ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

ОПЫТНЫЕ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

ПОСТРОЕННЫЕ ДЛЯ РАБОТЫ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ меньше, чем при трёх, при'значительно меньшей стоимо­сти изготовления ветроколеса. Поворотные лопасти име­ли профиль с постоянной хордой. Махи лопастей имели две подшипниковые опоры, одна из которых 1 с упор­ным и направляющим подшипниками помещалась в вер­шине А-образной рамы 2, а другая 3 — с направляю­щим подшипником — в основании этой рамы. Лопасти удерживались в положении перпендикулярном валу вет­роколеса подкосами 4, ко­торые крепились к вылету втулки с помощью демпфе­ров 5. Благодаря этому при порывах ветра лопасти име­ли возможность перемеще­ния іпо направлению ветра на угол 20° вперед и до 3° назад, чем уменьшались ударные нагрузки на лопа­сти. Регулирование скоро­сти вращения двигателя производилось центробеж­ным регулятором, действую­щим на гидравлический привод, изменяющий угол установки лопастей к пло­скости вращения ветроколе­са, Регулятор обеспечи­вал неравномерность скоро­сти вращения в 0,01% но­минального числа оборотов. Гибкое соединение редук­тора с генератором с помощью гидромуфты[6] обеспе­чивало возможность действия скоростного регулирова­ния ветроколеса 'при параллельной работе ветроагре­гата с энергосистемой и защиту агрегата от пере­грузки. Гидромуфта срабатывала при 110% номиналь­ного крутящего момента генератора. Соединение генера­тора с повысительным трансформатором было выполне­но через скользящие контакты. Управление агрегатом было автоматизировано по типу управления гидроагре­гатами. Агрегат начинал отдавать мощность при скоро­сти ветра v = 7—8 м/сек и развивал номинальную мощность при = 13,4 м/сек, Синхронизация произво­дилась точным способом, когда рабочая скорость ветра становилась устойчивой (о >8,9 м/сек). При средней многолетней скорости ветра vr =12,8 м/сек, которая предполагалась в месте сооружения станции, агрегат должен был давать около 4 000 ч использования уста­новленной мощности. Однако за.4 года своей эксплуа­тации и испытаний он работал в течение лишь 1 040 ч, так как эксплуатация часто прерывалась ремонтами. Кроме того, средняя скорость ветра оказалась значи­тельно меньшей, чем предполагалось. Основным недо­статком конструкции была непрочность лопастей-, ко­торая приводила к образованию трещин в лонжеронах и частым разрывам обшивки, особенно во время моро­зов. Одним из существенных недостатков был также перегрев гидромуфты, из-за которого агрегат не мог длительно нести нагрузку более 800 кет. Разрушение подшипника главного вала вызвало перерыв в эксплуа­тации агрегата почти на 2 года. Установка эксплуатиро­валась всего в течение четырех лет, пока в 1945 г. не произошла авария с обрывом одной из лопастей вслед­ствие поломки ее лонжерона близ внешней опоры. Ава­рия имела местЬ при небольшой скорости ветра и на­грузке в 30% от номинальной, что указывает на то, что излом был вызван усталостными напряжениями в ме­талле от переменной нагрузки и вибрацией лопастей, а также местными напряжениями, вызванными попереч­ным сварочным швом, сделанным при ремонте лопасти. После этой аварии агрегат не был восстановлен, так как было отказано в финансировании исследовательских работ, необходимых для дальнейшей эксплуатации уста­новки.

