ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

КОНСТРУКЦИИ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ РАБОТЫ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ

Работы по созданию конструкций мощных ветроаг­регатов проводились в США, «ФРГ, Дании, Великобри­тании и Франции. В табл. 6-1 приведены Перечень и ос­новные технические данные построенных за рубежом ветроагрегатов для работы в энергосистемах, а также некоторых; неосуществленных проектов. Наибольшие трудности, полностью неразрешенные до сих пор, за­ключались в обеспечении прочности ветроколеса боль­шого диаметра и особенно его махов, а также при со­здании передачи от ветроколеса к генератору.

Вопрос оптимальной установленной мощности ветро­агрегатов, предназначенных для работы в энергосисте­ме, связанный с указанными трудностями, также не по­лучил пока общепризнанного решения. Исследования в США привели к оптимальной установленной мощности ветроагрегатов 1,5—2 Мет, полученной из условия веса агрегата на 1 кет установленной мощности при средней многолетней скорости ветра порядка 7 м/сек и расчет­ной скорости ветра 13,5 м/сек. По английским данным (Е. Гольдинга), оптимальная мощность ветроагрегата больше и составляет 3—4 Мет при диаметре ветроколе­са 60—70 ми v =15—16 м/сек, что отчасти объясняет­ся исключительно большими средними скоростями вет­ра 9—11 м/сек на морских побережьях Великобритании. Исследования проф. Ю. Юля (Дания) привели, наоборот, к значительно меньшей оптимальной мощности ветро­агрегатов, предел которой ставится параметрами редук - торной передачи от ветроколеса к генератору, а также оптимальной окружной скоростью вращения ветроко­леса. Последняя в ветровых условиях Дании (fcp=6— 7 м/сек) составляет порядка 40 м/сек. Из этих условий оптимальный диаметр ветроколеса принимается 24 м, а соответствующая установленная мощность 200— 250 кет. Путем применения сдвоенных агрегатов с дву­мя ветроколесами оптимальная мощность агрегата мо-- жет быть увеличена до 400—500 кет.

Хотя расчетные скорости ветра при работе ветроаг­регатов в энергосистеме могут быть больше, чем для изолированных ветроустановок, так как мощные ветро­агрегаты, как правило, можно устанавливать в лучших ветровых точках, однако считается, что расчетные ско­рости ограничиваются также увеличивающим, ися трудно­стями выравнивания отдачи системы при увеличении установленной мощности ВЭС. Поэтому расчетные ско­рости ветра ветроагрегатов принимают не выше 13,5— 15 м/сек, т. е. 1,3—1,5 vr.

Число лопастей ветроколеса принимается равным двум или трем. В выборе того или другого'из этих ^и - сел мнения расходятся. Двухлопастное ветроколесо при­влекает меньшей стоимостью, тогда как трехлопастное ; дает более спокойную работу агрегата и несколько у больший к. п. д. В большинстве американских и англий - Ц ских конструкций ветроколесо располагается для рабо - ; ты за башней, что позволяет сократить его вылет от оси? башни. Для уменьшения механических напряжений в махах принимается шарнирное крепление махов лопа - 1 стей к втулке ветроколеса, допускающее отклонение ло - а пастей при порывах ветра. Большинство агрегатов имеет поворотные лопасти. Регулирование двигателя в боль - і. шинетве конструкций осуществляется центробежным ре - < гулятором, действующим на изменение угла лопастей с помощью сервопривода. Такие ветроколеса были! у американского ветроагрегата D = 53 м и имеются ' у английских агрегатов D = 15 и D=24,4 м мощностью по 100 кет. Эти ветродвигатели имеют быстроходные - J ветроколеса при ZH =6—9 и соответственно большие 1 окружные скорости вращения.

Датские исследования, проведенные в 1948—1955 гг. j для ветроколес диаметром до 24 м, привели к другой І конструкции ветроколеса, а именно с жесткозакреплан - ными лопастями. Выводы проф. Ю. Юля, к которым он : пришел в процессе конструкторской и эксперименталь­ной работы, сводятся к следующему [JI. 23]. !

На эффективность ветроколеса влияет, кроме про - / филя, также форма кромок и конца лопасти. Трехло - < пастное ветроколесо имеет значительное преимущество ; перед двухлопастным, давая при ZH = 3—4 на 25—30% і большую выработку энергии. Увеличение окружной ско - ; рости вращения лопастей выше 38—40 місек и ZH >5,5 5 показало в ветровых условиях Дании сильное снижение : і и годовой выработки ветроколеса. Для уменьшения напряжений в махах целесообразно применение растя - 1 жек и подкосов обтекаемого профиля, которые не сни- жают эффективности ветроколеса. Так как для прочно - Jj сти ветроколеса основное значение имеют механические і напряжения при знакопеременной нагрузке, то в приня - j тых конструкциях напряжения от сил веса лопастей не 2 должны превышать 200—300 кГ/см2, а суммарные рас - 5 четные напряжения (для торговой стали) —700— 1 000 кГ/см2. Ветроколесо следует располагать впереди башни. Заднее расположение ветроколеса значительно л увеличивает переменные нагрузки на него, получающие - ся не только вследствие изменения скорости ветра при проходе лопастей в тени башни, но и вследствие завих­рений воздушного потока башней и его ударов о лопа­сти. Целесообразно применение ветроколеса с жестко - закрепленными лопастями, у которого может быть ис - " пользован эффект сбрасывания мощности при сильных ветрах и саморегулирования, имеющий место при нали­чии лопастей определенного профиля, что позволяет ветродвигателю иметь высокое I и работать без регуля­тора.

