Ветроэлектростанции и их устройство

Для вырабатывания электроэнергии переменного тока, в основном, используются ветроустановки пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения. Это объясняется следующими причинами:

§ более высокий коэффициент использования энергии ветра, что позволяет применять ветроустановки с меньшим ветроколесом:

§ стабильная частота вращения при скорости ветра равной и выше рабочей;

§ высокая скорость вращения, что позволяет применять редукторы с меньшим передаточным числом.

В составе ветроэлектростанций применяются двухлопастные или трехлопастные ветроустановки. Двух лопастные установки менее материалоемкие и более скоростные, что обусловливает некоторую экономичность. Однако они имеют меньший по сравнению с трехлопастными ветроустановками вращающий момент. Кроме того, для выбора той или иной пропеллерной ветроустановки для электростанции необходимо учитывать, что ветроколеса устанавливаются на башне. Это связано с обеспечением свободы вращения и, главным образом, что скорость ветра с высотой увеличивается, а ее колебания уменьшаются.

Пропеллерные ветроустановки ветроэлектростанций требуют ориентации ветроколеса перпендикулярно скорости ветра. Существуют три способа такой ориентации (рисунок 7.1):

§ при помощи флюгера;

§ установкой ветроколеса за башней;

§ при помощи виндрозы.

Рисунок 7.1. Способы установки ветроколеса на ветер

а – флюгерная установка, б – самоустановка,

в – установка при помощи виндрозы

При флюгерной установке ветроколесо ориентируется перпендикулярно направлению ветра за счет бокового давления ветра на флюгер. Недостатком такой установки является возникновение значительных гироскопических моментов при резкой смене направления ветра, что может привести к отрыву лопастей. Для устранения этого недостатка флюгер соединяется с поворотным механизмом посредством пружинного амортизатора. В этом случае при резком изменении направления ветра флюгер резко поворачивается, натягивая пружину, которая затем плавно подтягивает ветроколесо в новое положение.

Самоустановка достигается путем установки ветроколеса за башней. В этом случае ветроколесо стремиться занять положение устойчивого равновесия перпендикулярно направлению ветра. Недостатком этого способа ориентации является то, что башня является препятствием движению ветра. Это приводит к незначительному уменьшению мощности и к появлению переменных усилий на лопасти, что усиливает шум и биения ветроколеса. Самоустановка применяется преимущественно для многолопастных ветроколес.

Виндроза представляет собой дополнительное ветроколесо, установленное перпендикулярно основному ветроколесу. При изменении направления ветра виндроза начинает вращаться и посредством конусного редуктора перемещает основное колесо и саму себя до тех пор, пока основное колесо не займет положение перпендикулярно нового направления ветра. После достижения такого нового положения виндроза оказывается расположенной в плоскости направления ветра и перестает вращаться. Для увеличения момента виндрозу выполняют многолопастной. Недостатком является усложнение конструкции ветроустановки, что, однако, компенсируется высокой надежностью работы.

Механическую энергию ветроколеса преобразуют в электроэнергию при помощи генератора переменного или постоянного тока. Учитывая, что потребители электроэнергии в подавляющем большинстве являются электроприемниками переменного тока, то наиболее целесообразно использовать синхронный генератор. Именно такими генераторами и оснащены промышленно выпускаемые ветроэнергетические установки пропеллерного типа.

Схема синхронного генератора типа СГВ (синхронный генератор для ветроустановки), которые применяются в современных ветроэнергетических установках, приведена на рисунке 7.2. В синхронном генераторе происходит преобразование кинетической энергии вращающего тела в электроэнергию. Устройство синхронного генератора и его работа подробно описаны в учебниках по электрическим машинам. Здесь мы напомним лишь некоторые положения, которые нам будут необходимы при изучении режимов работы ветроэнергетических установок.

Частота э.д.с. синхронного генератора переменного тока определяется по известной формуле:

(7.1)

где f – частота э.д.с. генератора, Гц;

р – число пар полюсов;

n – число оборотов ротора генератора, об / мин.

Рисунок 7.2. Принципиальная схема синхронного генератора типа СГВ

R – реостат, ОВ – обмотка возбуждения, D1 – D6 – диодный мостик, СГ – синхронный генератор, БР – блок автоматического регулирования напряжения.

Как следует из приведенной формулы (7.1) для поддержания частоты э.д.с. генератора необходимо поддерживать постоянными обороты ротора.

Вращающий момент на валу генератора, создаваемый ветроколесом, связан с противодействующими моментами соотношением /5, 6/:

(7.2)

где М_В – вращающий момент, Н;

М_С – момент сопротивления генератора, приведенный к валу ветроколеса, Н;

J – момент инерции всех вращающихся частей ветроэнергетической установки, кГ. м²;

ω – частота вращения ветроколеса, с^-1;

t – время, с.

Второе слагаемое в правой части (7.2) представляет собой динамический момент, который действует только при , то есть, только при изменении частоты вращения. Это свойство оказывает полезное действие в процессе поддержания частоты вращения при порывах и провалах ветра. Если повышенный вращающий момент будет действовать в течение непродолжительного периода, а момент инерции ветроэнергетической установки будет достаточно значительным, то процесс окончательного изменения электромагнитного момента потребует достаточно большого промежутка времени (предположительно большего, чем время порыва ветра) и генератор будет работать с допустимой частотой вращения.

Провалы скорости ветра вызывают аналогичный процесс изменения скорости генератора, но в сторону уменьшения.

Один из вариантов использования запасенной в аккумуляторах энергии приведен на рисунке 7.4. Такое исполнение ветроэнергетической установки не увеличивает стоимости автономной системы электроснабжения. При этом повышается качество напряжения (так как электроэнергия и в штилевые периоды вырабатывается синхронным генератором, более приспособленным к этой функции, чем электронный или другой инвертор), увеличивается устойчивость работы при колебаниях нагрузки (так как увеличивается момент инерции системы) и упрощается процесс поддержания частоты вращения синхронного генератора.

Рисунок 7.4. Функциональная схема ветроэлектростанции

с пропеллерной ветроустановкой

1 – ветроколесо, 2 – обгонная муфта, 3 – синхронный генератор, 4 – двигатель постоянного тока, 5 – выпрямитель, 6 – коммутатор, 7 – аккумуляторы.

Автономная система электроснабжения работает следующим образом. При наличии ветра достаточной мощности (скорость ветра равна или больше рабочей скорости) ветроколесо через обгонную муфту приводит во вращение синхронный генератор, который питает потребители электроэнергии и заряжает аккумуляторы. При недостаточной мощности ветра (скорость ветра меньше рабочей скорости) обгонная муфта отсоединяет синхронный генератор от ветроколеса и подсоединяет к двигателю постоянного тока. Дальнейшее вращение синхронного генератора в штилевой период производится от двигателя постоянного тока, получаемого электроэнергию от аккумуляторов.

Ветровые установки роторного типа (ротор Савониуса) не обладают способностью сохранения частоты вращения при изменении ветра, их частота вращения увеличивается пропорционально его скорости. Это создает определенные трудности при применении синхронного генератора в ветроустановках роторного типа. Однако простота ветроустановок роторного типа (нет необходимости в установке на ветер, не требуется расчета и изготовления лопастей сложного профиля) и более лучшие эксплуатационные условия использования электросилового оборудования (возможность его установки на поверхности Земли на продолжении оси вращения) заставляют искать пути их использования для электроснабжения не взирая на более низкий коэффициент использования энергии ветра.

Дата добавления: 2014-01-06