2. ВЭС на мысе Коста-Хэд (Оркнейские о-ва. Вели­кобритания) с ветроагрегатом мощностью 100 кет. ВЭС Коста-Хэд (рис. 6-10, табл. 6-1, п. 5) построена по зада­нию Управления гидростанций Северной Шотландии фирмой Д. Браун [JI. 29]. Она расположена на прибреж­ном холме в одном из наиболее ветреных районов Вели­кобритании. Ветроагрегат сооружен, как модель более крупных агрегатов этого типа для работы в местной энергосистеме параллельно с крупными дизельными электростанциями. Трехлопастное ветроколесо диамет­ром 15,2 м соединено через редуктор с асинхронным ге­
нератором трехфазного тока мощностью 100 кет, 50 гц, 415 в, «синхр =750 об/мин, с фазным ротором. Генера­тор и редуктор, объединенный в одном блоке с муфтой сцепления и тормозом, установлены на головке двига­теля в машинной кабине. Электроэнергия от генератора передается через кольцевой токосъемник со скользящи­ми ^контактами и повыси- тельньий трансформатор в сеть 11 кв. Ветроколесо ра­ботает за 'башней. Поворот головки на ветер 'произво­дится электроприводом, управляемым от флюгера по образцу Балаклавской ВЭС (§ 1-6). Для того чтобы вибрация ветроколеса не пе­редавалась на башню, опора головки имеет шаровую по­верхность, на которой го­ловка может смещаться на небольшой угол в верти­кальной плоскости, удержи­ваемая амортизатором. Ло­пасти ветроколеса имеют деревянные каркасы, обши­тые фанерой красного де­рева и обтянутые сверху пластичным материалом, вследствие чего вес лопасти

Составляет всего 68 кг. Поскольку агрегат рассчитывал­ся на тяжелые ветровые условия, лопасти крепятся к тройнику универсальными шарнирами с демпферами. Это дает возможность упругого перемещения лопастей по направлению ветра и в плоскости вращения ветро­колеса, что уменьшает ударные нагрузки.

Пуск агрегата производится при отключенной муф­те сцепления одновременно со стороны генератора и вет­родвигателя по сигналу электроанемометра при дости­жении скорости ветра 10 м/сек. Генератор пускается от сети в режиме электродвигателя при включенных в цепь ротора сопротивлениях. Когда скорость вращения веду­щего вала редуктора станет равной 1,1 номинальной
скорости генератора, включается муфта сцепления. Пос­ле включения муфты сопротивления в цепи ротора посте­пенно закорачиваются при помощи реле мощности, ко­торое удерживает нагрузку в пределах 0—5 кет. Далее контроль над нагрузкой агрегата переходит к токовому реле, с помощью которого агрегат набирает нагрузку в соответствии со скоростью ветра. При скорости ветра ниже расчетной агрегат работает без регулирования. При больших скоростях ветра регулирование скорости вращения агрегата и ограничение отдачи агрегата про­изводится центробежным регулятором, действующим на систему гидропривода лопастей. Кроме того, имеется подрегулировка скорости вращения с помощью актюа - тора, на который действует токовое реле и которым из­меняется уставка скорости. вращения агрегата в зави­симости от частоты сети. Агрегат автоматически отклю­чается и останавливается при скорости ветра

Умакс = 26 М/сек и Vuan = М/сек.

С 1955 г. ВЭС находится в опытной эксплуатации, хотя работала мало, так как подвергалась доводке и переделкам, особенно в части крепления лопастей к тройнику. Основные затруднения вызывали вибрация ветроколеса и башни, а также качания регулятора. В частности, при принятой высоте башни частота ее соб­ственных колебаний попадала в резонанс с частотой генератора при скорости вращения, немного ниже син­хронной, что увеличивало вибрацию. Серьезные затруд­нения вызывала коррозия металла. Выполненная кон­струкция агрегата (вес 20 г) считается несколько утя­желенной, что явилось следствием ее усложнения, как опытной модели более мощного агрегата.

3. ВЭС с ветроагрегатом мощностью 100 кет систе­мы Андро с пневматической передачей (Великобрита­ния) (рис. 6-11 и табл. 6-1, п. 6). Ветроагрегат этой установки системы Андро (Andreau), так же как и пре­дыдущий, является моделью более мощного агрегата. Агрегат построй фирмой Энфильд и смонтирован в 1954 г. в Великобритании по заказу Управления элек­троснабжения. После предварительных испытаний он перевезен для постоянной эксплуатации в Алжир [JI. 30].