В конструкциях всех ветроагрегатов при передаче мощности от ветроколеса через редуктор генератор рас­полагается на головке агрегата, что дает некоторое об­легчение и удешевление передачи ;по сравнению с рас­положением генератора внизу башни.

Стремление облегчить передачу между ветроколесом и генератором привело к разработке ряда конструкций без редуктора с другой системой передачи. К последним относятся гидравлическая и пневматическая системы передачи, а также конструкция ветроколеса, совмещен­ного со сверхтихоходным генератором.

Гидравлическая система передачи, которая находит применение в ряде других отраслей машиностроения, предлагалась для ветроагрегатов в ФРГ. Она имеет гид­равлический трансформатор, состоящий из двух одина­ковых поршневых гидромашин, соединенных маслопро­водами, одна из которых работает насосом, а другая — двигателем. При этой системе передачи ветроколесо, соединенное легким редуктором с масляным насосом, может работать при переменной скорости, а масляный двигатель вращать генератор с постоянной скоростью вращения. Регулирование скорости вращения масляного двигателя, приводящего генератор, может производить­ся как со стороны насоса, так и со стороны самого мас­ляного двигателя. По данным проектировщиков ветро­агрегата, к. п. д. такой передачи равен 0,9. Способность ветроагрегата работать с этой передачей при перемен­ной скорости вращения не имеет самостоятельного зна­чения, так как годовая выработка ветроагрегата может увеличиться лишь при малых среднегодовых скоростях ветра порядка 4—5 м/сек. Подобная передача может быть перспективной лишь в случае, если она окажется конструктивной и надежной при достаточно высоком
к. п. д. Ветроагрегат с такой передачей пока еще не создан.

Второй системой передачи, могущей заменить ре­дуктор, является пневматическая, при которой мощность от ветроколеса передается к воздушной турбине, вра­щающей генератор (рис. 6-6). Полые лопасти 1, головка 3 и башня' 4 агрегата представ­ляют в этой конструкции сплошной воздухопровод, а ветроіколесо является одно­временно центробежным ВОЗ - Душным насосом, выбрасы­вающим воздух, находящий­ся внутри лопастей, цен­тробежной силой через отвер­стия 2 и засасывающим атмо­сферный воздух через окна 5 в трубчатую башню 4 агре­гата, внутри которой образо­вавшийся воздушный лоток вращает воздушную турби­ну 6. Тип ветроагрегата с такой передачей предло­жен французским инженером Андро. По этой системе в Англии построен опытный ветроагрегат D=24 м мощ­ностью 100 кет. Испытания агрегата этого типа - не закон­чены. Г. X. Сабинин, кото­рый на основании опублико­ванный конструктивных дан­ных агрегата произвел анализ возможной величины к. п. д. этой системы ветроагрегата, •считает, что наибольший об­щий ік. п. д. передачи может быть порядка 0,5. Недостат­ком агрегата является также значительно ббльший івес, чем агрегата с редуктором. Кро­ме того, наличие трубчатой
опоры большого диаметра увеличивает пульсации воз­душного потока на ветроколесе и ухудшает условия на - груэки и прочности последнего.

Другой конструктивный вариант ветроагрегата с пневматической передачей предложен в виде одноло - пастного сверхбыстроходного агрегата Хюттера (Hutter, ФРГ, 1946), работающего по тому же принци­пу, что и описанный выше агрегат, но воздуховодом слу­жат в нем лишь лоїпасть и втулка ветроколеса: Воздуш­ная турбина с генератором входит в - конструкцию ветро­колеса, являясь одновременно противовесом лопасти.

Вопрос о совмещении вет­роколеса и генератора в од­ной конструкции для того, что­бы избежать механической передачи между «ими, разра­батывался в ФРГ Гонефом (iHoneff), который в течение многих лет вел - проектирова­ние мощные ветроагрегатов этой системы и строитель­ство их моделей и образцов [Д. 28].

