3. Выработка электроэнергии.
Наиболее важной характеристикой ВЭУ является её номинальная мощность, т.е. сколько кВт∙ч энергии турбина с генератором вырабатывает при максимальной нагрузке, характеризующейся продолжительностью работы при минимальных остановках или без них. Например, 500 кВт ветряк вырабатывает 500 кВт∙ч энергии за 1 час работы при необходимой скорости ветра, не менее 15 м/с. Обычно 600 кВт установка вырабатывает в год 500 000 кВт∙ч электроэнергии при средней скорости ветра 4,5 м/с, а при средней скорости 9 м/с - вырабатывает 2 000 000 кВт∙ч в год.
Количество производимой за год энергии нельзя рассчитывать путем простого умножения установленной мощности на число часов в году при средней скорости ветра (менее 15 м/с). Необходимо учитывать КПД, определяемое изменениями ветрового потока, которое теоретически может изменятся от самых малых значений до 100%, но практически оно бывает в пределах до 30%.
По установленной мощности современные ВЭУ имеют широкий диапазон от 100 кВт (для домов и коттеджей) до 1 МВт и более, с диаметром колеса более 50 метров. Большинство работающих ВЭУ имеют диаметр от 15 до 40 метров, при мощности от 50 до 600 кВт. Чаще они бывают сгруппированы в несколько, образуя станции.
Современные ВЭУ вырабатывают электроэнергию напряжением 690 В, а на станциях трансформаторы размещают рядом с ВЭУ или её башни, повышающие напряжение до 10…30 кВ.
Например, в Дании разработаны ВЭУ мощностью 630 кВт и 2 МВт. В Швеции и Германии 3 МВт.
4. Обзор и анализ конструктивных решений, используемых при создании ветроэнергоустановок.
ВЭУ представляет собой сложный агрегат, состоящий из механических, электроэнергетических конструкций и узлов и совокупности сложных контролирующих и управляющих приборов.
Механические устройства приводятся во вращение потоком воздуха. Передают и преобразуют скорости вращения звенья, крутящие моменты, а в некоторых случаях механизмы ВЭУ преобразуют вид движения, например, вращательное движение электродвигателя в поступательное движение винта и тяги, поворачивающие лопасть ветроколеса.
Значительное количество механических устройств работает с ускорениями и изменяющимися инерционными нагрузками. Это ветроколесо на главном валу и главная опора равной установки, башня испытывает значительные перепады нагрузок.
Вся эта система, состоящая из множества узлов и деталей должна обладать требуемой прочностью, долговечностью (в изменяющихся условиях) и четко функционировать при этом.
Ветроэлектроустановки преобразуют кинетическую энергию ветра в эклектическую по следующей схеме:
лопасти ветроколеса, взаимодействующие с потоком воздуха, приводят во вращение центральную ступицу, в которой они закреплены цапфами с возможностью поворота этих лопастей, опирающихся на подшипники качения. Цапфа лопасти испытывает больше напряжения изгиба, подшипники - опора цапфы испытывают преобладающие радиальные нагрузки. Именно эти нагрузки, а не частота поворота лопасти является определяющими для долговечности подшипников. От ступицы ветроколеса вращение предается главному валу, а от него через мультипликатор, увеличивающий частоту вращения примерно в 20 раз, крутящий момент передается ротору электрогенератора. Вращение этого ротора должно быть с постоянной частотой ПРИ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ ПОРЫВАХ ВЕТРА ПО СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЮ.
Постоянство частоты ротора достигается соответствующей ориентацией ветроколеса относительно направления ветра, а также соответствующими управлениями взаимодействия лопастей с изменяющимся по потоку ветром.
4.1. Управление взаимодействием лопастей ветроколеса с изменяющимся ветровым потоком.
Поскольку ветровой поток чаще всего изменяется по направлению, по скорости, по частоте изменения этих характеристик, то для эффективной работы ВЭУ и получения максимального КПД требуемого напряжения и частоты переменного тока необходимо, чтобы вал ротора генератора вращался с постоянной частотой (скорость) без остановок (без перепадов скоростей вращения), а как сказано - условия среды, т.е. характеристики ветрового потока, изменчивы. Следовательно, для получения требуемого КПД и требуемого качества электроэнергии необходимо ветроэнергетическую установку создать такой, чтобы при всей, изменчивости внешних условий вал генератора вращался безостановочно и с постоянной частотой.
Такая необходимая приспособляемость в этой установке к внешним условиям предопределяет сложность её конструкции. К указанному необходимо добавить и то, что все элементы ВЭУ должны обладать требуемой прочностью, надежностью в работе и долговечностью, независимо от ветровых воздействий и других климатический условий.
Конструкции рабочих органов ветроэнергетических установок отрабатывались столетиями, постоянно совершенствовались.
