Повышение эффективности работы ветроэнергетической установки вэу-16\30

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

технич. конф. (15-16 сент 2015 г, Москва), ч.2.- М.: ФГБНУВИМ, 2015. С.268-271.

11. Patent EP №2090824 «Greenhouse light, greenhouse light system and method for altering the radiation pattern of a greenhouse light» /T. Helle. - app. № 09152454.6, pub. 19.08.2009.

УДК 621.548

Э.А. ПАПУШИН, канд. техн. наук;А.С. БЫЛЕЕВ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ВЭУ-16\30

В статье представлен вариант изменения конструкции головной части ветроэнергетической установки ВЭУ-16/30, в результате которого решена задача ее частичного уравновешивания. Естественным противовесом в конструкции служит генератор. За счёт исключения из конструкции узлов трансмиссии: карданных валов, угловых редукторов, повышается надежность и исчезает необходимость мероприятий по ремонту и техническому обслуживанию, связанных с ними. Снижается уровень шума, возникающего при работе ветроустановки, источником которого являлись опоры карданных валов трансмиссии.

Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, локальная энергетика

E.A. PAPUSHIN, Cand.Sc. (Engineering); A.C. BYLEEV FGBNU IEEP, Saint Petersburg, Russia

IMPROVING THE EFFICIENCY OF THE WIND POWER PLANT "ВЭУ -16\30"

The article presents a version of changes in the design of the head of the wind turbine "ВЭУ-16\30" aimed to solve the problem of its partial equilibration. The generator serves as a natural counterweight in the structure. The exclusion of transmission units, such as cardan shaft and angle-change gearbox, increases reliability and eliminates the need for repair and maintenance measures associated with them. The level of noise, which arises during the operation of the wind turbine, withthe source being the supports of propeller shafts of transmission, becomes lower.

Key words: wind power plant, local energy supply.

На территории России, даже в районах с развитой электроэнергетической системой, имеется значительное количество мелких изолированных потребителей, электроснабжение которых осуществляется от автономных энергоисточников. Локальная энергетика позволяет широко использовать возобновляемые энергоносители и нетрадиционные энергетические технологии, обеспечивая существенную экономию ископаемых первичных энергоресурсов, а также максимально приблизить источники энергии непосредственно к потребителю, сводя тем самым к минимуму энергии при ее передаче, что особенно актуально для Северо-Запада РФ.

В последние время в нашей стране начали развиваться энергосберегающие технологии, и в частности, разработка отечественных ветроэнергетических установок. Экономический потенциал одной только ветровой энергии в России составляет примерно 260 млрд. кВтч/год, т. е. около 30% нынешнего общего объема выработки электроэнергии в стране. Доля ветровой энергии в энергобалансе страны колеблется около 1%. Всего до 2024 года планируется ввести объектов ветрогенерации на 3600 МВт мощности, в 2015-2016 годах — на 50 и 51 МВт соответственно [1-7]. Одна из таких установок ВЭУ-16/30, изготовленная московской НПК «Ветра Стар», была смонтирована на берегу Псковского озера.

Ветроэлектроагрегат ВЭУ-16/30 [8] предназначен для использования в качестве источника негарантированного электропитания в составе установок различного назначения -водоподъёмных, зарядных, отопительных, горячего водоснабжения и выработки электроэнергии.

Рассматриваемая ветроэлектрическая установка ВЭУ-16/30 имеет следующие основные технические характеристики: Диаметр ветроколеса, м 12,0

Высота до оси ветроколеса, м 12,0

Число лопастей, шт 3

Угол установки лопастей в расчётном сечении, 13

град 13

Диапазон рабочих скоростей ветра, м/с 4.. .25

Номинальная частота вращения ветроколеса, 92

об/мин

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

Максимальная частота вращения ветроколеса, об/мин

Род тока

Номинальная мощность генератора типа, кВт Номинальное напряжение на зажимах генератора, В

Максимальная сила тока, А Масса ветроагрегата, не более

Годовая выработка электроэнергии, в регионах со среднегодовой скоростью ветра 5 м/с и более, составляет не менее 80000 кВт ч, при этом коэффициент использования установленной мощности - не менее 0,25.

