для выработки одного определенного вида энергии (например, электрической) и (или) выполнения заданного процесса (подъема воды, сжатия воздуха, размола зерна и др.)
Под ветроэнергетической установкой (ВЭУ) будем понимать комплекс технических устройств, в который входит ветроагрегат и, в зависимости от схемы, аккумулирующее или резервирующее устройство, дублирующее мощность ветродвигателя, а также системы автоматического управления и регулирования режимов работы установки и ее элементов.
ВЭС, т. е. ветроэлектрическая станция, включает несколько ВЭУ или ВЭУ, а также распределительное устройство, объединенные территориально и управляемые с единого диспетчерского пункта.
Энергетический комплекс, состоящий из ВЭУ и других энергетических установок, например, ГЭС (ГАЭС), геотермальной, солнечной и т. п., будем называть комплексной энергоустановкой (комплексной ВЭУ или ВЭС).
Большинство ветроагрегатов имеют ось вращения либо совпадающую с направлением ветрового потока, либо
перпендикулярную ей. И очень редко встречаются ВЭУ с осью, имеющей некоторый угол (обычно близкий к 45°) к направлению ветра. В связи с этим по конструктивному исполнению ВЭУ классифицируют на коллинеарные (горизонтально — или вертикальноосевые) и ортогональные (также горизонтально — или вертикальноосевые). Также ВЭУ можно классифицировать и по другим признаками, например:
— по режиму работы ВЭУ различают на три основных класса: сетевые, гибридные и автономные. Сетевые ВЭУ это, как правило, это установки большой единичной мощности, работающие параллельно с мощной энергосистемой. По назначению являются источниками получения, и выдачи в электрическую сеть максимально возможной выработанной электроэнергии. Рекордный по мощности агрегат был смонтирован в г. Эмдем (Германия). Мощность агрегата составила 6 МВт, высота гондолы 124 м и диаметр ротора 114м. Гибридные установки работают параллельно с независимыми электростанциями соизмеримой мощности (дизель-генераторы, малые ГЭС и др.) По назначению являются источниками электропитания для бесперебойного снабжения потребителей электроэнергией номинальной мощности. Автономные же агрегаты являются источниками электропитания потребителей, не связанные с электрической сетью. В основном имеют маленькую номинальную мощность и работают, как правило, на небольшое число потребителей. Автономные ВЭУ могут также быть специализированными, например, водоподъемные, водогрейные и др.
-по виду вырабатываемой энергии ВЭУ подразделяют на две группы: механические и электрические. Электрические ВЭУ, в свою очередь, подразделяют на ВЭУ постоянного и переменного тока, а механические ВЭУ подразделяют на ветронасосные и ветросиловые.
— по мощности ВЭУ можно разделить на четыре группы:
а) большой мощности — свыше 1 МВт;
б) средней мощности —от 100 кВт до 1 МВт;
в) малой мощности — от 5 до 99 кВт;
г) очень малой мощности — менее 5 кВт.
— по частоте вращения ротора ВЭУ различают с постоянной или переменной частотой;
-по принципу работы ВЭУ используют силу давления ветра или аэродинамические силы.
— по способам регулирования частоты вращения ротора — ВЭУ бывают с поворотными лопастями, с фиксированными лопастями и с поворотной частью конца лопасти.
-по количеству лопастей ВЭУ бывают 1, 2, 3 или
многолопастными.
Наиболее широкое распространение в энергетике получили средние и мощные сетевые ВЭУ коллинеарного типа с тремя поворотными лопастями (рис 2.20)
|
Рис. 2.20 Современные ВЭУ, слева —Enercon Е82(2 МВт), справа — Vestas V80 (2 МВт) Основными элементами ветроагрегата коллинеарного горизонтально-осевого типа являются: ветроколесо (ротор), оборудованное тремя лопастями аэродинамического профиля, |
поворотная гондола (или обтекатель), в которой размещены генератор, а также автоматические системы контроля параметров ВЭУ и ориентации на ветер. Все это оборудование установлено на башне (рис. 2.21)
|
Рис. 2.21 Общий вид элементов ветроагрегата: слева на право — нижняя часть башни с опорным концом, аэродинамический тормоз лопасти |
Компоновочные решения определяются расположением оборудования в гондоле, типом генератора. Различают два основных типа современных ВЭУ: редукторные (соединение ротора с генератором через редуктор) и безредукторные (с прямым соединением генератора и ветроколеса). В свою очередь ВЭУ редукторного типа при формировании оборудования в гондоле могут идти двумя путями: интеграцией всего основного оборудования в единый блок, что означает, что главный вал и главные силовые агрегаты объединены в коробке механизма (рис. 2.22)
Такая компоновка коробки передач со всеми интегрированными элементами может использоваться приблизительно до мощности 800 кВт.
Второй тип компоновки предполагает распределенное размещение основных силовых систем. Это означает, что главный вал и главный подшипник не объединены в редукторе, так как они
|
закреплены на раме, которая обеспечивает крепление корпуса подшипника, коробки передач и генератора (рис. 2.23)
Рис. 2.22 Компоновка с интеграцией редуктора и генератора в единый блок. |
|
Рис. 2.23 Компоновка с раздельным размещением редуктора и генератора. Безредукторное соединение ветроколеса и генератора предполагает отсутствие какого-либо редуктора и как следствие скорость вращения ветроколеса равна скорости генератора. Это означает, что число полюсов на генераторе значительно увеличивается. Например, для генератора с синхронной скоростью 20 |
оборотов в минуту и частоты сети 50 Гц, число полюсов должно быть равно 150. Так как вращающий момент связан с радиусом ротора, при таком числе полюсов его диаметр будет весьма большим, и при этом обычно используют кольцевые генераторы.
В этой технологии существуют два главных типа генераторов: с электромагнитным возбуждением ротора или с ротором с постоянными магнитами. На рис. 2.24 представлен успешный коммерческий безредукторный ветроагрегат Епегсоп с синхронным генератором и классическим электромагнитным возбуждением.
|
Рис. 2.24 Безредукторный ветроагрегат с синхронным генератором. |
В последнее время на рынке ветроагрегатов появились новые тенденции компоновки силового тракта, связанные с устранением главного вала, обычно сделанного из дорогой легированной стали методом штамповки и очень тяжелого. В этом случае все элементы крепятся к единой монолитной конструкции, обеспечивающей и крепление узлов и транспорт механической энергии вращения от ветроколеса к генератору (Рис. 2.25)
Основные данные о параметрах современных ВЭУ средней и большой мощности представлены в табл. 2.3.
|
Рис. 2.25 Компоновка силового тракта на монолитной конструкции |
|
Таблица 23 Параметры современных ВЭУ иностранного производства
|
2.3. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРУГИХ НЕТРАДИЦИОННЫХ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
ЭНЕРГИИ
Выше были рассмотрены, на наш взгляд, наиболее распространенные энергоустановки, имеющие достаточно
отлаженное производство оборудования, а поэтому обладающие большей конкурентоспособностью. Вместе с тем, имеются энергетические установки, работающие от других видов возобновляемой энергии. Некоторые из них рассмотрены ниже. Из-за редкого использования многие специалисты относят эти источники энергии к нетрадиционным.