1463

УДК 658.52.0

Баркалов В.А., Литвиненко А.М., Проектирование сегментных ветроэлектрогенераторов: Учеб. Пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2004. с.

В учебном пособии рассмотрены вопросы проектирования высокоэффективных ветроустановок в основном на основе методов вынесения внешних энергетических потоков на внешнее основание, адаптивного координатно-операторного подхода к проектированию технических систем, а также ФСА.

Учебное пособие соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 654500 "Электротехника, электромеханика и электротехнология" специальностей 180400 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», 180100 "Электромеханика", дисциплине "Основы научных исследований".

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word и содержится в файле ВЕТР_ПРОЕКТ_УЧ_ПОС.doc.

Табл. 6. Ил. 103 Библиография: 61 назв.

Научный редактор д-р техн. наук В.Л. Бурковский Рецензенты: НИИ Механотроника – Альфа;

д.т.н., профессор Ю.С. Сербулов. Печатается по решению редакционно-издательского

совета Воронежского государственного технического университета

© Баркалов В.А., Литвиненко А.М., 2004

© Оформление. Воронежский государственный технический универси-

тет, 2004

2

3

3.4.2. ГЕНЕРАТОРЫ С ПОСТОЯННЫМ ПОТОКОМ ЗУБ-

3.4.2.1.ОДНОИМЁННОПОЛЮСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ 160

3.4.2.2.РАЗНОИМЁННОПОЛЮСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ 164 3.4.3. ГЕНЕРАТОРЫ С ПУЛЬСИРУЮЩИМ ПОТОКОМ

3.4.3.1.РАЗНОИМЁННОПОЛЮСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ 165

3.4.3.2.ОДНОИМЁННОПОЛЮСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ 167 3.4.4. СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ИСПОЛНЕ-

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время крыльчатые ветродвигатели (ВД) наиболее распространены для получения электроэнергии. Вместе с тем данные ВД обладают существенным недостатком, заключающимся в том, что для низкопотенциальных, но постоянных ветровых потоков требуется установка многолопастных (тихоходных) ветроколес, с числом лопастей до 24-ех, обладающих повышенным пусковым моментом, но низкой скоростью вращения, а для высокопотенциальных, но крайне неравномерных ветровых потоков, требуется установка малолопастных (быстроходных) ветроколес, с числом лопастей 1 - 3, обладающих высокой скоростью вращения, но низким пусковым моментом.

Таким образом, для широкого диапазона скоростей ветровых потоков, что имеет место на практике, ни один из существующих типов крыльчатых ветродвигателей не подходит в полной мере. Одним из методов разрешения этой проблемы является использование контрроторных ветроэлектрогенераторов (КРВЭГ), когда на одном валу установлены тихоходные и быстроходные ветроколеса различных направлений вращения, каждое из которых предназначено для получения энергии от ветрового потока конкретной интенсивности. Различное направление вращения способствует компенсации реактивных моментов. При этом соосное расположение ветроколес не мешает эффективному использованию энергии ветра. Иллюстрацией служат следующие выкладки. Пусть, например, коэффициент использования энергии ветра ξ1 = 0,593, то есть имеем дело с двумя идеальными ветроколесами. Поскольку тихоходное колесо расположено за быстроходным, на него попадает 0,407 энергии ветрового потока, а после преобразования этой энергии, с коэффициентом использования 0,593 на его валу реализуется коэффициент использования ξ2 = 0,241. Поскольку предполагается съем энергии с обоих ветроколес, то общий коэффициент использования КРВЭГ ξ3 = ξ1 + ξ2 = 0,834, что выше, чем для идеального ветроколеса. Будем считать это зна-

