CC BY
270
УДК 621.311.245
АНАЛИЗ ВЕТРОУСТАНОВОК ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Бабина Любовь Витальевна аспирантка кафедры энергетики Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия, Зерноград, Россия
Проведен анализ ветроустановок для электростанций малой мощности. Рассмотрены достоинства и недостатки ветроустановок с вертикальной и гори зонтальной осями вращения. Показана эффективность вертикально-осевых ветроустановок и определены области их применения
Ключевые слова: ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УС ТАНОВКА, ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ, ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ, ДОСТОИН СТВА И НЕДОСТАТКИ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) малой мощности предназначены для автономного и резервного электроснабжения.
Наибольшее распространение получили горизонтально-осевые ветроэнергетические установки, или, так называемые, пропеллерные установки (более 90 %), а их серийным выпуском занимаются более 100 фирм.
Первые промышленные ВЭУ были сконструированы в Дании в 1890 г. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса - в 1929 г., ротор Масгроува - в 1975 г., ротор Дарье был запатентован во Франции в 1925 г. и в США в 1926 г.) [1]. До недавнего времени главным недостатком вертикально-осевых ветроэнергетических установок ошибочно считалась невозможность получить быстроходность больше единицы (для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ быстроходность возможна больше пяти). К недостаткам также относили: неравномерность крутящего момента, зависимость частоты вращения ветроколеса от скорости ветра и большая пусковая скорость ветра (около 15 м/с) [2].
UDC 621.311.245
ANALYSIS OF WIND TURBINES FOR ELECTRIC POWER STATIONS WITH LOW CAPACITY
Babina Lyubov Vitalyevna postgraduate
Azov-Blacksea State Agroengineering Academy, Zer-nograd, Russia
There were analyzed wind turbines for electric power stations with low capacity, considered advantages and
- disadvantages of wind turbines, which have vertical and horizontal rotation axes, demonstrated efficiency of vertical axial wind turbines and determined the fields of its application
- Keywords: WIND POWER PLANT, CONSTRUCTION FEATURES, OPERATION FEATURES, AD- VANTAGES AND DISADVANTAGES, APPLICATION FIELD
Эти положения, верные только для тихоходных роторов, использующих различные сопротивления лопастей при их движении по ветру и против ветра, привели к неправильным теоретическим выводам - предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ветроэнергетических установок ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных. Ошибочный вывод, в свою очередь, способствовал тому, что этот тип ветроэнергетических установок почти 40 лет вообще не разрабатывался. Только в 60-70-х годах прошлого века сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, использующим подъемную силу лопастей. Для этих роторов указанное максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра практически на уровне горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ [2].
Вместе с тем, эксплуатация горизонтально-осевых ветроустановок выявила ряд неучтенных ранее недостатков. Например, горизонтальноосевые ветроэнергетические установки могут значительно уменьшать вырабатываемую электроэнергию при частой смене направления ветра [3]. В этой связи, все ветроэнергетические установки требуют более глубокого анализа, позволяющего максимально использовать их преимущества.
Горизонтально-осевые ветроэнергетические установки
Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. Наибольшая эффективность горизонтальных пропеллерных ветроэнергетических установок достижима только при условии обеспечения постоянной коллинеарности оси ветроко-леса и направления ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ветроэнергетической установки механизмов и систем ориентации на ветер для непрерывного слежения за ветровой обстановкой,
поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержания в таком положении. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-нибудь другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении такого устройства не требуется, но башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на него поток. При работе ветроколеса в таких условиях возникают циклические нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров ветроустановки. Наличие в конструкции ветроэнергетической установки системы ориентации на ветер само по себе усложняет ветроаг-регат и снижает его надежность (по данным опыта эксплуатации зарубежных ВЭУ этого типа до 13 % общего количества отказов приходится на системы ориентации).
При быстром изменении направления ветра, ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения, но практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо при изменении направления ветра из-за запаздывания действия механизмов ориентации. Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения обеспечивают стабильную мощность, снимаемую с ветроколеса, при скорости ветра не меньше номинальной.
Однако практика использования автономных электростанций показывает, что реально вырабатываемая электроэнергия оказывается меньше расчетной, причем потери электроэнергии могут достигать 50 % [3]. Причиной этого является уменьшение мощности, а соответственно и энергии, передаваемой ветроколесом при изменении направления ветра даже при достаточной его скорости. Таким образом, ветроколесо не может мгновенно переориентироваться на новое (изменившееся) направление ветра, и за период переориентации мощность, снимаемая с ветроколеса, уменьшается. При частой смене направления ветра вертикально-осевые ветроэнергетические установки оказываются эффективнее горизонтально-осевых ветро-
установок, несмотря на более низкий коэффициент использования мощности ветра [3].
