Способы конструктивной реализации ветроэнергетических установок
энергия, вырабатываемая современной ветроэнергетической установкой, так называемая «утилизируемая энергия ветра», в силу механических потерь в процессе преобразования ниже, чем энергия ветрового потока (рис. 110) [Борисенко, М. М., 1974, жуков, Д., 2004] .
поэтому для проектировщиков вэу подбор ветроустановок под требования заказчика и соответствие их технико-энергетических характеристик условиям местности, где она будет смонтирована, является важнейшей задачей.
в промышленной эксплуатации существуют разнообразные модели ветроэнергетических установок (рис. 111) — с ветродвигателем горизонтальной оси вращения (ветроколесом, ветротурбиной и т. п.) и с ветродвигателем вертикальной оси вращения (ветроротором) [Жуков, Д., 2004, Фатеев, Е. М., 1957].
В вертикально-осевых ВЭУ функции приводного вала и опоры совмещены. Преимущества такого совмещения заключаются в расположении редуктора и преобразователя внизу ВЭУ, что чрезвычайно важно для доступности при техническом обслуживании и ремонте ветроагрегата. Общее преимущество вертикально-осевой ВЭУ заключается в отсутствии устройства установки ветроротора на ветер. Сдерживающим фактором является относительно низкий КПД диафрагменных ветророторов. Для ВЭУ типа Даррье применение принудительного усложнено приводом раскрутки ветроротора в достаточно высоком диапазоне рабочих скоростей ветра (свыше 8 м/с). у современных горизонтальноосевых ВЭУ рабочий диапазон скорости ветра начинается с 4,0-4,5 м/с и завершается конструктивным параметром, ограничиваемым устойчивостью ВЭУ к ветровому напору 20,0-25,0 м/с.
Рис. 110. Диаграмма сопоставительных характеристик энергии ветра и регулируемых параметров ветроэнергетической установки |
Основным показателем эффективности ветродвигателей является коэффициент использования энергии ветрового потока £ (в некоторых источниках [Лаврентьев, Н. А., Жуков, Д. Д., 2003] — коэффициент использования мощности Срмах ветрового потока), т е. отношение величины механической энергии, развиваемой ветродвигателем, к полной энергии ветра, проходящей через ометаемую ветродвигателем площадь.
Ветроколесо с широкими лопастями или с большим количеством лопастей отклоняет за пределы ометаемой ветроротором поверхности большую долю активного набегающего ветрового потока, ограниченного перед ветроколесом «трубкой тока», не пропуская его через плоскость вращения, и чем больше скорость ветра, тем уже трубка тока и насыщеннее отклонение. Такая конфигурация с большим заполнением
на низких скоростях ветра имеет значительный крутящий момент и невысокую скорость вращения, так что существенная часть ветра уходит на турбулизацию шлейфа. при высоких скоростях ветра возможно даже разрушение ветроколеса под ветровым напором. ветроустановки с такими ветроколесами отнесены к типам в6, в8 и предназначены для автономных технологических объектов с невысокими потребляемой мощностью и качеством энергии.
ветроколесо с малым заполнением работает более эффективно на высоких скоростях ветра, причем не только за счет уменьшенного количества лопастей, но и за счет конфигурации профиля лопасти. в современных высокоскоростных ветроколесах для улучшения аэродинамических свойств профиль лопасти подобен профилю крыла самолета, которое обладает большой подъемной силой и невысоким лобовым сопротивлением (рис. 112). кроме того, лопасть на длине имеет переменный угол атаки а наряду с изменением пространственных размеров профиля [фатеев, Е. М., 1957].
Рис. 112. Профили крыльчатой лопасти и изменение угла атаки а на длине лопасти |
Применение быстроходных ветроколес с малым заполнением уменьшает потери мощности, обусловленные турбулентностью в шлейфе за ветроколесом, а также снижает вес узлов и улучшает экономические показатели ветроагрегата. Ветроэнергетические установки с такими ветроколесами отнесены к типам В10, В12 и выше. Предназначены эти ВЭУ как для локального энергообеспечения автономных технологических объектов с высокими показателями потребляемой мощности и качества энергии, так и для поставки в государственные электросети в составе ветроэлектрических станций.