Агрегат имеет двухлопастное цельнометаллическое ветроколесо D = 24,4 м, выполненное из алюминиевых

Сплавов. Поворотные лопасти имеют поперечный профиль инверсии эллипса с постоянным углом хорды к плоско­сти вращения ветроколеса. С втулкой лопасти соеди­няются шарнирами, допускающими при порывах ветра отклонение лопастей по направлению скорости ветра. Агрегат имеет 'пневмати­ческую передачу от вет­роколеса к генератору, принцип 'Которой описан в § 6-4.

Вертикальная воздуш­ная турбина имеет рабо­чее 'колесо диаметром 1,2 м и расчетный расход воздуха 23 м3/сек при 1 ООО об/мин и к. - п. д., равном 0,85. На одном валу с турбиной установ­лен синхронный генера­тор мощностью 100 кет, 50 гц, 415 в. Ветройолесо работает за башней. По­ворот головки двигателя против ветра производит­ся с помощью электро­привода, управляемого флюгером. Трубчатая башня высотой 30 м и диаметром в нижней ча­сти 2,75 м выполнена ИЗ Рис. 6-11., Ветроагрегат D = листовой стали. Она = 24 м, 100 кет (Андро).

Укреплена 12 растяжка­ми, которым дана предварительная затяжка іпо 6 т для уменьшения влияния пульсаций нагрузки. Ограничение скорости вращения ветроколеса производится электро­анемометром, импульсьп от которого действуют на изме­нение угла установки лопастей - с помощью гидроприво­да. Расход воздуха, проходящего через турбину, может при больших скоростях ветра автоматически ограничи­ваться путем пропуска части его в обход турбины. Агре­гат пускается в ход автоматически при достижении ско­рости ветра 6,9 м/сек и при 29 м/сек прекращает работу и останавливается. При испытаниях он развивал мощ­
ность до 130 кет. Обращает на себя внимание его боль­шой вес, составляющий 400 ке/квт.

4. Датские конструкции ВЭС. В 1957 г. в Дании во­шла в эксплуатацию ВЭС с агрегатом Д = 24 м, опти­мальной установленной мощности 200 кет, построенным компанией по электроснабжению SEAS под научным ру­ководством датского Ветроэнергетического комитета [Л. 23 и 31]. Конструкция агрегата была предварительно исследована в работе на двух меньших образцах. Первая экспериментальная ВЭУ—модель, сооруженная в 1949 г. (в Вестер-Эгасборге), бьиа оборудована ветроагрега - том с двухлопастным ветроколесом D = 8 м, соединен­ным цепной передачей с асинхронным генератором мощ­ностью 16 кет. Вторая ВЭУ — модель, построенная. SEAS в 1951 г. в Боге по образцу первой, имеет трехло­пастное ветроколесо D = 13 м, соединенное с таким же генератором 45 кет через зубчатый редуктор. Оба агре­гата имеют ветроколеса с жесткозакрепленными лопа­стями и поворотные части длиной которые приме­няются только для остановки агрегатов. Ограничение скорости вращения и мощности происходит путем само­регулирования ветроколеса благодаря подбору профиля лопастей, имеющих соответствующую аэродинамиче­скую характеристику. Ветроколеса работают впереди башен. Величины установленной мощности и перегру­зочного момента генераторов взяты с некоторьш запа­сом против расчетных, что при саморегулировании яв­ляется необходимым. Проф. Ю. Юль считает, что экс­плуатация двух ветроустановок — моделей — доказала возможность эффективной работы в энергосистеме вет­роагрегатов с жесткими лопастями без регулирования и простой электрической частью при отдаче в энергоси­стему порядка 50—60% теоретически возможной для использования энергии • ветра. Работа агрегатов пол­ностью автоматизирована. На рис. 6-12 приведена схе­ма автоматики агрегата D=8m. При подаче напряжения сети на шины ВЭС открывается электромагнитный вен­тиль 8, который впускает сжатый воздух в цилиндр 7 сервопривода поворотных частей лопастей, благодаря чему они устанавливаются под рабочий угол и при на­личии ветра начинают вращаться. По достижении син­хронной скорости вращения генератор включается в сеть с помощью центробежного механизма 11. Отклю­чение генератора от сети при уменьшении скорости вет­ра производится с помощью реле направления мощно­сти 12. При оперативном или аварийном снятии напря­жения с шин сжатый воздух выходит через вентиль 8 из цилиндра 7, вследствие чего концы лопастей поворачи­ваются в тормозное положение. Одновременно двига-

