Вітроелектричні установки

Енергія вітру найчастіше використовується для генерування електричної енергії з використанням ВЕУ. Основним конструктивним вузлом ВЕУ є вітроагрегат до складу якого входять вітроколесо, мультиплікатор і генератор. Вітроколесо під дією вітру створює обертовий момент на валу генератора. Узгодження частоти обертання вітроколеса і частотою мережі досягається за рахунок мультиплікатора. Також ВЕУ оснащується системою керування роботою вітроагрегату і генератором. Існує два основних типи ВЕУ – з вертикальною, рис. 3 і горизонтальною віссю обертання, рис. 4.

а) з ротором Савоніуса; б) з ротором Масгрува; в) з ротором Дар’є; г) з гелікодіним ротором

Рис. 3. ВЕУ з вертикальною віссю обертання

а) однолопатева; б) дволопатева; в) трилопатева; г) багатолопатева

Рис. 4. ВЕУ з горизонтальною віссю обертання

Ротор ВЕУ з вертикальною віссю обертається навколо осі, перпендикулярній напряму повітряного потоку. Переваги ВЕУ з вертикальною віссю обертання:

- відсутність системи орієнтації за напрямом вітру, оскільки ефективність ВЕУ з вертикальною віссю визначається лише швидкістю вітру і не залежить від його напряму;

- вісь обертання ротора генератора співпадає з віссю обертання вітроколеса, що дозволяє розміщувати генератор і редуктор внизу ВЕУ;

- менше навантаження на опору ВЕУ.

Незважаючи на перераховані переваги, ВЕУ з вертикальною віссю обертання не знайшли широкого застосування. Це пов’язано з тим, що ВЕУ з горизонтальною віссю обертання мають більший ККД і меншу вартість. За геометрією вітроколеса ВЕУ з горизонтальною віссю обертання поділяються на одно-, дво-, три- і багатолопатеві. Як правило багатолопатеві агрегати мають низьку швидкість обертання, але при цьому мають великий обертовий момент, тому використовуються в якості приводів насосів і інших виконавчих органів. Одно-трилопатеві ротори мають високу швидкість обертання і, як правило, під’єднуються до генераторів. Найчастіше використовуються трилопатеві вітроколеса. Їх основним недоліком була висока стартова швидкість 4-6 м/с, в сучасних ВЕУ значення цього показника знижено до 2-3 м/с.

За призначенням вузли ВЕУ можна розділити на механічні, аеромеханічні і електричні, рис. 5.

Рис. 5. Структурна схема ВЕУ

Всі виконавчі механізми ВЕУ з горизонтальною віссю обертання знаходяться на верхній частині опорної башти – гондолі, яка кріпиться на фундаменті, рис. 6. Взаємне розміщення агрегатів в гондолі показано на рис. 7. Нижче наведено конструкцію, опис і технічні особливості основних складових частин ВЕУ.

1) втулка вітроколеса; 2) генератор; 3) мультиплікатор; 4) система стеження; 5) гальмо; 6) вал вітроколеса Рис. 7. Взаємне розміщення агрегатів в гондолі

Вітроколесо

1) фундамент; 2) башта; 3) гондола; 4) вітроколесо; 5) обтікач гондоли Рис. 6. Зовнішній вид ВЕУ

Призначення вітроколеса перетворювати кінетичну енергію потоку повітря у механічну і концентрувати її на валу. Вітроколесо складається з втулки і закріплених в ній лопатей. В потужних ВЕУ лопаті мають додатковий привод, який змінює кут профілю крила в залежності від швидкості вітру. Більшість сучасних ВЕУ оснащується трилопатевими вітроколесами, оскільки аеродинамічні втрати при їх використанні менші на 10 %, ніж у дволопатевих і на 4 %, ніж у однолопатевих вітроколіс. Сучасні ВЕУ потужністю декілька мегават мають лопаті розміром 40-60 м. Розмір лопатей обмежується граничною

лінійною швидкістю їх кінців, яка не повинна перевищувати швидкості звуку, і зміною швидкості вітру з висотою, формула (1). Останнім часом спостерігається тенденція щодо збільшення діаметру вітроколіс і потужності встановлених ВЕУ, що дозволяє зменшити витрати на спорудження ВЕУ і зменшити вартість отриманої від неї електроенергії.

Мультиплікатор

Вітроколесо разом з валом представляють собою рухому частину вітродвигуна – ротор. Швидкість обертання ротора зазвичай значно менша, ніж стандартна частота напруги мережі. Тому між ротором вітроколеса і генератором встановлюється мультиплікатор, рис. 8. Передавальне число якого, як правило, знаходиться в межах 5..50. Використання мультиплікатора призводить до додаткових втрат, тому деякі виробники виробляють ВЕУ з безпосереднім з’єднанням роторів вітроколеса і генератора. Для таких систем використовують швидкохідні вітроколеса і генератори з декількома парами полюсів.

Рис. 8. З’єднання валу вітроколеса, мультиплікатора і генератора

Система керування

Система керування виконує наступні функції:

- орієнтацію ВЕУ за напрямом вітру;

- гальмування вітроколеса при великих швидкостях вітру (вище ніж 30 м/с);

- регулювання вихідної потужності.

Виконавчим механізмом системи орієнтації за напрямом вітру є електродвигун, вал якого з’єднаний з системою обертання гондоли ВЕУ за допомогою зубчатої передачі, рис. 9.

Рис. 9. Механізм системи орієнтації ВЕУ

Кут повороту ВЕУ визначається за допомогою даних отриманих з сенсорів швидкості і напрямку вітру. Для забезпечення аварійної зупинки вітроколеса на ВЕУ встановлюється гальмівні системи аеродинамічного (поворот частини або всієї лопаті) і механічного (фрикційне гальмо) типу.

Регулювання вихідної потужності здійснюється регулюванням швидкості обертання валу вітроколеса в залежності від швидкості вітру. Для цього застосовуються два методи: зміну кута повороту лопатей (pitch-регулювання) і зрив потоку (stall-регулювання). При використанні рitch-регулювання змінюється кут орієнтації лопатей відносно напрямку вітру (кут атаки), що дозволяє регулювати механічну потужність на валу вітроколеса. Stall-регулювання реалізується інакшим чином. Лінійна швидкість перерізу профілю вітроколеса збільшується з віддаленням від осі обертання. Тому на певній відстані від центру обертання відбувається зрив потоку і підйомна сила перестає діяти на лопать, починаючи з цієї точки, лопать працює неефективно. Для забезпечення оптимального використання енергії потоку при різних швидкостях вітру, лопать закручується навколо своєї осі, рис. 10. Stall-регулювання забезпечує такі умови роботи вітроколеса, що при різкому збільшенні швидкості вітру потужність на валу вітроколеса не збільшується. Цей метод ефективний, коли забезпечується постійна швидкість обертання вітроколеса.

Генератор

Рис. 10. Зовнішній вид профілю крила зі stall-регулюванням

ВЕУ малої потужності оснащуються генераторами постійного або змінного струму, які використовуються в якості джерел автономного живлення. ВЕУ

середньої і великої потужності оснащуються генераторами змінного струму і під’єднуються до мережі. У ВЕУ з постійною швидкістю обертання встановлюються синхронні генератори. Для стабілізації швидкості обертання вітроколеса використовується метод stall-регулювання. В таких ВЕУ відбір максимальної потужності здійснюється лише при номінальній швидкості вітру, тому на практиці частіше використовують асинхронні двигуни, в яких частота ротора може змінюватись в певних межах (біля 10 %).

Дата добавления: 2014-01-07