Технические средства передачи энергии и методы генерации электроэнергии позволяют стартовать ветроколесу при минимальной нагрузке на приводном валу (собственные силы сопротивления привода), а затем устанавливать режим оптимальной скорости в широком диапазоне скоростей ветра от пусковой нагрузки электрогенератора до номинальной. в ветроэлектрической установке крутящий момент невелик и ветроколесо вращается с большой скоростью. Однако скорость вращения не может расти беспредельно. При достижении определенной скорости лобовое сопротивление резко возрастает, так как быстро вращающиеся лопасти сжимают в шлейфе воздушные массы и эффективность ветроколеса падает, кроме того, когда скорость наружного конца лопасти (окружной скорости ветроколеса) достигает 1/3—1/2 скорости звука, возникает сильный шум.
Ветроколесо в силу конструктивных особенностей вращается с меньшей скоростью, чем стандартные частоты вращения якоря электрогенератора (от 5 000 до 1 800 об/мин типичных электрогенераторов при невысоком крутящем моменте на приводном валу). Однако желательное обеспечение на приводном валу ветроколеса высокого крутящего момента приводит к неизменному утяжелению лопастей. Такое противоречие массы ветроколеса и его быстроходности устраняется использованием высокочастотного электрогенератора, снижением массы лопастей или установкой редуктора-мультипликатора (повышающего редуктора) от ветроколеса к низкочастотному электрогенератору.
Концевая скорость лопасти современного ветродвигателя на скорости ветра в диапазоне 25-30 м/с (особенно при порывах) достигает 500 км/ч. Соотношение этих двух скоростей, называемое быстроходностью ветроколеса, достигает 15.
Быстроходность ветроколеса показывает во сколько раз линейная скорость на наружных концах лопастей превышает скорость ветрового потока.
Роторно-приводной ветродвигатель Флетнера, использующий эффект Магнуса, изготавливался в виде опытных серий еще на заре XX в., но в силу низкой эффективности распространения не получил. Однако принцип замены крыльчатых лопастей с аэродинамическим профилем, вращающимися ветророторами с высоким крутящим моментом, но невысокой частотой вращения ветроколеса до настоящего времени увлекает изобретателей [Фатеев, Е. М., 1957].
Парусные ветродвигатели имеют такую же древнюю историю, как ветряные мельницы. в составе водоперекачивающих установок они до сих пор продолжают работать как на мелиорации затопляемых земель (например, в Голландии), так и в качестве водоподъемных из скважин и колодцев, наряду с многолопастными. сфера использования этих ВЭУ по типам распространяется на ряды В6, В8 и даже В10 [Фатеев, Е. М., 1957].
Горизонтально-осевые ветродвигатели репеллерные с вихрео — бразователем никак нельзя характеризовать, как плоское ветроколесо. Эти ветродвигатели следует, пожалуй, отнести к ветродвигателям объемной переработки ветрового потока в одном ряду с вертикальноосевыми ветророторами. по результатам испытаний натурных моделей и опытного образца на полигон нпгп «ветромаш» эти ветродвигатели были отнесены к типоряду в8, в10 и в12 (рис. 113).
рис. 113. ветроэнергетическая установка с ветроколесом, оснащенным динамическим конфузором |
использование ветророторов вертикальной оси вращения насчитывает тысячелетия, что объясняется сравнительной простотой конструкции. однако принцип действия таких ветродвигателей от действия ветроколес отличается кардинально. на рис. 114 приведено графическое изображение воздействия воздушных масс на разомкнутые диафрагмы полукруглого или логарифмического профиля ветроротора савониуса, использующего разницу сил сопротивления диафрагм ветровому потоку.
при обтекании вогнутой диафрагмы коэффициент сопротивления ветровому потоку равен примерно 1,3. при обтекании этой же диафрагмы в противоположном направлении коэффициент сопротивления 0,35. разница сил сопротивления приводит к созданию на приводном валу крутящего момента. ветроротор савониуса с замкнутыми диафрагмами в силу высокого заполнения ометаемой поверхности имеет значительно меньший коэффициент использования ветрового потока £ = 0,22. Высокая материалоемкость и трудности с балансировкой препятствуют промышленному изготовлению мощных ветророторов
савониуса. кроме того, характер заполнения ометаемой поверхности этих ветророторов допускает стабильную работу с указанным коэффициентом £ не выше 8 м/с, а далее идет неизбежное снижение £. ВЭУ с такими ветродвигателями отнесены к типу В6 и предназначены для автономных технологических объектов с невысокими потребляемой мощностью и качеством энергии.
