ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

ИЗОЛИРОВАННЫЕ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Несмотря на то, что современные тенденции кон­струирования ветрозарядных агрегатов заключаются в повышении их быстроходности и совершенствовании регулирования ветродвигателя и электрической части, в частности, в переходе на генераторы с возбуждением от постоянных магнитов, большая часть выпускаемых
конструкций ветрозарядных агрегатов, кроме некоторых немецких, не являются прогрессивными. Лучшими типа­ми генераторов для ветрозарядных установок в Велико­британии до сих пор считаются генераторы постоянного тока со встречной последовательной обмоткой возбуж­дения и трехщеточные генераторы. Генераторы с воз­буждением от постоянных магнитов не применяются, так как за отсутствием стали с большой магнитной ин­дукцией они получаются слишком больших габаритов. В Великобритании построен лишь опытный образец по­добного агрегата £> = 2,5 м с генератором однофазного тока на 250 вт, 24 в.

Распространенной является конструкция английского ветрозарядного агрегата «Фриляйт» фирмы Лукас (Lucas), Бирмингам, мощностью от 0Д25 до 1 кет [Л. 22]. Ветроагр^гат Фриляйт D = 1,82 м имеет двухло­пастное деревянное ветроколесо с жесткими лопастями, насаженное на вал генератора постоянного тока со сме­шанным возбуждением и работающее при 500— 1000 об/мин и ZH = 7. Генератор работает параллельно с аккумуляторной батареей напряжением 24 в. Защита от перегрузки производится выводом ветроколеса из-под ветра благодаря эксцентричному расположению его по отношению к оси вращения головки двигателя. Агрегат устанавливается на деревянном столбе. Он от­дает мощность-200 вт при скорости ветра о = 7,6 м/сек и 400 вт при скорости ветра и = 10 м/сек, работая с доста­точно высоким общим к. п, д., доходящим до бщ = 0,22.

Более прогрессивные с точки зрения новизны кон­струкции ветрозарядных агрегатов имеются в ФРГ, где долгое время упорно работали над увеличением быстро­ходности ветродвигателей [Л. 24]. На основе опытного однолопастного сверхбыстроходного ветродвигателя кон­струкции Р. Бауэра (R. Bauer) в 1952 г. фирмой Вин - келыптеттер (Winkelstatter) ,в Вуппертале были выпу­щены ветрозарядные агрегаты Ь = 3 м, имеющие нор­мальное число модулей 2и = 12. Позднее был построен опытный агрегат с ветроколесом того же диаметра с уве­личением быстроходности до ZH = 16.

Разработка конструкций изолированных ВЭУ боль­шей мощности (от 3 до 30 кет), предназначенных для работьи на смешанную нагрузку, проводилась главным образом в ФРГ. Использование таких ВЭУ „мыслится как с тепловым резервом, так и без него,- Применение электрохимических аккумуляторов признается экономи­чески допустимым только для осветительной нагрузки, радио и самых мелких бытовых приборов. Водородное аккумулирование с получением водорода электролизом воды и сжиганием его в двигателе внутреннего сгорания считается неэффективным ввиду малого к. п. д. такого процесса и большой стоимости резервуаров для хране­ния газа. Эта причина заставляет также отказаться от аккумулирования энергии ветра в виде сжатого возду­ха для использования в воздушных двигателях, хотя к, п. д. этого процесса больше, чем процесса получения и сжигания водорода.

Считается, что эффективность использования изо­лированных ветроустановок, несущих смешанную на­грузку, должна повышаться в основном путем развития регулируемых нагрузок, которые могут использовать энергию в любое время суток, когда есть ветер, а полу­чаемый в результате их работы продукт может хранить­ся без устройства для этого дорогих'сооружений (водо­подъем, помол зерна, дробление сухих кормов, отопле­ние и варка пищи с применением термосов и тепловьих аккумуляторов и др.). Предполагается, что такая ветро - установка может обходиться без теплового резерва, а потребителю энергии не потребуется увеличения об­служивающего персонала, так как оперативные пере­ключения нагрузки при изменений располагаемой мощ­ности ветроагрегата и другие технологические операции могут выполняться с помощью автоматики. Однако данных об осуществленных автоматизированные уста­новках этого рода не имеется.

Ветроагрегаты малой и средней мощности перемен­ного тока с синхронными генераторами начали находить применение для питания электронасосов при механиза­ции орошения, а ветроагрегаты с асинхронными генера­торами использоваться индивидуальными потребителя­ми электроэнергии, получающими ее из коммунальных сетей для возвращения части потребляемой энергии в сеть с целью уменьшения оплаты. Последний способ использования ВЭУ внедряется организованным в ФРГ научно-исследовательским обществом по изучению энер­гии ветра (Windkraftstudiengesellschaft).

