Разработка ветроэнергетической установки (стр. 3 из 13)
1.3.2 Классификация по типу применяемой ветротурбины
В настоящее время применяются две основные конструкции ветроагрегатов (рис. 1.3): горизонтально-осевые и вертикально-осевые ветродвигатели. Оба типа ВЭУ имеют примерно равный КПД, однако наибольшее распространение получили ветроагрегаты первого типа. Мощность ВЭУ может быть от сотен ватт до нескольких мегаватт.
Рисунок 1.3 – Основные виды ветродвигателей
В состав ветродвигателя обоих типов входят следующие основные части:
- ветроколесо (ветротурбина, ротор) – преобразующее энергию набегающего ветрового потока в механическую энергию вращения оси турбины. Диаметр ветроколеса колеблется от нескольких метров до нескольких десятков метров. Частота вращения составляет от 15 до 100 об/мин. Обычно для соединенных с сетью ВЭУ частота вращения ветроколеса постоянна. Для автономных систем с выпрямителем и инвертором – обычно переменная. Ветроколесо содержит лопасти, которые закрепляются в ступице ветроколеса;
- мультипликатор (редуктор) – промежуточное звено между ветроколесом и электрогенератором, который повышает частоту вращения вала ветроколеса и обеспечивает согласование с оборотами генератора. Исключение составляют ВЭУ малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах; в таких ветроустановках мультипликаторы обычно не применяются;
- башня или мачта (ее иногда укрепляют стальными растяжками) – служит для размещения головки с ветроколесом и мультипликатора на ветер на некоторой высоте относительно уровня земли, что необходимо для производительной работы ветродвигателя и соблюдения требований техники безопасности. У ВЭУ большой мощности высота башни достигает 75 м. Обычно это цилиндрические мачты, хотя применяются и решетчатые башни;
- основание (фундамент) – предназначено для предотвращения падения установки при сильном ветре. [1]
Ветротурбина с горизонтальной осью (рис. 1.4, а). Рассмотрим горизонтально-осевые ветротурбины пропеллерного типа. Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветротурбина должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров ветроустановки. Направление ветра может изменяться довольно быстро, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели.
а)
б)
Рисунок 1.4 – Классификация ветротурбин: а) – с горизонтальной осью; б) – с вертикальной осью: 1 – однолопастное колесо; 2 – двухлопастное; 3 – трехлопастное; 4 – многолопастное; 5 – ротор Савониуса; 6 – ротор Дарье
В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух- и трехлопастные ветротурбины (рис.1.4), последние отличаются очень плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, расположены обычно на верху опорной башни в поворотной головке, В принципе их удобнее размешать внизу, но возникающие при этом сложности с передачей крутящего момента обесценивают преимущества такого размещения. Многолопастные колеса, развивающие большой крутящий момент при слабом ветре, используются для перекачки воды и других целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.
Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью (рис. 1.4, б). Ветроэлектрогенерагоры с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.
Принципиальными недостатками таких установок являются: 1) гораздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за более часто возникающих в них автоколебательных процессов; 2) пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются. [4]
Промышленностью выпускаются ветродвигатели двух типов: тихоходные многолопастные и быстроходные малолопастные. Отличительной особенностью тихоходных многолопастных ветродвигателей является способность их трогаться с места, т. е. начинать работать с подключенной нагрузкой при сравнительно слабом ветре, что объясняется наличием большого крутящего момента. Эти двигатели хорошо используют малые скорости ветров, но плохо поддерживают постоянное число оборотов, поэтому они не могут применяться там, где требуется постоянство числа оборотов, как, например, для электроосвещения, но хорошо работают на приводе поршневых насосов с постоянным включением нагрузки. Из-за громоздкости ветроколеса тихоходные ветродвигатели не могут быть изготовлены мощными.
Второй тип ветродвигателей – это быстроходные малолопастные, имеющие ветроколесо с 2 – 3 лопастями. Они могут быть больших размеров и мощностей, вплоть до ветроколеса диаметром в 50 м. Благодаря возможности сравнительно хорошего регулирования числа оборотов эти двигатели, применяются для электрификации и механизации. Кроме того, выпускаются маломощные двигатели с диаметром ветроколеса от 1 до 3,5 м для освещения малых помещений и зарядки аккумуляторов. [5]
1.3.3 Классификация по типу применяемой электромашины
Еще одна из наиболее часто встречающихся классификаций, связана с типом применяемой электрической машины (рис.1.5).
Рисунок 1.5 – Классификация ВЭУ по типу применяемой электрической машины
1.4 Механические характеристики ветротурбин
Механическая характеристика ветротурбины – это зависимость величины развиваемого крутящего момента ветротурбины в функции быстроходности ветротурбины Z, определяемой как отношение величины окружной скорости конца лопасти радиусом R к действующему значению скорости ветра V
(1.6)Исходными данными для построения механической характеристики ветротурбины является зависимость коэффициента мощности Ср от быстроходности Z: Ср = f(Z) (рис. 1.6).
Рисунок 1.6 – Зависимость Ср = f(Z)
Механическая характеристика ветротурбины, показанная на рис. 1.7, позволяет определить следующие параметры:
- Мпуск. – значение пускового момента при угловой скорости ω = 0;
- Мmax – максимальный момент ветротурбины при заданной скорости ветрового потока;
- Сmax – соответствует режиму максимальной эффективности ветротурбины;
- ω0 – скорость холостого хода ветротурбины при отсутствии момента нагрузки на валу ветротурбины.
Рисунок 1.7 – Механическая характеристика ветротурбины
Необходимо отметить, что у большинства ветротурбин значение пускового момента отлично от нуля. Это означает, что при скорости ветрового потока выше номинальной, ветротурбина не может самостоятельно начать работать. Запустить в работу ВЭУ можно только путем предварительного разгона.
Семейство механических характеристик ветротурбины при постоянной геометрии ветротурбины (рис. 1.8) описывается выражением:
(1.7)где ρ – плотность воздуха, кг/м3;
VВ – скорость ветрового потока, м/с;
АВТ – эффективная площадь, ометаемая ветротурбиной, м2;
– коэффициент использования ветротурбины энергии ветра (коэффициент мощности); 
– быстроходность ветротурбиныПри изменении скорости ветрового потока точки Мmax и Сmax образуют линии максимальных моментов и линию оптимального отбора мощности ветротурбины.
Рисунок 1.8 – Семейство механических характеристик ветротурбины
Быстроходность ветротурбин является, возможно, самым важным для их характеристики параметром, зависящим от трех основных переменных: радиуса ометаемой ветротурбиной окружности, его угловой скорости вращения и скорости ветра. Как безразмерная величина она является основным параметром подобия при исследовании и конструировании ветроэлектрогенераторов. [6]
1.5 Имитация поведения реальных ветротурбин
Экспериментальные характеристики ветродвигателей получают либо в аэродинамической трубе, где создается искусственный воздушный поток, либо в природных условиях в ветросиловой лаборатории с башней, оборудованной специальными приборами.
Экспериментальные характеристики ветродвигателей получают по инерционному методу Аэродинамического института. Этот метод основан на законе инерции вращающихся масс. Чтобы сообщить вращающемуся вокруг своей оси телу известное угловое ускорение, необходимо действие на это тело вращающегося момента, величина которого равна моменту инерции тела, в данном случае ветрового колеса. Относительно оси его вращения, умноженному на угловое ускорение, т. е.