Помимо рассмотренных выше конструкций вертикально-осевых ветроустановок первой группы, по причине отсутствия на рынке ветроустановок малой мощности, хозяйствующие субъекты (в основном фермеры) изготавливают к ним самостоятельно простенькие ветродвигатели (рис. 115) по схеме барабана с шарнирными створками: или в виде прямых экранов, или прямоугольных и косых парусов.
Остальные комплектующие используют из подручной, зачастую списанной из эксплуатации комплектации [Фатеев, Е. М., 1957].
Ветророторы Даррье И Мак — 4 _ приводной вал; 5 — барабан
Гроува отнесены к быстроходным ветродвигателям с коэффициентом использования ветрового по
тока выше £ = 0,35. Основным отличительным признаком ветроротора Даррье является способность поддерживать большую скорость вращения с заданной мощностью на высоких скоростях ветра после его принудительной раскрутки. именно характер движения воздушных потоков ветророторов Даррье определяет сферу их использования только в ветровых зонах с высокой среднегодовой скоростью ветра более 12 м/с. вэу Даррье, также как и Мак-гроува, отнесены к типу в14. эксплуатируются в основном в составе ветроэлектрических станций.
отрицательными эксплуатационными факторами быстроходных вэу является высокая подверженность вибрациям на различных частотах, вплоть до ультразвуковых. причем на горизонтально-осевых ветродвигателях вибрации вызывают зачастую флаттер, приводящий к разрушению лопастей. срыв присоединенных вихрей, созданных перемещением к концу лопасти циркулирующих вдоль профилей лопастей воздушных масс, формирует звуковые колебания в чрезвычайно вредном для здоровья диапазоне инфразвука.
Международные нормативы регламентируют условия безопасной эксплуатации ветроэнергетических установок с учетом требований не только защиты от механических и электрических воздействий на окружающую среду, но и влияния электромагнитных и шумовых излучений. объемные концентраторы и конфузоры (рис. 116), помимо увеличения скорости ветрового потока в зоне работы ветродвигателей, значительно снижают распространение шумовых и электромагнитных излучений.
рис. 116. варианты обустройства ветроустановки концентратором ветрового потока:слева — с пространственным концентратором, справа — с конфузором |
За счет наличия пространственного концентратора ветроустановка с геликоидным ветродвигателем приобретает повышенную прочность, имеет хороший диапазон рабочих скоростей ветра (3,5 — 15 м/с), доступна для технического обслуживания без увеличения себестоимости по сравнению с аналогичными по мощности ВЭУ [Фатеев, Е. М., 1957].
Конструкция современной ветроустановки. Основным конструктивным элементом ветроустановки является ветроагрегат, в состав которого входят ветродвигатель, редуктор и энергопреобразователь. Ветродвигатель под воздействием давления ветрового потока создает крутящий момент на приводном валу преобразователя энергии (например, электрогенератора). производство энергии заданного (нормативного) качества достигается применением редуктора между энергопреобразователем и ветродвигателем. эта связь обеспечивает преобразование скорости вращения приводного вала ветродвигателя через редуктор-мультипликатор в стандартизированную частоту вращения якоря электрогенератора. каждая вэу оснащена системой управления работой ветроагрегата и системой регулировки энергетических параметров энергопреобразователя. Как видно из рис. 117-118, кроме указанных выше, в конструкцию ветроустановки входят и ряд других элементов, обеспечивающих ее работоспособность (фундамент, башня, система управления и т. п.) [Ролик, Ю., 2008].
Рис.117. Основные конструктивные элементы современной ветроустановки 1 — втулка ветроколеса; 2 — обтекатель; 3 — генератор; 4 — мультипликатор; 5 — следящая система; 6 — дисковый тормоз; 7 — основной вал; 8 — подшипник азимута; 9 — рама гондолы |
Рис. 118. Структурная схема современной ветроустановки |
Рассмотрим более подробно особенности конструкции основных элементов ветроустановок.
