CC BY
87
Оптимизация степени загрузки ветроагрегата при различных скоростях ветра
В.Г. Петько, д.т.н, профессор, ИА. Рахимжанова, к.с.-х.н,
ВВ.Пугачёв, преподаватель,
А.С.Петров, преподаватель, Оренбургский ГАУ
Использование энергии ветра особенно перспективно для энергообеспечения производственных и бытовых объектов в сельском хозяйстве. Однако непостоянство скорости ветра V и сравнительно малая её величина, что характерно для большинства районов в Оренбургской области, сдерживается из-за неприемлемо длительного срока окупаемости ветроагрегата. В этих условиях с целью сокращения срока окупаемости особенно важно для каждого конкретного агрегата обеспечить
наиболее полное использование энергии ветра во всём диапазоне изменения его скоростей.
Известно, что кинетическая энергия Ж ветрового потока, проходящего через ометаемую поверхность S ветроколеса за время определяется выражением [1]
W _
m
V2_psvtv2 _psVДж, (i)
где р — объёмная плотность воздуха, кг/м3.
Тогда мощность, развиваемая на валу ветроко-леса, определяется как
Р ^ ¿РЦУ_ ¿РАУ_
Р ^ г ^ ч 2
Вт,
(2)
где £ — коэффициент использования энергии ветра, зависящий от аэродинамических свойств ветроколеса и степени его торможения
5
Юхх - ю
Юхх
ю — угловая скорость ветроколеса, 1/с;
юхх— угловая скорость идеального холостого
хода ветроколеса, 1/с.
(3)
В свою очередь
Юхх = ^ ■ V,
где г — интегральный коэффициент быстроходности лопастей ветроколеса, зависящий в основном от угла их заклинивания; V — скорость ветра, м/с.
Зависимость коэффициента использования энергии ветра от степени торможения ветроколе-са £ = /(я) — однозначна и не зависит от скорости ветра. Коэффициент использования энергии ветра равен нулю при степенях торможения, равных 0 и 1, и для большинства типов ветроколёс достигает максимума (от 0,15 до 0,45 в зависимости от типа ветроколеса) при степени торможения, близкой к 0,5. В то же время зависимость £ = / (ю), поскольку угловая скорость ветроколеса и степень торможения связаны между собой уравнением
ю = Юхх(1 - 5) = х¥(1 - 5), (4)
неоднозначна, так как каждому значению коэффициента использования энергии ветра соответствует своя угловая скорость ветроколеса, тем большая, чем больше скорость ветра.
Это наглядно проиллюстрировано на рисунке, где приведена зависимость £ = / (ю) для скорости ветра V и зависимость £ = / (ю) для скорости ветра V2, меньшей, чем У1.
Эффективность ветроагрегата будет наиболее высокой, если при любой из возможных скоростей ветра мощность ветроколеса будет иметь максимальное значение. Этого можно достичь, во-первых, если применить, как следует из выражения (2), ветроколесо с возможно большим максимальным значением коэффициента использования энергии ветра, а во-вторых, если оно будет использоваться при той степени торможения, при которой коэффициент использования энергии ветра максимален. В соответствии с этим такой режим использования, степень торможения и угловую скорость ветроколеса в этом режиме будем считать оптимальными. А так как с учётом выражения (4)
юопт = г V(1 - О, (5)
при постоянной для конкретного типа ветроколеса оптимальной степени торможения яопт оптимальное значение угловой скорости юопт ветроколеса прямо пропорционально скорости ветра и различно для различных скоростей ветра. На рисунке это юопт1 для скорости ветра V и юопт2 для скорости ветра V2.
Следовательно, для того чтобы ветроагрегат работал в оптимальном режиме при оптимальной
МГ = / >)
Ф4 мг = / п>)
1 0,5 0
Рис. - Характеристики ветроагрегата в оптимальных режимах при различных скоростях ветра
угловой скорости ветроколеса, необходимо обеспечить равенство развиваемого ветроколесом момента М и момента сопротивления Мт соединённого с ним электрического генератора именно при этой изменяющейся с изменением скорости ветра угловой скорости ветроколеса.
Момент ветроколеса с ростом степени торможения возрастает. Его зависимость от угловой скорости ветроколеса (механическая характеристика М=/(ю)) для тихоходного многолопастного колеса с достаточной степенью точности описывается уравнением [2 — 4]:
M = B (ю„ - ю)2 = B (zV- ю)2 Нм, (6) где В — коэффициент пропорциональности, Нм/с2.
Как видим, механическая характеристика для различных скоростей ветра различна. На рисунке приведена механическая характеристика ветро-колеса:
M = f (ю) = B (zV - ю)2 , (7)
при скорости ветра V и — механическая характеристика ветроколеса:
M = f (ю) = B (zV2 - ю)2, (8)
при скорости ветра V2. Более того, для ветро-колеса с нерегулируемой геометрией лопастей (z — Const), а именно такие ветроколёса ввиду их простоты используются в большинстве случаев, воздействовать на параметры механической характеристики с целью вывода ветроколеса на оптимальный режим невозможно.
Поэтому установить оптимальный режим загрузки ветроагрегата можно, воздействуя только на параметры механической характеристики генератора, которая, как, например, для генератора постоянного тока, линейна и описывается без учёта потерь холостого хода уравнением:
(с ф )2
М = R+R Ю'
(9)
где Rs и RH — соответственно сопротивление якоря и сопротивление нагрузки, Ом; С и Ф — соответственно конструктивная постоянная генератора и магнитный поток.
