Принципы построения мобильных ветроэлектростанций

С.К. Прищепов, И.Р. Зинатуллин, О.И. Берг

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Направлением исследований является создание ветродвигателей (ВД) с горизонтальной плоскостью вращения лопастей (ГПВЛ) для локальных экологически чистых энергосистем. Авторами предлагаются результаты исследований теоретических моделей и макетных образцов ВД, объединяющих свойства эффективной работы при малых скоростях ветрового потока и независимости от его направления, что в сочетании с эргономичностью и системной совместимостью определяет их как основу локальных электростанций, отвечающих требованиям применения на аграрных и промышленных предприятиях, в отдалённых населённых пунктах как компоненты единых энергосистем городов.

Ключевые слова: энергосистема, ветроэнергетика, ветроагрегат, ветродвигатель, вертикальная ось ветродвигателя, горизонтальная ось ветродвигателя.

Нефть, газ, каменный уголь относятся к невозобновляемым природным источникам энергии. Данное положение стало сегодня находить понимание не только в среде учёных, инженеров, экологов, но и в государственных и финансовых структурах ведущих стран мира. Не случайно быстрыми темпами стала развиваться область исследований, получившая название «альтернативная энергетика», основу которой составляют природосохраняющие технологии.

Одним из направлений в данной области является ветроэнергетика. Так, в России, на Кольском полуострове планируется реализация масштабного проекта по выработке электроэнергии с использованием ветрогенера-торов (ВГ). Стоимость проекта 60 млрд. руб. Место его размещения перспективно, так как на берегу Баренцева моря среднегодовая скорость ветра составляет 7-9 км/час, что почти в 2 раза больше, чем в Дании, где ветроге-нераторы дают 1/4 часть всей потребляемой электроэнергии [1].

В Дании, Германии, Голландии использование энергии ветра имеет вековые традиции. В результате преемственности изобретений, инженерных решений, технологий производства и эксплуатации конструкции ветродвигателей (ВД) в этих странах постоянно совершенствовались. Наряду с работами технического характера ведущими фирмами активно осуществляется менеджмент ВГ: энергия ветра рекламируется как «дар», её использование - как «природная энергетика», то есть энергетика, не требующая крупных инвестиций. Не случайно 70% мирового производства ВД для привода электрогенераторов (ЭГ) сосредоточено в Западной Европе. При этом, конструкции 2-х; 3-х лопастных ВД с горизонтальной осью вращения предлагаются как безальтернативные [2]. В результате все вет-

рогенерирующие (ВГ) станции мощностью более 1 МВт выглядят однотипно, как на рис. 1.

Рис. 1. Ветрогенераторная станция на береговой линии Северного моря

Таким образом, наиболее широкое распространение в мировой практике получили ВД пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения. Однако, некоторые технические характеристики отдельно работающего ВД по рисунку 1 нельзя считать оптимальными:

1. Размеры действующих ВД мощностью 1 МВт достигают 100 метров в высоту и 150 метров в диаметре. Это объясняется пропорциональной зависимостью мощности ВГ от диаметра пропеллера ВД. Очевидно, что ВГ таких габаритов изготавливаются на грани технических возможностей современного производства. Как следствие - высокая стоимость подобного ВГ (12 млн $) [2].

2. В регионе установки ВГ «роза ветров» должна быть достаточно устойчивой, а скорость ветра примерно одинаковой на протяжении года. Это требуется потому, что ВД данного типа не имеют флюгера, способного ориентировать плоскость вращения пропеллера ортогонально направлению ветра: во-первых, ВД по рис. 1 слишком тяжёл (единицы - десятки тонн); во-вторых, ВД по рис. 1 для свободы угловых перемещений 0°-360° вокруг вертикальной оси нужно отдалять от соседнего ВД не менее чем на 150 метров (ВГ-станция будет занимать большое пространство); в-третьих, для свободы угловых перемещений 0°-360° требуется токосъёмник «генератор-нагрузка» большой мощности. .

3. Даже при оптимальном направлении ветра (параллельно оси вращения пропеллера ВГ на рисунке 1) для начала вращательного движения ВД скорость воздушного потока должна быть не менее 1,5 ^ 3 м/сек. Это объясняется по рис. 2 наличием момента трогания МТр., то есть сопротивления моменту вращения МВР., который существует из-за эксцентриситета пропеллера и трения оси вращения ВД в опорах. Данный недостаток про-

является в достаточно негативной форме - при явном наличии ветра лопасти ВД остаются неподвижными.

Исследователи Дании, США, Англии, Канады, то есть стран - основных производителей ВД и ВГ мощностью 1 МВт, пришли к заключению, что ветровая энергетика не будет развиваться по пути гигантизма. Будущее принадлежит ВГ средней мощности 5 ^ 100 кВт с повышенным КПД при малых скоростях ветра (1,5 ^ 7) м/с. Желательным признаком является независимость момента вращения ВД от направления ветра, если его скорость постоянна.

При всем многообразии технических решений и конструкций, по совокупности положительных признаков ВГ с вертикальной осью вращения (ВОВ) по рис. 3 могут рассматриваться в качестве основного конкурента ВД с горизонтальной осью пропеллера:

1. КПД ветряных двигателей с ВОВ при малых скоростях ветра достигает 35%. Рассчитанный Н.Е.Жуковским теоретический КПД во всем диапазоне скоростей ветра для традиционных ВД составил 52% [2].