Ротор (рис. 119) состоит из ветроколеса и первичного вала, от которого энергия ветра передается на рабочие механизмы вэу.
рис. 119. общий вид ротора ветроустановки |
ветроколесо (рис. 120) представляет собой втулку, в которой закреплены лопасти. в современных вэу лопасти имеют дополнительный привод, который позволяет изменять угол атаки крыла в зависимости от скорости ветра (максимальный — при малой скорости ветра и минимальный — при штормовой погоде).
Следующим важным элементом ветроустановки является мультипликатор (редуктор) (рис. 121), который повышает обороты первичного вала до рабочего значения оборотов генератора. Следует отметить, что в последние годы на рынке вэу появились безредукторные ветроустановки, которые выпускаются фирмой Anercon, в которых ротор ветроколеса напрямую соединен с ротором гененатора. это уменьшает количество механических частей ветроустановки, за счет этого повышает их надежность. однако стоимость безредукторных вэу на сегодняшний день несколько выше их редукторных аналогов.
рис. 120. общий вид ветроколеса |
рис. 121. общий вид втулки лопастей с присоединенной к ней ротором и редуктором, отдельно от редуктора и его зубчатых колес |
Как уже упоминалось, вращающий момент от ветроколеса через редуктор передается на вал генератора электрического тока (рис. 122).
рис. 122. общий вид соединения редуктора с генератором |
в конструкцию вэу входит также следящая система (рис. 123), которая обеспечивает ее ориентацию по направлению ветра. чувствительными элементами следящей системы являются датчики скорости и направления ветра (рис. 124). рис. 123. конструкция следящей системы ветроустановки |
Рис. 124. Общий вид и расположение датчиков скорости и направления ветра |
ВЭУ в обязательном порядке имеют тормозную систему аэродинамическую (поворот части или всей лопасти) и механическую (фрикционный дисковый тормоз) (рис. 125), что необходимо для остановки ВЭУ в аварийных режимах и при больших скоростях ветра.
Рис. 125. Системы торможения ветроустановок |
Одним из важнейших узлов ветроустановки является башня (мачта) — это опорное устройство для гондолы (машинного отделения), где размещаются основные агрегаты ВЭУ. Мачты имели каркасную сварную конструкцию (рис.126), отличались достаточно большой трудоемкостью изготовления, сложно было обеспечить требуемую жесткость для больших высот, в настоящее время применяется трубная конструкция башен, которая представляет собой несколько трубчатых секций с фланцами для создания соединений.
Рис. 126. Общий вид башенной и мачтовой конструкции ветроустановки |
внутри башни имеется технологическая лестница, обеспечивающая доступ персонала в машинное отделение (рис. 127) и дверь для входа в машинное отделение.
Рис. 127. Конструкция лестницы и силовых кабелей, находящихся внутри башни и входной двери в машинное отделение |
Некоторые конструкции ветроустановок имеют смотровые площадки (рис. 128)
Рис. 128. смотровая площадка ветроустановки |
Мозгом современной ветроустановки является микропроцессор (рис. 129), который обеспечивает контроль и автоматическое управление работой всего оборудования.
рис. 129. Микропроцессор ветроустановки |
Особенности конструкции роторных ветроэнергетических установок. Как указывалось выше, в настоящее время в мировой практике реально используются два основных типа ветроэнергетических установок с горизонтальной и вертикальной осями вращения. наиболее распространенными среди современных вэу являются установки с горизонтальной осью и тремя роторными лопастями. До недавнего времени основным недостатком этих установок была высокая стартовая скорость ветра (4-6 м/с). В последних разработках ведущих западных фирм стартовая скорость снижена до 2-3 м/с.
Требование уменьшения минимальной стартовой скорости ветра было одной из причин разработки отечественных ветротурбин роторного типа, основанных на эффекте Магнуса [Позняк, С. С., 2005, Позняк, С. С., 2008]. Перспективность этого направления показана, в частности, в результатах исследований, полученных в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН.
