Ветроустановка с наклонной осьюС Сергеем Владимировичем Жарковым из Иркутска наши читатели уже знакомы: в январском номере приложения «Новые промышленные технологии» мы опубликовали его статью «Как заставить ветер работать на тепловые электростанции». Предлагалось использовать энергию ветра на тепловых электростанциях, особенно для децентрализованного электроснабжения в удаленных районах страны.
Рекомендуем ознакомиться еще c одной работой автора. Она посвящена новому виду ветроэлектрических установок, значительно превосходящему по эффективности и рентабельности все остальные. Редакция заранее извиняется за сложность подачи материала: дело в том, что ни принцип действия наклонно-осевых ветроэлектрических установок, ни преимущества их перед другими невозможно описать без помощи специальных терминов. Среди многообразия конструктивных схем ветроэлектрических установок (ВЭУ) выделяют два основных типа: горизонтально-осевые (ГОВЭУ), которые составляют более 90% современного парка ВЭУ, и вертикально-осевые (ВОВЭУ).
Преимущества вертикально-осевых установок – нечувствительность к направлению ветра и простота конструкции за счет исключения поворотной головки и системы ориентации ветроколеса, а также размещение генератора и мультипликатора (повышающего редуктора) в основании установки, что облегчает ее монтаж и эксплуатацию. В результате экономия затрат достигает 30 процентов.
Недостатками вертикально-осевых установок являются неоптимальность углов атаки ветра в разных положениях лопасти и аэродинамическое затенение лопастей друг другом и башней. Следствие этого – повышенная неравномерность крутящего момента на генераторе и пульсирующие аэродинамические нагрузки на элементы конструкции, снижающие надежность ее работы.
В то же время горизонтально-осевые установки могут быть более конкурентоспособны за счет применения упругоподвешенных (подрессоренных) лопастей. Это позволит повысить коэффициент полезного использования ветра, а также увеличит надежность и ресурс установки, поскольку такие лопасти амортизируют удары ветра. Упрощается также и система регулирования мощности.
Реализация этой технологии позволила компании Wind Turbine (США) сделать ветротурбину на 40% легче, обеспечив при этом прочность, достаточную для противостояния сильным штормам. В итоге ВЭУ нового поколения получилась дешевле своих предшественников на 20‑25%.
Как совместить достоинства ветроустановок
Предпринята попытка совместить достоинства обоих типов ВЭУ в одной конструкции, взяв за основу горизонтально-осевые установки.
На рисунке изображена предлагаемая наклонно-осевая ветроэлектрическая установка (НОВЭУ). Установка содержит лопасти, упруго подвешенные с помощью торсионов (или пружин) на махах. Махи закреплены на ступице (как в ГОВЭУ и ВОВЭУ). Вспомогательные опоры поддерживают полую опору под углом 45о к горизонтали. Каждая лопасть может поворачиваться на махе вокруг оси, делящей ее на лобовую и хвостовую части так, что площадь хвостовой больше, чем лобовой. В нейтральном положении острая кромка хвостовой части направлена против вращения ветроколеса, а чтобы повернуть лопасть, нужно преодолеть сопротивление торсиона, сила упругости которого пропорциональна величине угла отклонения лопасти от нейтрали.
Изменение упругости торсиона плавное и рассчитывается в диапазоне изменения угла поворота:
– от 0о до 45о – на движение лопасти против ветра под углом в 45о; при этом угол атаки должен соответствовать максимальному выигрышу в тянущей силе от разности возникающей подъемной силы и лобового сопротивления лопасти (по аналогии с парусником, идущим против ветра);
– от 0о до 90о – на движение поперек ветрового потока, когда тянущее усилие определяется исключительно подъемной силой;
– от 45о до 135о – на движение по ветру под углом в 45о; при этом должны удовлетворяться условия максимальной эффективности отбора энергии за счет совместного использования подъемной силы и силы лобового сопротивления лопасти, а также демпфирования воздействия порывов ветра и саморегулирования крутящего момента и лобового сопротивления лопасти за счет изменения угла атаки под действием набегающего воздушного потока.