2. Известно, что эффективные ВД с ВОВ имеют количество лопастей от 2-х до 64-х. При этом форму лопасти можно задавать любой сложности: на величине Мтр по рис. 2 это не отражается, так как возникающие при конструктивных вариациях векторы эксцентриситетов ортогональны плоскости действия Мтр (параллельны вертикальной оси вращения ВД). Следовательно, для ВД с ВОВ не требуется столь тщательная балансировка ротора, как для горизонтальных ВД [3].

3. Если ВД с ВОВ выполнить с опорами О1 и О2 различного типа, согласно схеме по рис. 4, то осевая реакция Ру уравновешивает силу Р и под-

[м/сек]

ъ

Рис. 2. Зависимость момента вращения ВД от скорости ветра

шипник качения О2 имеет лишь оптимальную для него радиальную нагрузку Я, что сводит влияние эксцентрика Р на формирование МТР к минимуму [4].

Рис. 3. Ветродвигатель с вертикальной осью вращения 1 - верхняя опора типа «радиальный подшипник»; 2 - вертикальная ось вращения; 3 - ферма крепления подшипников; 4 - нижняя опора типа «подпятник»; 5 - четырёхлопастный ротор; 6 - основание.

4. При объединении в ветроэнергетические комплексы, то есть при размещении множества ВД с ВОВ в непосредственной близости, можно избежать экранирования соседних генераторов, достаточно установить их роторы на разном расстоянии от поверхности Земли. Для этого по рис. 3 нужно лишь изменить высоту основания ВД.

5. При компоновке ВД по схеме рис. 4 существует возможность закрепления статора электрогенератора на опоре О1, что позволяет разгрузить конструкцию ВД, а также повысить мощность ВГ (токосъёмник «генератор-нагрузка не требуется»).

Рис. 4. Эквивалентная схема ВД с вертикальной осью вращения Ог - нижняя опора типа «подпятник»; О2 - верхняя опора типа «радиальный подшипник»; Р - эквивалент эксцентричной массы пропеллера; I - плечо силы Р; Ь - расстояние между О2 и О2; Ех, Рг, Я - реакции опор.

6. Основным достоинством ВД с ВОВ является эффективность преобразования энергии ветра во вращающий момент ротора ВГ вне зависимости от «розы ветров». Это освобождает ВД от лишних деталей (напри-

мер, ориентирующего флюгера), позволяет получать электроэнергию вне зависимости от погодных условий, то есть на протяжении всего года.

Совокупность недостатков крупных промышленных ветровых энергетических установок (ВЭУ) определяет в настоящее время актуальность создания автономных мобильных энергетических комплексов, состоящих из электрогенератора, аккумулятора, солнечной батареи (рис. 5).

В таких системах наиболее эффективными преобразователями являются ВГ с вертикальной осью вращения ветродвигателя, который разрабатывается как малогабаритный транспортабельный модуль. При этом мощности ВГ хорошо согласуются с мощностями аккумуляторных и солнечных батарей, что обеспечивает возможность мобильных перемещения и сборки системы электроснабжения по рис. 5 в целом. Стоимость разрабатываемого ВД также является соизмеримой со стоимостью остальных компонентов данного энергетического комплекса.

Рис.5. Схема локальной системы электроснабжения ВГ - ветрогенератор; СБ - солнечная батарея; ЭП1, ЭП2 - электронные преобразователи; АБ -аккумуляторная батарея; РЗР - реле (коммутатор) «заряд - разряд АБ»; ПТ - преобразователь тока = / ~ ; К - контроллер; ~ П - потребитель переменного тока; = П - потребитель постоянного тока.

В результате разработки и исследований авторских лабораторных образцов ВЭУ с вертикальной осью вращения (рис.6) произведен сравнительный анализ 2-х; 3-х; 4-х лопастных ВД, оптимизация формы лопастей

которых наряду с минимизацией реакций опор оси вращения обеспечивают Мвр > Мтр при скоростях ветрового потока ¥втр < 1.5 м/с.

Рис. 6. Макетный образец ВД с ВОВ а) схема лабораторной ВЭУ: 1 - платформа ВД с лопастями; 2 - генератор; 3 - основание; 4 - анемометр; а - угол отклонения пластины анемометра; б) фотоизображение лабораторной установки ВД

Практические результаты представлены на Всероссийской научнотехнической конференции, а разработка авторов получила аккредитацию в программе Всероссийского научно-инновационного конкурса.

Источники

1. Ресурсы Шете! ЦКЪ: М!р://%'%^/кт.ги

2. Ресурсы Шете! ЦКЪ: http://www/solarhome.ru/biblio/wind

3. Патент № 2276284 РФ, Е03Б3/06. ВетроагрегатХаритонов Пётр Тихонович 10.05.2006.

4. С.К. Прищепов. Устройство ориентирования датчиков в геофизических приборах / А. С. 1346772. Опубл. в Б.И., 1987, № 39.

Зарегистрирована 25.05.2010 г.