Роторная установка вместо обычных лопастей имеет вращающиеся вдоль продольной оси цилиндры. Как известно, эффект Магнуса заключается в том, что при вращении цилиндров в поперечном воздушном потоке создается подъемная сила, аналогичная возникающей при обтекании криволинейных поверхностей типа крыла самолета. исследования, проведенные в Минске и новосибирске, показали, что при определенных условиях (геометрия, размеры, частота вращения цилиндров и др.) эффективность использования мощности набегающего потока при малых скоростях ветра существенно выше, чем для обычных лопастных ветротурбин.
Для проверки основных показателей впервые в мировой практике в Беларуси (фирма Аэролла совместно с коллективом сотрудников НАН Беларуси) была создана опытная ветроустановка роторного типа мощностью 100 кВт, которая была смонтирована вблизи окружной дороги г. Минска. Диаметр ротора турбины — 36 м, расчетная скорость ветра — 9,5 м/с. К сожалению, место расположения ВЭУ на площадке, где она была изготовлена, было выбрано неудачно из-за относительно низкого диапазона скорости ветра в этом месте. Тем не менее испытания этой установки показали удовлетворительные результаты. Половина номинальной мощности была достигнута при скорости ветра 7 м/с (в лопастных ветротурбинах — 9-10 м/с), а при 8 м/с мощность составила 65 % от номинальной. Отклонение экспериментальных значений от расчетных объясняется прежде всего низким КПД редуктора. Принудительное вращение роторов ветротурбины потребовало затрат мощности 1-6 кВт, что хорошо согласуется с расчетом [Михалевич, А. А., Федосеев, В. Г, 2001].
На основе анализа полученных результатов был выполнен проект и изготовлен опытно-промышленный модуль мощностью 250 кВт, который смонтирован и функционирует на территории учебно-научного комплекса «волма» Мгэу им. А. Д. сахарова (рис. 130).
рис. 130. общий вид роторной ветроэнергетической установки вэу-250 |
ветроэнергетическая установка вэу-250 предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую в виде трехфазного переменного тока напряжением 220/380в частотой 50 Гц. кинематическая схема установки представлена на рис. 131 [Кундас, С. П., 2007].
Конструкция вЭУ-250 состоит из следующих основных узлов:
• опора с фундаментом;
• платформа поворотная;
• центральный вал со ступицей для крепления роторов;
• фермы с роторами — 2 шт (после доработки);
• редуктор-мультипликатор;
• генераторы;
• муфта предохранительная (от перегрузки генератора);
• редуктор поворота платформы;
• датчик угла поворота платформы;
Рис. 131. Кинематическая схема роторной ветроэнергетической установки ВЭУ-250 |
Оптимальная частота вращения ветроколеса при мощности генератора более 50 кВт составляет 4,63 об./мин., по этому передаточном отношение двухступенчатого редуктора-мультипликатора составляет i = 324. при мощности менее 55 квт вэу переходит на режим пониженных оборотов ветроколеса п. = 3,08 об./мин., при этом генератор AOT355S4 отключается, включается в работу генератор Аир250М6 с частотой вращения 1 000 об./мин.
Для ориентации ветроколеса по направлению ветра применен привод, состоящий из электродвигателя Аир100Б4, червячного редуктора ч-125-25, цилиндрического трехступенчатого кранового редуктора и открытой цилиндрической зубчатой передачи. это обеспечивает частоту поворота платформы с ветроколесом п = 0,05 об./мин. Для принудительного вращения роторов использован привод от электродвигателя AИP132S4, который через муфту и промежуточный вал вращает ведущий стальной ролик диаметром dp = 128 мм и через фрикционную передачу ведомый ролик диаметром 700 мм с передаточным отношением 5,46, что обеспечивает максимальную частоту вращения ротора 260 об./мин. регулирование частоты вращения производится инвертором за счет изменения частоты трехфазного переменного тока.
опора решетчатого типа выполняется из уголкового материала, конструкция — сборная с болтовыми соединениями уголков. Муфта предохранительная фрикционная устанавливается между выходным быстроходным валом редуктора-мультипликатора и основным генератором. За счет подбора количества пружин муфта 3,52 m — 2,2 m настроена на предельный передаваемый крутящий момент, превышающий на 20-25 % номинальную мощность генератора. При кратковременном повышении мощности сверх этой величины происходит соскальзывание дисков муфты. Система управления получает сигналы от датчика угла поворота и обеспечивает поворот платформы в диапазоне ±200 градусов от нулевого положения.
