Обобщенная функциональная схема ВЭУ

Рассмотрим пример обобщенной функциональной схемы ВЭУ, приведенный на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Обобщенная функциональная схема ВЭУ

ВК – ветроколесо, преобразующее энергию ветра в механическую энергию вращения вала ветродвигателя.

МП - мультипликатор. Может отсутствовать.

Т – тормоз. Служит для отключения генератора от ветроколеса.

Г – генератор переменного тока, основной ЭМП.

Из перечисленных нами вариантов генераторов на схеме показан бесконтактный двухмашинный агрегат с возбудителем и вращающимся выпрямителем.

Выходное напряжение генератора поддерживается стабильным в данном случае за счет изменения тока возбуждения возбудителя.

Для обеспечения стабильной частоты напряжения генератора могут использоваться следующие устройства:

- механическая система регулирования частоты (МСРЧ), которая воздействует на угол поворота лопасти по отношению к ветру (угол атаки); при чрезмерной скорости ветра лопасти разворачиваются во флюгерное положение;

- электрическая система регулирования частоты (ЭСРЧ), в которой частота вращения генератора поддерживается постоянной за счет изменения электромагнитного момента (балластная нагрузка) – момента сопротивления вращению вала ветроколеса.

На обобщенной функциональной схеме представлены три вида потребителей:

- постоянного тока (получаем, преобразуя переменное напряжение генератора через трансформаторно-выпрямительный блок ТВБ);

- переменного тока нестабильной частоты (П~нсч) (напрямую от генератора, подходит для электроотопительной и осветительной системы);

- переменного тока стабильной частоты (П~сч) (получаем после преобразования в статическом преобразователе частоты со звеном постоянного тока: "выпрямитель-инвертор").

Для обеспечения бесперебойного питания, совместно с ВЭУ, могут работать дизель-генераторные установки (ДГУ), солнечные батареи (СБ), химические источники тока (ХИТ).

Наряду с аккумулированием электрической энергии, вырабатываемой генератором, можно аккумулировать (накапливать) механическую энергию вращения ветроколеса, например, с помощью маховика или сжатого газа [7].

Система электроснабжения, состоящая из ВЭУ и АБ, называется ветроэнергетической станцией.

 

4.21. Пример кинематической схемы ВЭУ [43]

Ветроколесо и генератор соединяются часто через сложную механическую передачу. Один из примеров кинематической схемы ВЭУ приведен на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Пример кинематической схемы ВЭУ

Основные элементы: 2 – ветроколесо; 3 - лопасти ветроколеса; 10 – полый вал; 6 – система управления положением лопастей ветроколеса; 11 – зубчатая муфта; 12 – входной тихоходный вал мультипликатора; 13 – многоступенчатый мультипликатор; 8 – управляемый тормоз; 17 – выходная быстроходная ступень мультипликатора; 16 – выходной быстроходный полый вал мультипликатора 13; 7 - выключаемая фрикционная муфта сцепления; 14 – входной элемент муфты 7, ступенчатая ведущая обойма; 15 – центральный выходной элемент муфты 7; 23 –электродвигатель привода выключения муфты 7; 9 – маховик; 38 – подшипниковый узел маховика 9; 5 – синхронный электрогенератор.

При колебаниях скорости ветропотока и, соответственно, подводимой к валу 10 ветроколеса мощности с помощью системы управления 11 положением лопастей ветроколеса регулируют поступление мощности в мультипликатор, за счет чего достигается устойчивая работа ВЭУ.

Вследствие погрешностей в системе управления и запаздывании, а также из-за наличия в силовом потоке "ветроколесо-трансмиссия-генератор" упруго-массовых элементов, колебательная мощность, поступающая на вход мультипликатора, может привести к развитию в трансмиссии колебательных процессов.

При повышении интенсивности колебаний происходит проскальзывание ведущих 18 фрикционных дисков относительно ведомых дисков 19 в муфте 7, в результате чего достигается ограничение колебаний мощности.

Момент, передаваемый муфтой 7, регулируется за счет регулировки величины осевого усилия затяжки пружины 22 (поджатия фрикционных дисков 18 и 19).

Маховик 9 при ограниченных муфтой 7 колебаниях, вследствие своей инерционности, практически гасит колебания и не пропускает их на генератор 5, обеспечивая его устойчивую работу.

Тормоз 8 осуществляет торможение установки после выведения лопастей во флюгерное положение и выведения генератора из сети. При торможении муфта 7 рассоединяет маховик с генератором от ветроколеса и мультипликатора.

Тормоз может быть применен различного типа:

- механический:

а) колодочного типа, содержащий тормозной барабан и колодки 29 (например, тормоз типа ТКП);

б) дисковый.