К конструктивным недостаткам ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения относится то, что система ориентации разрывает жесткую связь между гондолой (корпусом ветроагрегата) и опорной башней горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, что обусловливает появление автоколебаний и различий в частотных характеристиках подвижной и неподвижной частей конструкции, что, в конечном счете, снижает надежность и увеличивает амортизационные издержки.
Вертикально-осевые ветроэнергетические установки
Ветроколесо с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находится в рабочем положении. Эффективность работы вертикально-осевых ветроэнергетических установок принципиально не зависит от направления ветра, в связи с этим нет необходимости в механизмах и системах ориентации на ветер.
Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса горизонтальных пропеллерных и вертикально-осевых установок равен 0.593. К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ветроэнергетических установках коэффициент использования энергии ветра составляет 0.48. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0.4-0.45 - вполне реальная задача. Таким образом, коэффициенты использования энергии ветра горизонтальноосевых пропеллерных и вертикально-осевых ветроэнергетических установок близки.
Преимуществом вертикально-осевых ветроэнергетических установок является возможность размещения генератора и мультипликатора на фун-
даменте установки и исключения угловой передачи крутящего момента. Это позволяет отказаться от мощной, вероятнее всего многоступенчатой угловой передачи крутящего момента, упростив требования к монтажепри-годности оборудования (исключить ограничения по габариту и массе) и к условиям эксплуатации (отсутствие толчков и вибраций). При размещении оборудования на фундаменте значительно улучшаются условия его монтажа и эксплуатации, упрощается передача вырабатываемой электроэнергии.
Сравнение рассмотренных типов ветроэнергетических установок позволяет заключить следующее. В горизонтально-осевых пропеллерных ветроэнергетических установках избегают вводить угловую передачу и размещают оборудование во вращающейся гондоле. При этом неизбежны сложности в связи с повышением требований к монтажепригодности оборудования, условиям его эксплуатация, а также при организации подъема оборудования и его эксплуатации в верхнем положении. Немало трудностей вызывает и передача электроэнергии от вращающегося вместе с гондолой генератора. Для того чтобы избежать скручивания силовой шины, необходимо ограничивать поворот гондолы, вводить коллекторную передачу либо отсоединять и раскручивать шину. Во всех этих случаях в конструкцию ветроустановки вводятся дополнительные устройства, усложняющие ее.
Передача крутящего момента на уровень фундамента связана с введением длинного трансмиссионного вала, однако обусловленное этим усложнение конструкции вполне компенсируется преимуществами нижнего размещения оборудования, даже в том случае, если вал будет послередук-торным, то есть быстроходным. При доредукторном (тихоходном) исполнении длинный вал особых конструктивных усложнений не требует.
В горизонтальных пропеллерных ветроэнергетических установках удачно используются достижения авиационной техники, в частности в об-
ласти проектирования лопастей, систем управления углами их установки, трансмиссий. Следовательно, есть все основания полагать, что эти установки достаточно отработаны и их надежности может быть дана высокая оценка. Тем не менее, очевидно, что после отработки конструкции вертикально-осевые ветроэнергетические установки обещают более высокую надежность. Основаниями для такого вывода являются значительное упрощение их конструкции, снижение уровня требований к изготовлению трансмиссий, упрощение условий монтажа и эксплуатации и т. п. Это обусловлено следующими особенностями вертикально-осевых установок: отсутствие механизмов и систем управления поворотом гондолы на ветер, размещение генератора и мультипликатора на фундаменте, отсутствие необходимости в устройствах и системах управления углом установки лопастей, отсутствие проблем с передачей электроэнергии от генератора.
Тихоходные вертикально-осевые ветроэнергетические установки, с точки зрения воздействия на окружающую среду, имеют следующие преимущества перед быстроходными горизонтальными пропеллерными:
• все уровни аэродинамических и инфразвуковых шумов гораздо ниже;
• меньше теле- и радиопомехи;
• меньше радиус разброса обломков лопастей в случае их разрушения и менее вероятно саморазрушение;
• ниже вероятность столкновения лопастей с птицами.
Вертикально-осевые ветроэнергетические установки наиболее эффективны при малой (до 10кВт) мощности.
Рассмотрим наиболее совершенные типы вертикально-осевых ветро-установок.