основные технические характеристики установки приведены в табл. 23.
Таблица 23
Основные технические характеристики ВЭУ-250
|
1 |
2 |
3 |
4 |
2 |
Рабочий диапазон скоростей ветра |
м/с |
3-18 |
3 |
Высота оси ветроколеса |
м |
36,5 |
4 |
Диаметр ометаемой площади |
м |
56 |
5 |
Частота вращения ветроколеса |
об/мин |
4,63 3,08 |
6 |
Частота вращения роторов |
об/мин |
50-260 |
7 |
Масса установки |
т |
35 |
Ветроэнергетическая установка ВЭУ-250 предназначена для параллельной работы с трехфазной сетью 0,4 кБ, 50 Гц. она работает в составе комплекса, включающего в себя саму установку, трансформаторную подстанцию 10/0,4 кВ и центральный пульт управления (ЦПУ) (рис. 132).
Рис. 132. Трансформаторная подстанция и учебный класс с пультом управления |
Для привязки ВЭУ-250 к энергосистеме Дзержинского района сооружена трансформаторная подстанция ТП 10/0,4 кВ с установкой двух трансформаторов. Один трансформатор 10/0,4 кВ мощностью 250 кВА установлен для выдачи мощности от ВэУ, второй трансформатор мощностью 63 кВА установлен для питания центрального пульта управления (ЦПУ) и резерва собственных нужд ВЭУ.
электрическая мощность, выработанная ВэУ, передается на генераторном напряжении 0,4 кВ. От ВЭУ-250 до ТП проложены две кабельные линии 0,4 кВ, а также 0,4 кВ от ТП до пультовой. Для связи ТП 10/0,4 кВ с сетями энергосистемы выполнена прокладка двух воздушных линий электропередач (ВЛ 10 кВ). Одну ВЛ 10 кВ до ПС 35/10 кВ
«Свидовщина» длиной 1,35 км и вторую ВЛ 10 кВ до ВЛ 10 кВ № 410 ПС «свидовщина» длиной 0,65 км. на пс 35/10 кв «свидовщина» установлена линейная ячейка крун-10кв. релейная защита и автоматика выполнена с учетом установки делительной автоматики по частоте [кундас, с. п., 2007].
система автоматизированного управления вэу-250 обеспечивает работу установки в долговременном круглосуточном режиме без вмешательства обслуживающего персонала. к основным задачам, возложенным на систему, относятся:
• отслеживать среднюю скорость ветрового потока и осуществлять вывод ее на эксплуатационный режим работы;
• следить за направлением и скоростью ветрового потока и соответственно ориентировать ветроколесо и менять обороты роторов для получения максимального КПД энергоустановки;
• с заданной периодичностью проверять состояние исполнительных механизмов, в случае несоответствия их заданным командам пытаться устранить несоответствие или останавливать работу установки;
• следить за параметрами отдаваемой электрической энергии в общую энергосеть и для оптимальной работы подключать один из двух установленных генераторов;
• отображать текущую информацию на удаленном видеотерминале в удобном для наблюдения за работой Вэу виде;
• в критических случаях (резкого усиления скорости ветра и др.) выводить установку из рабочего режима и фиксировать в энергонезависимой памяти программируемого контроллера данные за последние 2 мин. работы, предшествующей отключению;
• при уменьшении средней скорости ветрового потока ниже рабочей переводить Вэу в ждущий режим;
• отключать инвертор, если средняя скорость ветрового потока длительное время не возвращается в рабочий диапазон.
В настоящее время вырабатываемая ВЭУ-250 электроэнергия, согласно заключенному с Минскими электросетями договору, поставляется в централизованную электросеть по установленным для возобновляемых источников энергии тарифам (коэффициент 0,85 для оборудования, созданного за счет бюджетных средств).
В Беларуси имеется и определенный опыт использования зарубежной ветротехники. на протяжении многих лет успешно работают ветронергетические установки фирмы Nordex мощностью 270 кВт и фирмы Yakobs мощностью 660 кВт в пос. Дружный на берегу оз. На — рочь (рис. 133) и в г. Городок Витебской области) [Жуков, Д., 2002].