Благодаря упругой подвеске лопасти наклонно-осевая ветроустановка будет развивать тянущее усилие во всех точках траектории движения, поскольку в каждой из них лопасти будут отклонены от нейтрального положения на угол, при котором достигается динамическое равновесие между аэродинамическими силами, действующими на лопасти, и силами упругости торсионов.
На основе анализа модели такой установки можно сделать следующие выводы: 1) при запуске обеспечивается большой крутящий момент; 2) при движении лопасти по ветру результирующая сила совпадает по направлению с движением элемента лопасти, при скорости его в горизонтальной плоскости, равной примерно половине значения скорости ветра; 3) нет видимых препятствий для увеличения скорости элемента лопасти путем повышения частоты вращения (либо удлинения лопасти) при той же частоте; 4) аэродинамическое качество лопасти должно быть переменным – возрастать от корня к концу лопасти, параллельно должен уменьшаться угол установки лопасти.
При движении лопасти по ветру угол атаки должен быть близок к критическому при скорости ветра ниже или равной расчетной скорости ветра (при которой достигается номинальная мощность ВЭУ) и уменьшаться при превышении ее. Для работы ВЭУ при слабом ветре могут быть предусмотрены режимы с углом атаки больше критического с целью максимизации крутящего момента за счет лобового сопротивления лопасти – по аналогии с карусельными ветроустановками (КВУ).
Вращающий момент, развиваемый лопастями через ступицу и вал, проходящий внутри полой опоры (как в ВОВЭУ), выводится в машинное отделение, где используется для привода электрогенератора или насоса. Причем установка может работать и при обратном направлении ветра: лопасти отклоняются в противоположную (от нейтрали) сторону так, что острая кромка лопасти, движущейся по ветру, направлена вверх (под углом).
При других направлениях ветра установка работает в режимах, промежуточных рассмотренным.
Преимущества НОВЭУ
Наклонно-осевая ветроэлектрическая установка обладает следующими преимуществами
Перед вертикально-осевыми установками:
– надежный самозапуск: неподвижные лопасти развивают большой крутящий момент (как в КВУ). Большинство же вертикально-осевых установок нуждается в посторонних источниках энергии для запуска и разгона ротора;
– возможность применения упруго подвешенных лопастей для повышения эффективности и надежности установки, снижения требований к прочности лопастей и ступицы, расширения диапазона рабочих скоростей ветра и снижения шума;
– высокая плавность хода ветроколеса, так как лопасти не затеняют друг друга (даже если их четыре или восемь) на всей траектории движения и создают тянущие усилия, колебания значений которых происходят в противофазе (лопасти в нижней части траектории находятся на небольшой высоте, где скорость ветра наименьшая). Причем угол установки каждой лопасти автоматически и плавно изменяется в зависимости от направления движения лопасти относительно ветрового потока. Как следствие, динамические нагрузки на лопасти и трансмиссию относительно низкие;
– меньшая подверженность автоколебательным процессам;
– инерционные нагрузки направлены вдоль лопасти, то есть наиболее выгодным образом.
Перед горизонтально-осевыми установками:
– отсутствие поворотной головки;
– генератор и редуктор расположены внизу, вследствие чего облегчается их монтаж и эксплуатация, упрощается передача вырабатываемой электроэнергии, снижаются требования к прочности опоры и, соответственно, ее массивность и аэродинамическое сопротивление;
– не ограничиваются массо-габаритные показатели, и, следовательно, во‑первых, возможно создание установок большой единичной мощности и невысокой удельной стоимости, во‑вторых, возможен отказ от использования редуктора за счет увеличения диаметра генератора (что снижает стоимость оборудования ВЭУ на 15‑30%, и также повышает надежность его работы, так как уменьшает число критических узлов). Так, например, безредукторный генератор Windformer мощностью 3 МВт с многополюсным ротором на постоянных магнитах диаметром 6 метров имеет рабочую частоту около 18 об. / мин, выдавая ток в 5‑10 Гц напряжением 20 кВ;
– ометаемая ветроколесом поверхность в горизонтальном направлении имеет форму эллипса (вместо окружности), вследствие чего снижается влияние возрастания скорости ветра при увеличении высоты (что вызывает при работе ГОВЭУ пульсирующие нагрузки в материале лопастей и трансмиссии).