Такими параметрами характеристики, как видим, являются сопротивление нагрузки и магнитный поток, изменяя которые можно изменять наклон характеристики и тем самым перемещать рабочую точку А ветроагрегата вдоль оси œ.
На диаграмме (рис.) изображена механическая характеристика генератора:
(с ф1)2
М г = fr(«»)-v + ' Ю '
л я + лн1
(10)
сопротивление нагрузки которого ЯН1 и магнитный поток Ф1 установлены таким образом, что наклон механической характеристики генератора обеспечивает пересечение её с механической ха-
рактеристикой ветроколеса М = /1 (ю) в точке А1, оптимальной по частоте вращения для скорости ветра У1. Этот режим соответствует максимальному использованию энергии ветра. При случайном увеличении магнитного потока до величины Ф1л или уменьшении сопротивления нагрузки до величины ЛН1Л механическая характеристика генератора станет описываться уравнением:
мг=f^-RR ю
Ля + Л Н1.1
(11)
и при указанном изменении параметров увеличит наклон. Рабочая точка переместится в положение А1л. При этом произойдёт отклонение угловой скорости ветроколеса от его оптимальной скорости в сторону уменьшения на величину Aœ = œ - œonT.
Восстановить оптимальный режим можно, применив автоматический регулятор (оптимизатор загрузки ветроколеса). На один из его входов должна поступать информация о текущей угловой скорости ветроколеса, а на другой — информация о скорости ветра и, следовательно, о величине оптимальной для данной скорости ветра угловой скорости ветроколеса œonT. Последняя может быть рассчитана логическим устройством регулятора по значению поступившей на его вход текущей скорости ветра. Для этого в его память предварительно должна быть заложена величина интегральной быстроходности z ветроколеса.
В простейшем же варианте регулятора за оптимальную угловую скорость ветроколеса может быть принята равная ей угловая скорость идеального холостого хода œTXX вспомогательной ветротурбины. А так как с учётом выражения (3)
®Т.ХХ= Z1V' (12)
а оптимальная частота ветроколеса œonT определяется выражением (5), то из условия их равенства интегральная быстроходность вспомогательной ветротурбины должна быть равна величине, определяемой по формуле:
zT = z (1 - -w)- (13)
Тогда из точки А1Л ветроагрегат вернётся в оптимальный режим, если регулятор при Aœ меньше нуля будет настроен на увеличение наклона механической характеристики генератора, т. е. на уменьшение магнитного потока генератора или увеличение сопротивления нагрузки.
Ситуация будет обратной, если произойдёт увеличение угловой скорости ветроколеса и рабочая точка переместится в положение А12. В этом случае Aœ больше нуля и для перехода ветро-агрегата в оптимальный режим регулятор должен или увеличить магнитный поток, или уменьшить сопротивление нагрузки.
При изменении скорости ветра разность угловых скоростей Aœ возникает теперь уже не только за счёт изменения угловой скорости ветроколеса, а и за счёт изменения её оптимального значения. Так, если
скорость ветра уменьшится до величины У2, то, как показано на рисунке, механическая характеристика ветроколеса станет соответствовать выражению (8) и рабочая точка ветроагрегата переместится в положение А2. Одновременно уменьшится и оптимальная угловая скорость ветроколеса до величины юОПТ2 = юГХХ2. При этом на выходе элемента сравнения регулятора появится отрицательная величина Дю и регулятор, как было показано выше, или уменьшит величину магнитного потока Ф, или увеличит сопротивление нагрузки Генератор перейдёт при этом на характеристику:
(с ф 2 )2
Мг = + р Ю . (14)
Ля Лн 2
Наклон характеристики увеличится, рабочая точка переместится в положение А2, соответствующее оптимальному режиму ветроагрегата при изменившейся скорости ветра.
Конструкция регулятора может быть ещё более упрощена при соосном расположении ветроколеса и вспомогательной ветротурбины [5]. Тогда отпадает необходимость в элементе сравнения регулятора, так как непосредственно на его вход можно подать
величину взаимного углового смещения лопастей ветроколеса Дф, пропорциональную Дю.
Таким образом, предлагаемый алгоритм функционирования регулятора загрузки ветроагрегата и элементы его структуры позволят при сравнительно простой нерегулируемой конструкции ве-троколеса обеспечить максимальное использование энергии ветра при всех возможных его скоростях. В конечном итоге это позволит увеличить объём вырабатываемой электрической энергии ветро-агрегатом и тем самым сократить срок окупаемости средств на его приобретение и установку.
Литература
1. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. 280 с.
2. Адрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н. Ветроэлектрические станции. М.: Государственное энергетическое изд-во, 1960. 310 с.
3. Д. де Рензо. Ветроэнергетика. М.: Энергоатомиздат, 1982. 272 с.
4. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: ОГПЗ-СЕЛЬХОЗГИЗ, 1956. 544 с.
5. Пат. 2454565. Российская Федерация. МПК F03D7/04 F03D9/00 Ветроэлектрический агрегат / Петько В. Г., Маловский Н. А., Митрофанов А. А., Красников А. В., заявитель и патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный аграрный университет» (RU). № 2010111540/06, заявл. 25.03.2010, опубл. 27.06.2012. 2 с., ил.