Тель затормаживается механическим тормозом и оста­навливается. Оборудование и автоматика второй ВЭС D-13 аналогичны описанной, но гидропривод поворот­ных частей лопастей заменен в ней пружинным механиз­мом, который заводится с помощью 'электродвигателя.

ВЭС с агрегатом /)=24 м мощностью 200 кет соору­жена в Гедзере (на юге острова Фальстер). Основные данные агрегата приведены в табл. 6-1, п. 8. Конструк­ция ветроагрегата D—24 м (рис. 6-13) в части ветроко­леса, электрической части и автоматики аналогична аг­регату Z) = 13 м, описанному выше. Генератор асинхрон­ный, 380 в, 750 об/мин. Отличием является конструкция башни, выполненная из предварительно-напряженного железобетона. Агрегат включается в сеть при а = 6 лі/сек и отдает номинальную мощность при vp — l5 м/сек. Ожидаемая выработка агрегата — 600000 кет-ч/год.' При предварительных испытаниях он отдавал в сеть 170 кет при скорости ветра с=;11,5 м/сек, что близко к расчетным данным.

5. ВЭС с агрегатом D-30 мощностью 600 кет (Фран­ция). Энергетическое управление Франции (L'Electricite de France) соорудило в Ножан-ле-Руа опытную ВЭС с ветроагрегатом D = 30 м французской конструкции [Л. 33]. Предварительно был построен меньший агрегат D=21,2 м мощностью 132 кет (табл. 6-1, п. 10). Основ­ные данные агрегата приведены в табл. 6-І, п. 9. Трех­лопастное ветроколесо соединено двухступенчатым ре­дуктором с синхронным генератором мощностью 640 кет, 3 кв, 1 000 об/мин. Головка агрегата опирается на цельнометаллическую трехногую башню с верхней трубчатой частью. Поворотом головки агрегата на ве­тер управляет флюгер, установленный на отдельной

Мачте высотой 60 м. ВЭС присоединяется к сети 15 кв. Данные испытаний пока отсутсгвуют.

6. В ФРГвШтётене (табл. 6-1, п. 11) построена опыт­ная ВЭС с двухлопастным ветродвигателем D = 34 м, .£" = 10 и синхронным генератором 100 кет, которая ис - пытывается.

7. Проекты мощных ветроагрегатов, сооружение ко­торых намечено в ближайшее время.

В Великобритании предполагается строитель­ство ветроагрегата мощностью 250 кет по образцу ра­ботающего агрегата D = 15 м, 100 кет, и ведется проек­тирование ветроагрегата D = 68,5 м, 3,76 Мет (табл. €-1, п. 7). Ветроколесо этого агрегата запроектировано с двумя поворотными лопастями со стабилизатора­ми. Передача редуктором. Генератор асинхронный. Ветроколесо располагается сзади башни. Башня имеет форму несимметричной треноги, которая поворачивается при изменении направления ветра вместе с головкой агрегата вокруг основания одной из 'ног, в то время как две другие ноги передвигаются по окружности на те­лежках. Поворот агрегата на ветер производится виндрозами с механической передачей на колеса теле­жек. В ветровых условиях района Коста-Хэд этот агре­гат сможет работать при 3 500 ч использования установ­ленной мощности.

В США разработано несколько проектов мощных ветроустановок, которые до сих пор не осуществлены (в том числе табл. 6-1, п. 4).