- электромагнитный, например, гистерезисный.

Совокупность силовых элементов, участвующих в передаче нагрузок от ветроколеса на генератор, включая вал ветроколеса, мультипликатор, муфту, маховик, соединительные муфты, тормозное устройство и др. называют иногда трансмиссией.

ВЭУ для дома

Для загородного дома будет достаточно автономного ветрогенератора мощностью 1,5-6 кВт [15].

Мощности 500 Вт хватит для освещения, телевизора, связи, радио, другой маломощной нагрузки. Мощности от 1,5 до 4 кВт хватит, если добавить стиральную машину, холодильник, компьютеры и т.п. В периоды сильного и продолжительного ветра излишки вырабатываемой электроэнергии могут использоваться для отопления помещений [8].

Но следует иметь в виду:

1) Для обеспечения стабильного переменного напряжении 220 В и частоты 50 Гц, потребуется инвертор, стоимость которого может составить 50% от стоимости всей установки.

2) Для бесперебойного питания потребуется аккумуляторная батарея, стоимость которой может составить 25% от стоимости установки [8].

3) Для длительной бесперебойной работы требуется ДГУ [8].

 

4.23. Некоторые примеры ветрогенераторов

ВЭУ небольшой мощности

Вентильные безредукторные встраиваемые ветрогенераторы (2010) [18]

Р ном, кВт	0,3	0,3	0,5		1,5
n, об/мин
Ud, В	28,5		28,5	28,5
Масса, кг	2,4		8,5
D кх L к, мм	96х112	450х141	180х110	180х140	180х185	180х210	410х310	410х310	825х225	825х225	1000х358
М страг, Н·м	0,15	<0,01	0,4	0,6	0,8	0,9-1	<6	<6	5…6	5…6	<90
КПД, %
Рублей

 

ВЭУ и ВЭС большой мощности

Примеры самых мощных ветрогенераторов.

Ветрогенератор Enercon E-126 (концерн Enercon, Германия, 2009).

Мощность – 7,58 МВт, рабочая частота вращения ротора – от 5 до 11,7 об/мин. Высота колонны-основания ВЭУ – 135 метров, диаметр, охваченный лопастями – 127 метров. Вес всей конструкции - около 6000 тонн [38]. Три лопасти, безредукторный, подключение к сети через инвертор (преобразователь частоты) [39].

Ветрогенератор модели V163-7.0MW (компания Vestas, Дания, 2011).

Мощность 7 МВт. Размах лопастей - 164 метра [40].

Ветротурбина Repower 6M (компания REpower Systems, Германия, 2009).

Мощность 6,15 МВт, рабочая частота вращения ротора – от 7,7 до 12,1 об/мин. Высота башни 100-117 метров. Три лопасти. Диаметр, охваченный лопастями, – 126 метров [39].

Ветрогенератор Haliade 150 (установлен в зоне атлантического порта Нант-Сен-Назер французской компанией Alstom) [44] (рис.4.9). Мощность 6 МВт. Высота башни 100 м. Рекордный размах лопастей 150 м (длина лопасти 73,5 м). Диапазон рабочих скоростей ветра: 3…25 м/с. Безредукторный. Частота вращения ротора 4-11,5 об/мин. Выходное напряжение: 900 В. Частота выходного напряжения 50/60 Гц [44].

Рис.4.9. Размеры ВЭУ Haliade 150 [51]

Примеры крупных ветроэлектростанций (ветропарков).

1064 МВт - Jaisalmer Wind Park (Индия, штата Раджастхан, февраль 2013) [49].

В ветропарке установлены турбины производства Suzlon, начиная от первых разработок мощностью 350КВт и заканчивая последней SX9-2.1 мощностью 2.1 МВт [49].

1020 МВт - Alta Wind Energy Center (США, штат Калифорния, горный перевал Техачапи, 2013) [49].

В ветропарке установлено 290 турбин Vestas V-90 мощностью 3 МВт каждая, и 100 турбин производства General Electric мощностью 1.5 МВт каждая [49].

500 МВт – Greater Gabbard (Великобритания), самая мощная оффшорная ветряная электростанция (строительство завершено 7 сентября 2012 года) [49].

Ветропарк находится в 23-х км от побережья на востоке Великобритании и состоит из 140 ветроустановок Siemens SWT3.6-107 мощностью 3.6 МВт каждая [49].

5,1 МВт - ВЭС в районе поселка Куликово Зеленоградского района Калининградской области (Россия) [20].

Дар властей Дании. Состав – 21 ВЭУ. Суммарная мощность - 5,1 МВт. Занимаемая площадь – около 20 гектар. Среднегодовая выработка - около 6 млн. кВт·ч/год [20].