120

переменный 50 Гц 30

230/400 ±10%

93,4 5 тонн

Рис.1. Общий вид ветроэнергетической установки ВЭУ-16/30

В состав ветроагрегата входят (рис. 1): 1) башня с основанием;

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

2) система вертикальных карданных валов с подшипниковыми опорами - трансмиссия;

3) ветроколесо с тремя лопастями переменной крутки и центробежно-пружинным регулятором;

4) виндрозный механизм поворота на ветер с двумя виндрозами (многолопастными ветроколёсами) и поворотная платформа;

5) механизм принудительного останова и стабилизации оборотов и механизм вывода ветроколеса во флюгер и установки лопастей;

6) механизм подъёма и опускания;

7) генератор БГ-30 с электронным блоком управления;

8) шкаф управления распределением электроэнергии.

В процессе эксплуатации ветроэнергетического агрегата ВЭУ-16/30 был выявлен ряд недостатков в конструкции, которые повлекли за собой поломки и невозможность дальнейшей эксплуатации ветроустановки без замены некоторых её узлов.

Так, изначально в качестве тормозного устройства ветроагрегата разработчиками был предложен тормозной механизм автомобиля УАЗ-469. При очередной попытке торможения ветроустановки данный тормоз не смог обеспечить необходимое усилие торможения, в результате чего произошло возгорание тормозных колодок с незначительным снижением оборотов ветроколеса. Потребовалась механическая фиксация карданных валов трансмиссии во избежание раскручивания ветроколеса.

Это вызвало необходимость расчета требуемого усилия торможения и замены тормозного механизма. В качестве альтернативного варианта был подобран стояночный тормоз от автомобиля ЗИЛ-130, который удовлетворял всем условиям нормального функционирования тормозной системы.

При разработке ветроустановки ВЭУ-16\30 компанией-изготовителем не были проведены статическая и динамическая балансировки, рассчитаны сечения основных элементов. В процессе эксплуатации под действием силы тяжести ветроколеса головная часть наклонилась вперёд (рис. 2), согнув основание корзины (узел крепления головной части с мачтой), в результате этого произошла авария: были разбиты лопасти, выведен из строя виндрозный механизм «поворота на ветер».

Направление

Рис. 2. Схема аварии

В ходе ремонтных работ корзина была заменена (увеличена толщина основания), а также были усилены другие части конструкции установки: лопасти виндроз для исключения их изгиба, крепление секций башни и др.

Для уравновешивания головной части ветроколеса и избежания ее «заваливания» предполагалось установить противовес - бетонный блок в хвостовую часть поворотной платформы. Для этого хвостовая часть была наращена путём приваривания дополнительных уголков. Однако, как показал представленный ниже анализ известных схем подобных установок, данный вариант не является оптимальным и экономичным и, самое главное, не обеспечивает высокую надежность конструкции в процессе дальнейшей эксплуатации. Слабым звеном рассматриваемой конструкции является и система трансмиссии от ветроколеса к генератору, состоящая из карданных валов от автомобиля ЗИЛ-130 и угловых редукторов, дисбаланс которой вызывает раскачивание башни и ослабление болтовых соединений. Поэтому возникла необходимость анализа возможных вариантов изменения схем компоновки узлов ветроустановки с целью повышения надежности путем ее модернизации.

Основными элементами конструкции любой ветроустановки с горизонтальным расположением оси ветроколеса являются:

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

ветроколесо с лопастями, повышающий редуктор, ветрогенератор, башня (мачта), тормозная система.

На базе этих основных блоков разработаны и существуют несколько принципиальных схем ветроустановки. Основной разницей компоновки данного типа ветряков является положение генератора (рис. 3). Различают вертикальное и горизонтальное положение генератора. Широкое распространение получили установки с горизонтальным положением генератором, которое в свою очередь может быть верхним и нижним (рис. 3).

Использование той или иной схемы зависит от различных факторов. Различие компоновок влечёт за собой добавление, либо исключение отдельных узлов, что соответственно влияет на стоимость изготовления, на габаритные размеры и на требования к прочности отдельных элементов установки.

Рис. 3.Основные схемы компоновки узлов ветроустановки

83

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

При использовании схемы с горизонтальным нижним расположением генератора, ветроколесо соединено с генератором через повышающий редуктор, карданные валы, нижний угловой редуктор, имеются тормоз, муфта. Нижний угловой автомобильный редуктор воспринимает нагрузку от веса карданного вала, на которую он не рассчитан. Наличие трансмиссии, передающей вращение от ветроколеса вниз к генератору, требует установки дополнительных подшипниковых опор, которые, при интенсивной работе изнашиваются, что вызывает колебания всей установки. Трансмиссия состоит из нескольких шлицевых карданных валов, которые необходимо периодически смазывать, что требует частичной разборки конструкции. При опускании башни во время ремонта и обслуживания необходимо отсоединять генератор.