Принципами конструк­ции ветроагрегатов Гонефа (рис. 6-7) являются: применение двух расположенных друг за другом соосньїх ветроколес, вращающихся в противоположном направлении (на рис. 6-7 задние ко­леса совмещены с передними и не видны); совмещение в одной конструкции ветроколес и сверхтихоходного ге­нератора; регулирование ветроколеса путем его наклона и применение высоких башен для использования высот­ных скоростей ветра. Последнее представляется мало­перспективным ввиду того, что усложняет конструкцию ветроагрегата и ведет к уменьшению надежности экс­плуатации. Практический интерес представляет реше­ние вопроса совмещения ветроколес большого диаметра в одной конструкции с генератором. Опытные образцы подобного агрегата с ветроколесами диаметром 9 м и
синхронным генератором 20 кет, а также генератором постоянного, тока мощностью 60 кет были построены и удовлетворительно работали в течение а лет. В 1944 г. был изготовлен ветроагрегат системы Гонефа мощ­ностью 1 ООО кет, который не был испытав, так как был уничтожен при монтаже во время войны. Щиаметр рас­точки статора синхронного генератора составлял 10 и при воздушном зазоре в 10 мм.

Своеобразно пытаются решить вопрос создания мощ­ных ветроагрегатов для использования в районах с по­стоянным направлением ветров итальянские аэродина­мики и ветроэнергетики (проф. Веццани, Медичи и др.) [JI. 27]. Считая, что проблема создания более простых конструкций мощных ветроагрегатов заключается в по­лучении возможности увеличения интенсивности есте­ственного воздушного потока, а также повышения ско­рости вращения ветроколеса, в Италии пытаются раз­решить эти задачи созданием типа ветроагрегата с за­крытым расположением ветроколеса и использованием эффекта усиления скорости ветра в трубе. Этот эффект можно получить с помощью аэродинамической системы, состоящей из концентрических труб Вентури, располо­женных непосредственно по направлению ветра. Внеш­няя труба усиливает скорость воздушного потока во внутренней. Ветроколесо в этой системе помещается в узкой части внутренней трубы, где получается наи­большее усиление скорости воздушного потока, а диа­метр ветроколеса может быть наименьшим. Эффектив­ность ветроагрегата подобной системы изучается теоре­тически и экспериментально в аэродинамических тру­бах. Разница давления естественного воздушного потока и потока внутри узкой части трубы, обусловливающая увеличение скорости потока в последней, выражается уравнением:

2

Где v — скорость ветра;

Р — плотность воздуха;

PV2

Я——2- аэродинамическое давление;

— коэффициент увеличения давления, зависящий от формы трубы, а в случае многократного усиления не­
сколькими трубами, расположенными соосно, — также от их числа.

Коэффициент k зависит также от числа Рейнольдса и увеличивается с увеличением последнего.

Модель воздухопровода из двух трубок Вентури, с которой проводился эксперимент; показана на рис. 6-8. Увеличение скорости ветра было получено в 3,05 раза, т. е. для куба скорости ветра в 28,5 раза при отношении площади входного сечения трубьи к площади, ометаемой ветроколесом, равном 21,5. Общее увеличение мощности ветродвигателя по сравнению с открытой установкой ветроколеса (без учета изменения его к. п. д. при уста­новке в трубе) с диаметром; разным диаметру входа

28,5 , 00

В трубу, получено в 2ї~5 =1,33 раза при уменьшении

Диаметра ветроколеса в 4,6 ра­за (1/21,5). Такие возмож­ности значительно облегчают конструкцию ветроколеса для ветроагрегатов большой мощ­ности.

Окружная скорость ветро­колеса, работающего в трубе, ограничивается только упру­гостью воздуха и может быть поэтому доведена - до предель­ной величины, равной скоро­сти звука. Изучаются также модели специальных отсасы­вающих устройств (диффузо­ров), которые могут быть при­менены в ветроагрегатах дан­ного типа так же, как они при­меняются в гидротурбинах. Ав­торы конструкции считают, что такие агрегаты возможно строить на очень большие мощности, соизмеримые с мощ­ностями агрегатов крупных Рис. .6-8. Лабораторная мо - ґ rj дель воздуховода ветроагре-

Тепловых и гидростанции. гата с закрытьш раС1ГОложе-

Практическая возможность ис - нием ветроколеса. (План.)
пользования данной схемы должна быть доказана по­стройкой опытного ветроагрегата.

Что касается типа генератора, то считается, что для мощных агрегатов могут применяться как синхронные, так и асинхронные генераторы. Однако для агрегатов, работающих в мощных энергосистемах, предпочитаются асинхронные генераторы вследствие их большей надеж­ности и простоты автоматизации, а также меньших ко­лебаний отдачи благодаря наличию скольжения ротора при быстрых колебаниях скорости ветра. Для ограниче­ния нагрузки асинхронных генераторов допускается применение активных сопротивлений в цепи ротора. Вопрос о компенсации реактивной энергии, затрачивае­мой из сети на возбуждение асинхронных генераторов, не поднимается. Для изолированных установок пред­почтение отдается синхронным генераторам.

Применение генераторов постоянного юка для ветро­агрегатов средней и большой мощности с преобразова­нием постоянного тока в переменный считается нецеле­сообразным из-за низкого к. п. д. этой схемы и услож­нения и удорожания оборудования.