К основным принципам, определяющим конструкции ветродвигателя являются следующее:
- назначение конструкции - для привода насоса, мельницы или генератора. Эта величина эффективно установленной мощности (производительность насоса, мельницы или мощность генератора);
- ветровой режим района размещения установки с учетом цикличности, также рельеф местности;
- технологии изготовления деталей и узлов, с учетом выпускаемых изделий (например, месяц или год), и с учетом имеющегося на заводе оборудования.
4.2. Развитие ветродвигателей с учетом изменяющегося направления ветрового потока.
Идеальный вариант работы ветродвигателя, когда направление ветра перпендикулярно плоскости вращения ветроколеса. Поскольку, не в наших силах изменить направление ветра, то приходиться изменять расположение ветроколеса относительно направления ветра.
Один из принципов совершенствования ветродвигателя приспосабливающегося к направлению ветра - это изготовление ветродвигателя с горизонтальной и вертикальной осью вращения.
Рис.4. Наветренное расположение горизонтальной оси и подветренное.
При горизонтальном расположении установка более компактна и может иметь высокий КПД, но недостаток в необходимости ориентировать установку относительно направления ветра - это усложняет её конструкцию.
При наветренном расположении используется вариант решения в виде флюгера; при подветренном расположении в некоторых случаях модуль ВЭУ поворачивается в нужном направлении благодаря парусности плоскости вращения ветроколеса, т.е. оно воспринимает давление ветра, разворачивает модуль. Но это сопряжено с повышенными нагрузками на лопасти.
В современных ВЭУ поворот осуществляется с помощью механической зубчатой или червячной передачи со специальным электродвигателем, который получает сигнал от датчика направления ветра, этот сигнал усиливается и подается в течение требуемого времени и с нужной полярностью (поворот по часовой или против) и подается на электродвигатель. Это более сложное, более надежное и более конструктивное решение.
При вертикальном расположении ветроколеса направление ветра не играет роли (при направлении его с любой стороны всегда обеспечивается ветровой поток).
Рис.5. Вертикальная ось расположения ветроколеса.
Вертикально расположенная консольная ось испытывает не только значительные напряжения вращения, но и напряжения изгиба - эта ось должна быть значительного диаметра обеспечивающего его прочность и одновременно значительная сложность консольного закрепления вращающейся оси - конструкция более сложная. Сложность в достижении постоянной частоты вращения этого ротора. При изменении скорости ветра такие турбины имеют несколько меньший КПД, поскольку возле них создается некоторое завихрение.
4.3. Теория идеального и реального ветроколеса.
Идеальное ветроколесо то, у которого:
- ось вращения параллельна направлению ветрового потока;
- бесконечно большое количество лопастей малой ширины, чтобы воспринимать давление ветрового потока, но оси создают завихрения вокруг ветроколеса и снижают КПД;
- профильное сопротивление лопасти должно быть минимальным или равным нулю.
Рис. 6. Капельный профиль.
Приемлемый и выгодный - при наличии циркуляции воздушного потока вдоль лопасти.
Колесо не должно создавать шума и вредных низкочастотных колебаний.
В реальном ветроколесе используется 3 лопасти. Этим достигается минимизация завихрений воздуха вдоль лопасти и на концах лопасти, минимизация влияний этих завихрений на КПД, вместе с тем даже при капельном профиле и трех лопастей имеет место трение воздуха о лопасти, что несколько снижает КПД; наблюдается кручение струи за ветроколесом.
Вращающаяся лопасть даже самого целесообразного профиля поперечного сечения испытывает сложное напряжение состояния:
- напряжение изгиба (особенно при консольном закреплении);
- напряжение кручения (за счет угла атаки лопасти);
- небольшие напряжения растяжения, за счет растягивающей центробежной силы.
И это накладывает значительные требования к материалу для изготовления лопастей.
Лопасти первых ветряных мельниц были плоские и изготавливались из дерева, более совершенные лопасти изготовляли из дерева, а профиль, приближенный к капельному, достигался размещением вдоль лопасти профильных нервюр и последующей обшивкой тонкой листовой оцинкованной сталью.
Лопасти современных ВЭУ бывают длинной от 15 до 60 метров. Плоскость их вращения велика и она не должна создавать сопротивления, препятствия и искажения радиосигнала, телевизионного сигнала, локационного сигнала и безопасности авиации. Поэтому в настоящее время их изготавливают из пластиковых материалов. А вес одной лопасти, в зависимости от её длины, может находится в пределах от нескольких килограмм до 1 тонны.
Наиболее приемлемым материалом, который удовлетворяет всем перечисленным требованиям - стекловолокно с полистиролом, эпоксидный компонент или углепластик.
В связи с развитием нано-технологий и получением материала, по прочности превышающего сталь в десяток раз, используется упрочняющее покрытие из углеродных нано плёнок, обладающих и высокой прочностью и проницаемостью для радиосигнала.