В ветроустановках с горизонтальным верхним расположением генератора, последний выступает в качестве противовеса. Отсутствие карданных валов и дополнительного редуктора дают явное преимущество. Исключается вероятность их поломки, тогда как неисправности этих частей трансмиссии характерны для установок с нижним расположением генератора и являются наиболее частыми. При вертикальном расположении генератора возникает необходимость в дополнительной опоре. Тип генератора должен предусматривать работу в вертикальном положении.

Помимо этих элементов в конструкции ветроэнергетической установки могут присутствовать другие механизмы и системы, которые оптимизируют работу установки.

Для более равномерного вращения вала генератора (при малых скоростях ветра) используются коробки передач. Для уменьшения частоты вращения ветроколеса, а также для полной его остановки используются механические (дисковые) и аэродинамические тормозные системы. Механический тормоз для ветроустановок с верхним расположением генератора может быть установлен в башне между ветроколесом и редуктором.

В качестве аэродинамического тормоза используются сами лопасти ветроколеса. Принцип действия такой системы основан на том, что при требовании остановить вращение ветроколеса, лопасти поворачиваются на 90 градусов к направлению вращения, и колесо останавливается.

1200 1000

I-

т

л' 800

I-

о о

| 600 о ш.

400 200 0

0 5 10 15 20 25 Скорость ветра, м/с

/ / \

/ Г \

4 /

/ / §

( в Г -

CombiStall

- Пассивное вращение

Рис. 4. График зависимости выходной мощности ветрогенератора от скорости

ветра

Этот же принцип используется системой CombiStall: каждая лопасть имеет собственный механизм привода, позволяющий поворачивать ее на 90 градусов, при сильном ветре во время работы лопасти подстраиваются автоматически для поддержания среднего значения выходной мощности. На рис.4 приведена зависимость выходной мощности ветроустановки с такой системой от скорости ветра.

Для стабильной подачи электроэнергии, в буфере с инвертором работает аккумулятор, который подаёт напряжение в сеть нагрузки при отсутствии ветра. В установках большой мощности (несколько мегаватт) в башню, накрытую кожухом, ставят трансформатор, через который осуществляется связь с высоковольтной линией.

Конструкция башни тоже может быть разнообразной. Для проведения обслуживающих мероприятий на земле, их выполняют телескопическими или шарнирно-закреплёнными, такие установки имеют возможность поворачиваться в вертикальной плоскости до принятия горизонтального положения путём наклона к земле. Металлические фермы могут быть конические, ромбические, прямые, в поперечном сечении - круглые, треугольные, квадратные. Для предотвращения раскачивания, башни укрепляют тросовыми растяжками.

Важной частью конструкции является механизм установа на ветер. У ветроустановок малого размера используется «хвостовое

85

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

оперение». У ветроагрегатов большой мощности и габаритов используются сервосистемы. У ветроустановок работающих в условиях постоянного направления ветра таких устройств может не быть вообще.

Проанализировав множество типовых вариантов ветроагрегатов можно отметить следующее:

1) самой распространённой схемой является схема с верхним расположением генератора;

2) в качестве рабочей тормозной системы чаще всего используется дисковый фрикционный тормоз с гидравлическим или электрическим приводом;

3) во всех современный ветроагрегатах помимо механической тормозной системы используется принцип регулирования частоты вращения ветроколеса с помощью угла поворота лопастей;

4) в качестве устройства преобразования частоты вращения чаще используют планетарные редукторы; в некоторых моделях иностранных изготовителей ветроустановок можно встретить 2-х или 3-х скоростные коробки передач.

Предлагаемая модернизация ветроэнергетической установки ВЭУ-16\30 заключается в изменении конструкции головной части. Главным при этом является размещение генератора в хвостовой части поворотной платформы головы. Это позволит исключить из конструкции ветроустановки трансмиссию, состоящей из карданных валов, а вместе с ней опорные подшипники, закреплённые на мачте для поддержания валов трансмиссии. Также происходит замена двух угловых редукторов на один. Тормозное устройство также располагается в головной части, и приводится в действие вручную снизу.

Нахождение генератора вверху облегчает монтажные работы, если необходимо опускать башню. При нижнем расположении генератора нужно было, перед опусканием башни, отсоединять генератор, так как он установлен на стационарной части башни.

Передаваемая ветроустановкой механическая энергия имеет определённые параметры, которые обуславливают выбор узлов и механизмов (редуктор, тормозной механизм) ветроагрегата, способных выдерживать необходимый режим работы при передаче этой энергии.