При конструировании ветроа-грегатов малой и сред­ней мощности в ФРГ считаются целесообразными сле­дующие мероприятия: 1) увеличение быстроходности ветроколес (в Дании в отношении агрегатов средней мощности пришли к противоположному мнению); 2) от­каз от системы регулирования скорости вращения с по­мощью регуляторов прямого действия ввиду того, что эта система оказалась слишком грубой даже для агре­гатов с асинхронными генераторами, и замена ее регу­лированием с' сервоприводом или переход к системе саморегулирующихся жестких лопастей; 3) исключение дерева, как материала, входящего в конструкцию лопа - cfeft ввиду его гигроскопичности и быстрого износа; 4) отказ от применения хвоста с заменой его более со­вершенным поворотным устройством, так как опыт по­казал, что применение хвоста вызывает поломки махов лопастей от действия гироскопических сил; 5) замена решетчатых башен более легкими трубчатыми опорами.

Согласно этим тенденциям в конструировании в ФРГ было создано, начиная с 1945 г., несколько образцов однолопастных сверхбыстроходных ветроагрегатов си­стемы Бауэра с диаметром ветроколес от 8 до 12 м, при ZH =12—16.

Лопасть уравновешивается в них по отношению ее продольной оси контргрузом, в качестве которого ис­пользуется генератор, соединенный с валом ветроколеса редуктором. Для избежания вибраций лопастей и опоры ветродвигателя вал ветроколеса выполнен в виде длин­ной гибкой консоли, принципиально сходной с гибким валом турбин Лаваля. Благодаря этому ветроколесо может свободно самоустанавливаться в пространстве под влиянием действующих на него аэродинамических сил без особых устройств, устанавливающих ветроколе­со на ветер. Регулирование скорости вращения ветро­колеса производится лопатой, которая изменяет угол установки лопасти. Остановка агрегата достигается по­воротом ветроколеса в горизонтальную плоскость.

В последних конструкциях немецких ветродвигате­лей малой мощности хвост заменен виндрозой. Почти во всех конструкциях применены также трубчатые опо­ры. В ряде немецких и датских конструкций применена система регулирования изменением угла установки ло­пастей с помощью гидропривода.

Для массового производства фирмой Алгайер (Algaier) в ФРГ разработана конструкция ветроэлек­трического агрегата типа WE-10 с трехлопастным ветро - колесом диаметром 10 м, ZH= 5,6, п = 86 об/мин, весом 1,7 т (рис. 6-5). Ветроагрегат выпускается в трех испол­нениях: 1). с генератором постоянного тока мощностью 6 кет, напряжением 110 или 220 в, 1 500 об/мин с акку­муляторной батареей 110 в, 140 ач или 220 в, 80 а-ч (исполнение G 6/100 и G 6/220; 2) с синхронным ге­нератором трехфазного то­ка 7,8 ква, 380/220 в, 5а гц (исполнение DS-7,8); 3) с асинхронным генератором 8,8 кет (для работы на ком­мунальную сеть). Ветроко - лесо соединено с генерато­ром, расположенным на го­ловке агрегата, через двух­ступенчатый редуктор. Ре­гулирование ветродвигате­ля производится центробеж­ным регулятором, действую­щим на поворот лопастей с помощью гидропривода. Кроме того, датчик скоро­сти ветра, действуя также на гидропривод, ограничи­вает мощность ветродвига­теля, защищая агрегат от перегрузки. Ветроагрегат устанавливается на стальной трубчатой опоре высотой І0 или 18 м. Ветроколесо ра­ботает сзади опоры. Поворот на ветер производится виндрозой. Агрегат пускается в ход с помощью ручной лебедки и работает с автоматическим регулированием •или постоянным углом установки лопастей."

Импульсы на аварийную остановку агрегата при до­стижении предельной скорости ветра или повышении напряжения действуют также на сервопривод лопастей. Собственное время действия этой системы составляет 1—2 сек. Через короткое время после аварийной оста­новки агрегата пусковое устройство поворачивает лопа­
сти вновь под пусковой угол, и если причина, вызвавшая остановку, устранена, агрегат автоматически пускается.

Строятся, кроме того, ветродвигатели Z)=15 м фир­мы Нордвинд (Nordwind) универсального назначения с вертикальным валом и шкивам, используемые также для ВЭУ. Этот двигатель имеет трехлопастное ветроко - лесо ZH = 6 с центробежным! регулированием, действую­щим на поворот концов лопастей и устанавливается на решетчатой металлической колонке с растяжками. Мощ­ность ВЭУ D = 15 м равна 18 кет при vp =8 м/сек.