Ротор Савониуса
Конструкция ротора Савониуса приведена на рисунке 1. Вращающий момент возникает при обтекании ротора Савониуса потоком воздуха за
счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора Савониу-са.
Преимуществами ветроэнергетической установки этого типа являются низкий уровень шума, небольшая занимаемая площадь, отличная работа на малых ветрах (3-5 м/сек.). Поскольку это ротор с вертикальной осью вращения, то он не нуждается в устройствах ориентировании на ветер, что значительно упрощает конструкцию - ветроколесо отличается исключительной простотой. Однако эта турбина являются самой тихоходной, и, как следствие, имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра - всего 0,18-0,24 и КПД 17-18 %.
Ротор Дарье
Ротор Дарье представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух и более аэродинамических крыльев, закрепленных на радиальных балках (рис. 2).
Рисунок 1 - Ротор Савониуса
Рисунок 2 - Ротор Дарье
На каждое крыло, движущееся относительно потока, действует подъемная сила, величина которой зависит от угла между векторами скорости потока и мгновенной скорости крыла. Максимального значения подъемная сила достигает при ортогональности данных векторов. Ввиду того, что вектор мгновенной скорости крыла циклически изменяется в процессе вращения ротора, момент силы, развиваемый ротором, также является переменным. Поскольку для возникновения подъемной силы необходимо движение крыльев, ротор Дарье характеризуется плохим самоза-пуском. Самозапуск улучшается в случае применения трех и более лопастей, но и в этом случае требуется предварительный разгон ротора.
Ротор Дарье относится к ветроприемным устройствам, использующим подъемную силу, которая возникает на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, но большую быстроходность, в силу этого - относительно большую удельную мощность, отнесенную к его массе или стоимости.
Работа ротора Дарье не зависит от направления потока. Следовательно, турбина на его основе не требует устройства ориентации. Ротор Дарье характеризуется высоким коэффициентом быстроходности при ма-
лых скоростях потока и высоким коэффициентом использования энергии потока: площадь, ометаемая крыльями ротора, может быть достаточно большой.
К недостаткам ротора Дарье относятся: плохой самозапуск, низкая механическая прочность, повышенный шум, создаваемый при работе.
Наиболее технологичным является Н-образный ротор Дарье (рис. 3).
Рисунок 3 - Ротор Н-Дарье
Ротор состоит из одной или более лопастей аэродинамического профиля. Установка такого типа является быстроходной (коэффициент быстроходности > 3), КПД достигает 0,38. Ротор Н-Дарье отличается пониженным уровнем шума и полным отсутствием инфразвука. Ветроэнергетическая установка этого типа имеет простую конструкцию и характеризуется высокой степенью надежности.
На основании проведенного анализа можно сделать следующий вывод. Вертикально-осевые ветроустановки конструктивно являются более простыми и обладают еще рядом преимуществ перед горизонтальноосевыми ветроустановками. Однако коэффициент использования мощности ветра и КПД у них пока еще несколько ниже, что приводит к увеличению габаритов, а в некоторых случаях и к увеличению материалоемкости. Вместе с тем при использовании вертикально-осевых ветроустановок в автономном режиме или в качестве резервных источников электроэнергии этот недостаток нивелируется. Это объясняется тем, что в автономном или
резервном вариантах ветроэлектростанции работают на нагрузку через аккумулятор, который работает в буферном режиме. Кроме того, в этом случае (буферное аккумулирование электроэнергии), можно снизить требования к качеству выходного напряжения и применить упрощенные конструктивные решения задач преобразования ветрового потока в механическую энергию вращения вала (например, нерегулируемые лопасти и т.п.). При этом требуемое качество электроэнергии в канале электроснабжения может быть обеспечено стандартными устройствами преобразования электрической энергии (например, источниками бесперебойного питания типа ЦРБ) с аккумуляторной батареей соответствующей емкости.
Список литературы
1. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии; Пер. с англ. М.: Энерго-атомиздат, 1990.
2. Соломин Е.В. Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль // Альтернативная энергетика и экология. 2010 № 1.С. 10-15.
3. Воронин С.М., Бабина Л.В. Работа ветроустановки при изменении направления ветра // Альтернативная энергетика и экология. 2010 № 1. С. 98-100.
4. Беляков П.Ю., Доильницын В.В., Гончаров В.Н., Сапронов Н.В. Математическое моделирование ветроэнергетической установки с ротором циклоидного типа // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: Труды межвузовской студенческой научно-технической конференции; Воронежский государственный технический университет. Воронеж, 2001.