5

чение верхним пределом коэффициента использования. Оценим нижний предел коэффициента использования. Пусть для реальных ветроколес ξ4 = 0,3. По аналогичной методике рассчитываем коэффициент использования для второго ветроколеса ξ5 = 0,21, а общий коэффициент использования ξ6 = ξ4 + ξ5 = 0,51. Из этого делаем вывод о том, что использование КРВЭГ даже в случае применения реальных ветроколес дает прибавку коэффициента использования на 70 %, в случае идеальных ветроколес это увеличение составляет ≈ 41 %. Однако большие вопросы вызывает практическая реализация данных теоретических схем построения КРВЭГ. В частности, традиционные схемы предполагают съем механической энергии с вала ветроколес, а поскольку валов два, то следуя традиционным схемам следует предусматривать наличие или контрроторного генератора, или применение дифференциальных кинематических развязок. Тот и другой вариант существенно усложняет механическую часть установки, увеличивает массу и габариты, и в конечном счете сводят к минимальному преимуществу контрроторной схемы. Новым фактором, является использование сегментных генераторов, которые позволяют осуществлять съем механической энергии не с вала, а непосредственно с лопастей ветроколес, при этом на лопастях укрепляются роторные элементы, которые взаимодействуют с сегментным статором. В данном случае статор выполняется двухсторонним: одна сторона предназначена для взаимодействия с быстроходным, а другая с тихоходным ветроколесом. В данной конструкции генерирование электроэнергии осуществляется практически постоянно, но на низком уровне мощности (тихоходное ветроколесо), а кроме того в случае повышения скорости ветрового потока, осуществляется генерация пиковой мощности, которая может быть использована или непосредственно, или для аккумулирования.

6

ВВЕДЕНИЕ

В.1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА В.2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

В.3. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА И КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ

Современная энергетика базируется в основном на ископаемых источниках: каменном угле, торфе, нефти, газе. Однако запасы этих источников ограничены, а темпы потребления возрастают с каждым днем. Поэтому наука должна искать такие источники энергии, которые не иссякали бы с течением времени. Человечество вынуждено обращаться к неиссякаемым источникам энергии (воде, ветру, солнцу, приливам и отливам), в которых заключены огромные запасы энергии.

Из альтернативных источников энергии наиболее динамично развивается ветроэнергетика. За последние годы удалось достичь определенных успехов в создании и практическом использовании соответствующего оборудования, снизить себестоимость получаемой на ветроэнергоустановках энергии.

Цели и задачи изучения дисциплин усвоение основ технологии использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии, в частности энергии ветра, изучение различных типов ветроэнергетических установок, их основных узлов и агрегатов.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИН НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ Основы ветроэнергетики.

Общее устройство ветроэнергетической установки. Особенности размещения ветроагрегатов на местно-

сти.

Методику расчѐта ветроэнергетической установки.

7

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИН НЕОБХОДИМО УМЕТЬ

Проводить предварительный расчѐт ветроэнергетичеких установок.

Производить выбор типа генератора для ветроэнергетической установки.

Производить расчѐт зубцовой зоны индукторного генератора.

Производить расчѐт основных характеристик индукторных генераторов с пульсирующим потоком.

В.1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА Первой лопастной машиной, использовавшей энергию

ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип.

Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.

Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать ветродвигатель в качестве движителя для перемещения по воде. Пятилопастное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в движение гребные колеса. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного направления может двигать судно в любом направлении.

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией

8

одновременно. Он начал создавать полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам не был обособлен от общих тенденций времени – использовать ветер, где это только возможно. Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном "Фраме" (исследовательское судно Ф. Нансена, исследователя Арктики) он вращал динамомашину. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.

Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.

В.2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Рабочей программой дисциплины «Технологии исполь-

зования нетрадиционных возобновляемых источников энергии» предусмотрено изучение нижеследующих тем.

Природа ветра. Энергия ветра. История развития ветроэнергетики и еѐ современное состояние. Принцип работы ветродвигателей. Мощность ветродвигателей. Типы ветроустановок. Конструкция ветроустановок. Характеристики некоторых существующих ветроустановок. Перспективы развития ветроэнергетики.

В.3. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА И КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ

Для успешного изучения раздела «ветроэнергетика» дисциплины «Технологии использования нетрадиционных во-

9

зобновляемых источников энергии» и «Изучение электрических генераторов с внешними магнитными системами» дисциплины «Специализированные исполнительные устройства» необходима систематическая работа с учебным пособием, другой справочной и научно-технической литературой.

При подготовке к выполнению лабораторных работ по изучаемому разделу необходимо воспользоваться соответствующими сведениями, имеющимися в учебном пособии.

После изучения материала студенты сдают зачѐт, где должны продемонстрировать высокий уровень теоретических знаний.

10