Перед обоими типами ВЭУ:
– тихоходность и, следовательно, экологичность (малая шумность и безопасность для птиц). Уменьшается также воздействие гравитационных сил, вызывающих пульсирующие нагрузки на лопасти и трансмиссию мощных ВЭУ с длинными лопастями (учитывая, например, что диаметр ротора горизонтально-осевой установки мощностью 5 МВт составляет 150 м);
– экономия в затратах на фундамент, так как конструкция наклонно-осевой установки устойчива к опрокидыванию и раскачиванию. При этом ветровое давление на ветроколесо не трансформируется, как в ГОВЭУ и ВОВЭУ, в изгибающую нагрузку на башню, поэтому опоры не будут массивными и их аэродинамическое сопротивление будет невелико;
– монтаж установки может производиться без мощных подъемных кранов (в то время как, например, вес гондолы ГОВЭУ мощностью 4,5 МВт с тремя 20‑тонными лопастями по 52 метра составляет 500 тонн при высоте башни 120 м). В наклонно-осевых установках опоры на земле собираются в Л- образную конструкцию, сверху (на подставке) собирается полая опора со ступицей и лопастями, затем последняя методом «падающей стрелы» приподнимается, тем же методом приподнимаются опоры и присоединяются к полой опоре посредством специально подготовленного узла, например выполненного в виде замка. После этого монтируется генератор и закрепляются основания опор;
– возможность осуществления регулирования упругости подвески лопастей, что позволит, во‑первых, работать ВЭУ как при слабом ветре, так и при очень сильном ветре, во‑вторых, оптимизировать зависимость изменения упругости подвески лопастей от силы ветра с целью максимизации годовой выработки энергии, в‑третьих, осуществлять останов ВЭУ путем обнуления жесткости подвески лопастей;
– возможность совместного использования подъемной силы и силы лобового сопротивления лопасти (при движении по ветру). Причем при слабом ветре в основном используется сила лобового сопротивления (как в КВУ), а при сильном – подъемная (как в ГОВЭУ и ВОВЭУ), то есть обеспечивается оптимальный режим отбора энергии;
– ввиду тихоходности ветроколеса и использования в значительной мере силы лобового сопротивления лопастей последние могут не обладать высоким аэродинамическим качеством. В наиболее простом варианте исполнения НОВЭУ лопасти можно выполнить плоскими и свободно вращающимися с ограничением поворота лопастей в крайнем положении. При движении против ветра лопасти будут находиться во флюгерном положении (как в КВУ);
– возможность обеспечения крутки лопастей, которая будет плавно изменяться по длине лопасти в зависимости от направления движения лопасти относительно ветрового потока, путем выполнения лопастей упругими на скрутку (парусными, из эластичных композиционных материалов или в виде упругой пластины) и подпружинив один (внешний) конец (или жестко ограничив его поворот), оставив другой свободно вращающимся. Постоянное изменение крутки лопастей предотвратит их возможное обледенение.
Область применения наклонно-осевых ветроэлектроустановок
Основной недостаток наклонно-осевых ветроустановок – неспособность ориентирования на ветер. Наибольшую эффективность установка имеет при направлениях ветра, параллельных вертикальной плоскости, проходящей через ось опоры, или близких к ним. Представляется, что этого достаточно для высокой общей эффективности установки без применения поворотной системы, так как в наиболее благоприятных для развития ветроэнергетики районах (в частности, прибрежных), как правило, имеется преобладающее направление ветра (прямое и обратное), на которое и должна быть сориентирована установка. Для усреднения выработки электроэнергии ветроэлектростанций при различных направлениях ветра входящие в их состав НОВЭУ должны быть сориентированы «веером» (с учетом двусторонности их работы), охватывая основные направления розы ветров.
Вышеотмеченные особенности установки позволяют развивать направление ветроэнергетики вне области высоких технологий, что необходимо применительно к условиям РФ, учитывая экстремальные климатические условия и трудность обеспечения высокого уровня культуры эксплуатации в районах, перспективных для развития ветроэнергетики. Изготовление установок в наиболее простых вариантах исполнения и применения (например, для подъема воды) возможно на местах, что может способствовать широкому распространению ветроэнергетики.