Тенденция к переходу на ветроколеса с жестко за­крепленными лопастями в конструкциях ветроагрегатов, предназначаемых для изолированной работы, отражает­ся в опытном ветроагрегате Z)=15 м, построенном в Ве­ликобритании институтом аэродинамики, в Кренфильде. Особенностью этого ветродвигателя является то, что агрегат, включая трубчатую опору, состоит из трех со­бранных на заводе монтажных блоков, что упрощает сборку двигателя на месте установки.

Ветроэлектрические установки, оборудованные ветро - агрегатами указанных выше типов, в ФРГ находятся в эксплуатации в течение длительного времени^ Они обслуживают маяки, радиорелейные станции, гостини­цы в горах и в последнее время механизированное оро­шение.

ВЭС на о. 'Нейверк в устье р. Эльбы, начавшая впер­вые работать в 1926 г. на электроснабжение острова, включая маяк, в 1948 г, была переоборудована путем установки агрегата Нордвинд />=15 м, с генератором постоянного тока 14 кет и аккумуляторной батареей 220 в, 648 а-ч. За первые 4 года после переоборудова­ния ВЭУ дала около 180 000 кет ■ ч, т. е. в среднем рабо­тала при 3 200 ч использования, что указывает на воз­можность хорошего использования изолированных ВЭУ.

Для питания подобной же нагрузки в 1952 г. была сооружена ВЭС на о. Шлеймюнде (округ Шлезин-Голь- штейн) (уср = 5,3 м/сек) с ветроагрегатом WE-10 посто­янного тока Алгайер и дизельным резервом 3 кет. На­грузка составляла 2—2,5 кет при максимуме 6 кет. За 15 мес. эксплуатации в 1953—1954 гг. ветроагрегат ра­ботал в течение 2 472 ч. Аккумуляторная батарея была рассчитана для питания нагрузки в течение трех суток

Безветрия. За указанный период ветроагрегат вырабо­тал 94,5% потребной энергии.

ВЭУ с двумя агрегатами WE-10 Алгайер постоянно­го тока с аккумуляторной батареей 220 в, емкостью 200, а - чи резервным дизелем эксплуатируется в течение года также в округе Эйфель (ФРГ) на горе Шенеберг и служит для электроснабжения радиорелейной станции телевизионных передач, в районе которой отсутствуют коммунальные сети. Второй ветроагрегат был установ­лен как резервный. Потребитель требует строгого посто­янства напряжения в пределах ±2%. Работа ВЭС удов­летворяла этому условию. Ветроагрегат при ог — = 6 м/сек дает обеспеченную мощность 2 кет в течение 80% времени года. Дизельный агрегат использовался

Зарубежные ветроагрегаты, предназначенные

В течение 8% времени работы на потребителя. Стои­мость энергии равняется ее стоимости от коммунальной сети в городе. Радиорелейные станции располагаются на возвышенных открытых для ветра местах, обычно. удаленных от местных сетей, поэтому применение ВЭУ для их электроснабжения считается перспективным.

Основным назначением ВЭУ WE-10 с синхронными генераторами является питание электронасосов для подъема воды на орошение. В зависимости от требуе­мого расхода воды для этого могут быть использованы один или несколько ветроагрегатов. Для орошения зе­мель одной фермы в засушливых областях требуется 4 ООО—6 ООО кет • ч/год, для чего достаточен один ветро-

Агрегат WE-10, работающий с погружным электрона­сосом 4 кет. Для правильной работы электронасосной установки, питаемой от ВЭУ, считается необходимым соблюдение следующих условий: 1) насос должен быть выбран для напора, на 30—40% большего, чем требует­ся по расчету, генератор должен иметь запас мощности; 2) насос должен быть снабжен .двумя обратными клапа­нами (один из них шаровой), устанавливаемыми после­довательно, для предотвращения перехода насоса при уменьшении скорости ветра в турбинный режим. По дан­ным фирмы Алгайер, при развертывании ветроагрегата с включенным электронасосом агрегат начинает отда­вать мощность при 16 гц, при частоте 23 гц электрона­сос трогается. При 50 гц мощность, потребляемая элек­тродвигателем насоса, достигает 5 кет, а нагрузка вет­роагрегата равна номинальной.

В ФРГ (округ Эмсланд) на насосной установке ма­гистрального оросительного канала эксплуатируются восемь ветроагрегатов WE-10 Алгайер. Резервный груп­повой электропривод насосов питается от сети. ВЭУ ра­ботают более года. ВЭУ D-15 и D-10 используются в по­следние годы также для механизированного орошения в оазисах Сахары.

Приведенные выше примеры эксплуатации изолиро­ванных ВЭУ показывают, что они могут быть надеж­ными в эксплуатации, хорошо использоваться и давать для некоторых видов нагрузки энергию, по показа­телям удовлетворяющую нормам. При этом использо­вание теплового резерва получается небольшим, и его мощность может быть меньше мощности ветро­агрегата.