Рис. 5. Общий вид головной части ВЭУ16\30 после модернизации

Номинальный крутящий момент на тихоходном валу предложенного для замены редуктора составляет 2500 Нм, что выше максимального момента, развиваемого ветроколесом, равного 2381 Нм. Номинальная частота вращения генератора составляет 1500 об/мин, редуктор работает с частотой вращение до 1800 об/мин. Мощность, передаваемая ветроустановкой, составляет 30 кВт, а мощность, передаваемая редуктором, достигает значения 39,2 кВт. Передаточное число редуктора равно 20.

Расчёт статического уравновешивания головной части показал, что неуравновешенность по массе составляет около 8%, что считается допустимым.

Расчёт на прочность рамной конструкции, болтовых соединений показал, что данное сечение сортового проката выдержит существующую нагрузку. Болтовое соединение имеет запас прочности на порядок выше, чем нагрузка, присутствующая в конструкции.

ВЫВОДЫ

Таким образом, в результате предлагаемого изменения конструкции головной части ветроэнергетической установки ВЭУ-

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

16/30 решена задача ее частичного уравновешивания. Естественным противовесом в конструкции служит генератор. За счёт исключения из конструкции узлов трансмиссии: карданных валов, угловых редукторов, повышается надежность и исчезает необходимость мероприятий по ремонту и техническому обслуживанию, связанных с ними. Снижается уровень шума, возникающего при работе ветроустановки, источником которого являлись опоры карданных валов трансмиссии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н. Концепция создания демонстрационной зоны высокой энергоэффективности в Ленинградской области /А.Ф. Эрк, В.Н.Судаченко// Межд. агропромышленная выставка-ярмарка «Агрорусь» СПб, 2015. С. 6-7

2. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н. Методы энергосбережения и повышения энергоэффективности сельскохозяйственного производства / А.Ф. Эрк, В.Н.Судаченко // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства / ИАЭП. - С-Пб, 2015. - № 87. С.233-239.

3. Попов В.Д., Судаченко В.Н., Папушин Э.А. Возобновляемые источники энергии Северо-Запада России и перспективы их использования в сельхозпроизводстве / В.Д.Попов, В.Н.Судаченко, Э.А.Папушин // Труды международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. 2008. Т. 4. С. 32-37.

4. Попов В.Д., Судаченко В.Н., Папушин Э.А. Роль информационных технологий в повышении энергоэффективности и экологической безопасности сельхозпроизводства северо-запада России / В.Д.Попов, В.Н.Судаченко, Э.А.Папушин // Сборник научных докладов ВИМ. 2010. Т. 1. С. 58-66.

5. Попов В.Д., Судаченко В.Н., Папушин Э.А. Источники энергии Северо-Запада России и перспективы их использования в сельскохозяйственном производстве / В.Д.Попов, В.Н.Судаченко, Э.А.Папушин // Труды международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. 2008. Т. 1. С. 337-342.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

6. Никитин А.В. Повышение мощности ветрового потока ветрогенератором с диффузорным усилителем / А.В. Никитин // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. №3(8), М., ГНУ ВИЭСХ. С.198-202.

7. Судаченко В.Н., Зуев Н.В., Папушин Э.А., Шаркова В.В. Исследование эффективности новой схемы ветродизельного комплекса / Труды международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. 2006. Т. 4. С. 222-227.

8. Ветроэлектрическая установка ВЭУ-16/30 / Руководство по эксплуатации ВЭУ-16/30.00.000 РЭ, «Ветра Стар», 2001 г. 50 с.

УДК 004.421:620.91:62-67:631.9 А.В. НИКИТИН

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНОГОКОЛИЧЕСТВА ПЛОСКИХ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

В статье, представлена методика расчета оптимальных параметров системы горячего водоснабжения с использованием плоских солнечных коллекторов «СЭНДВИЧ». Приведен пример расчета нагрева воды для поения животных в коровниках 500 голов. Представлен вариант использования алгоритма расчета в виде компьютерной программы с рабочим интерфейсом.

Ключевые слова: программа расчета, плоский солнечный коллектор, интенсивность солнечной радиации, горячее водоснабжение.

A.V. NIKITIN

CALCULATION METHOD OF OPTIMUM NUMBER OFFLAT SOLAR COLLECTORS

In the articlethe calculation method of optimal parameters of hot water supply system using flat solar collectors "SANDWICH" is described. A calculation example of water heating for animals in a barn for 500 head is given. A caseuse of