Наклонно-осевые ветроэлектрические установки наиболее подходят для работы в комплексе с газотурбинными и паротурбинными установками (ГТУ и ПТУ), поскольку не требуют оперативного управления и поэтому могут быть постоянно подключены к локальной сети нестабилизированной электроэнергии. При этом практически полностью исключаются режимы торможения, останова и повторного запуска, а также возникающие при этом динамические нагрузки на элементы ВЭУ. Максимально упрощается система управления, функцией которой является лишь изменение упругости подвески лопастей.
Следует отметить, что в последнее время все чаще ветроэлектроустановки строятся на морском шельфе с глубиной до 10‑30 метров, несмотря на то что их стоимость при этом возрастает на 35‑65% – до 1700 долл. / кВт. Это объясняется как дороговизной земли на побережье, так и более высокой (в среднем на 20%) среднегодовой скоростью ветра над морем.
В настоящее время в Европе реализуются проекты шельфовых ВЭУ общей мощностью несколько ГВт. В США, где площади прибрежного мелководья невелики, рассматриваются также проекты ветроэлектроустановок на плавучих платформах, закрепляемых на глубоководных участках прибрежья.
Понтонные НОВЭУ
Представляется, что низко-оборотистые НОВЭУ можно выполнять и в понтонном варианте заводской готовности – у них низкие изгибающие нагрузки на лопасти и ступицы ветроколес (из‑за смещений оси ветроколеса при колебаниях понтона на волнах) вследствие значительно меньшего гироскопического эффекта, чем у быстроходных ВОВЭУ и ГОВЭУ.
Крупная наклонно-осевая ветроэлектроустановка может быть выполнена на трех опорных понтонах, способных пропускать через себя крупные волны. При этом понтоны с поплавками обеспечивают плавучесть конструкции на заданном уровне. Такая установка устойчива к опрокидыванию, поскольку наиболее тяжелый элемент – генератор (который обычно комплектуется редуктором) расположен в основании тетраэдрической конструкции, присущей НОВЭУ.
Ориентирование плавучих наклонно-осевых ветроэлектроустановок может осуществляться поворотом понтонов, в том числе самопроизвольным – за счет использования ветрового давления на установку, поставленную на якорь за два передних понтона, на которых стоят опоры, либо за понтон, в котором размещен генератор. Подводный электрический кабель от генератора проходит вдоль якорной цепи и выводится на берег. При этом лопасти плавучей ветроэлектроустановки проектируются для работы с одним направлением ветра. Следовательно, понтонные НОВЭУ наиболее привлекательны по сравнению как с сухопутными наклонно-осевыми установками, так и с понтонными ВЭУ других типов.
Таким образом, НОВЭУ обладает потенциалом улучшения (относительно схем, применяемых в настоящее время) некоторых характеристик ВЭУ. В частности, наиболее важной для работы в удаленных районах – надежности, а также снижения стоимости изготовления, монтажа и эксплуатации.
Это происходит благодаря таким качествам наклонно-осевых установок, как простота конструкции (которая совмещает основные достоинства ГОВЭУ, ВОВЭУ и КВУ) и системы управления, нетребовательность к аэродинамическому качеству лопастей и массивности фундамента, возможность монтажа без мощных подъемных кранов, экологичность, надежный самозапуск и авторегулировка мощности, широкий рабочий диапазон скоростей ветра, низкий уровень динамических нагрузок (которые вызывают усталостное разрушение элементов ВЭУ, с чем и связаны основные конструктивные проблемы современных ветроэлектрических установок) и возможность монтажа крупных плавучих НОВЭУ на верфях с отбуксировкой их к месту работы вместо строительства дорогих шельфовых ВЭУ.
Наклонно-осевые установки особенно перспективны для развивающихся стран: только в Индии в настоящее время действуют около 5 млн. дизельных водяных насосов мощностью в среднем 3,5 кВт каждый, причем для тех широт характерны пассаты (ветры одного направления) и океанские муссоны. Ветроэнергетический же потенциал, например, Китая оценивается в 1‑3 тыс. ГВт.
Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН, к. т. н. С. В. ЖАРКОВ Источник: http://www.eprussia.ru |