Способы ориентации ветроколеса относительно воздушного потока. Для получения максимального КПД установки.
Ориентация плоскости вращения ветроколеса перпендикулярно направлению ветра называется УСТАНОВОМ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ НА ВЕТЕР. От ручной ориентации установка на ветер отказались уже давно. И уже более сотни лет используется автоматическая установка, а не ручная.
Применяются, постоянно совершенствуемые, такие способы:
- поворот модуля с механизмами, главным валом, ветроколесом и генератором посредством хвоста, действующим как флюгер;
- поворот с помощью небольших дополнительных ветрячков;
- поворот, расположение ветроколеса позади оси башни;
- поворот модуля с помощью зубчатой передачи, приводимой во вращение электродвигателем, который получает сигналы от датчика направления ветра.
4.3.1. Ориентация установки при помощи хвоста.
Рис.7. Конструкция ВЭУ с хвостом.
Ветроколесо- 1 расположено на горизонтальном валу и за счет конической зубчатой передачи, от него передается вращение вертикальному валу относительно оси, которого осуществляется поворот всего устройства.
Вертикальный вал имеет подшипниковую опору -3 и опорный подшипник- 4 передачи вертикального вала и силу тяжести всего модуля- 5 с механизмами. Хвост -6 прилепленный к модулю- 5 как флюгер воспринимает давление ветра, поворачивая в нужную сторону модуль с ветроколесом. Система реагирует на ветер быстро.
На ветряках со значительными размерами ветроколеса возникает довольно большой гироскопический эффект, фиксирующий весь модуль установки в этом направлении. А при изменении направления ветра модуль нужно повернуть, а гироскопический эффект бывает настолько значительным, что при повороте создает значительное напряжение на креплении хвоста и на лопасти, изгибая их, в ряде случаев вызывая излом лопастей. Такая система применима для малых ВЭУ с малым гироскопическим эффектом.
4.3.2. Ориентация ветроколеса с помощью дополнительных ветрячков называемых виндрозы.
Рис.8. ВЭУ с виндрозами (вид в плане)
Ветроколесо на горизонтальном валу, который в опорах расположен в корпусе модуля -2 хвостовой части этого модуля в опорах расположен горизонтальный вал- 3, на концах которого закреплены ветрячки - ВИНДРОЗЫ.
В средней части этого вала имеется шестерня-5, которая через систему зубчатых колес соединяется с цилиндрическим зубчатым венцом -6. Когда направления ветра перпендикулярно плоскости ветряка и параллельно его оси, то ветрячки не вращаются, а при изменении направления ветра под углом ветер приводит во вращение ветрячки -4, передающие движение зубчатому колесу -5 и система зубчатых колес поворачивает в нужную сторону модуль -2 относительно оси зубчатого венца -6. Когда ветроколесо будет располагаться перпендикулярно направлению ветра, вращение ветрячков прекратится и модуль зафиксируется в заданном положении. При другом изменении ветра, под иным углом, ветрячки начнут вращаться в обратном направлении, и через систему передач повернут модуль в нужном направлении.
Использование такой зубчатой передачи с ветрячками усложняет конструкцию, но исключает «дергание» всего модуля с ветроколесом при частых изменениях направления ветра. Передача несколько инерционна, но надежно поворачивает модуль, преодолевая гироскопический эффект.
4.3.3. Ориентация ветроколеса расположением его за башнями.
Рис. 9 Расположение ветроколеса за его башней.
Ветроколесо -1 на горизонтальном валу расположено в опорах модуля -2. Модуль с указанными опорами вынесен вправо относительно вертикальной оси башни -3- этот вынос обозначим l ; в этой конструкции функции хвоста выполняет ветроколесо, которое при изменении направления ветра стремится повернуть, и поворачивает весь модуль так чтобы плоскость вращения ветроколеса оказалось перпендикулярной направлению ветра. Такая конструкция ветровой установки проще двух ранее рассмотренных, но имеет существенный недостаток - он состоит в том, что ветроколесо выполняет ещё одну функцию поворота модуля, нагружается значительным изгибающим моментом лопастей, что особенно опасно при больших размерах этого ветроколеса, вращающегося быстро и с большим гироскопическим эффектом, препятствующем поворотам модуля в нужном направлении. Для более легкого поворота значение l должно быть достаточно большим (большее плечо рычага), но при значительном диаметре колеса влияние гироскопического эффекта иногда вызывает значительный изгиб и даже излом лопастей.
4.3.4. Установка модуля на ветер с помощью электропривода.
Сигнал об изменении направления ветра поступает на усилитель, а после на электродвигатель с зубчатой передачей, который поворачивает модуль с ветроколесом относительно зубчатого венца, закрепленного на башне. Поворот модуля надежен, без дергания и вибраций, надежно преодолевается гироскопический эффект, но вся система отличается более высокой сложностью. Её используют в современных ВЭУ средней и большой мощности.