В мировом производстве ветроэнергетических установок предпочтение отдается агрегатам с горизонтально расположенной осью вращения. Поэтому описание конструкций и анализ работы узлов и систем, используемые мате­риалы рассмотрим на примере такой установки.

Основными узлами и системами ветроустановки являются (рис. 2,5): вет - роколесо 1, соединенное через редуктор с электрическим генератором. Редук­тор и генератор размещаются в закрытой поворотной гондоле 2, которая за­крепляется наверху опорной конструкции — башни 3. Для обеспечения оптимальной работы ветроагрегата имеется система поворота его на поток воздуха и система регулировки скорости вращения. Устанавливается также система управления и контроля параметров вырабатываемой электроэнергии. Для остановки ветроколеса служит тормозная система

Ветроколесо. Из-за непостоянства параметров источника энергии ветра ветроколесо должно работать в оптимальном режиме при высоких и низких скоростях потока, в установках малой и большой мощности, для индивиду­ального потребителя и совместно с линией электропередачи. Эти факторы вносят коррективы в конструкцию ветроколеса.

В соответствии с законами аэродинамики каждому скоростному режиму ротора должно соответствовать оптимальное геометрическое заполнение, т. е. собственная площадь поверхности лопастей, которая уменьшается с ростом скорости вращения. Установлено, что концевые аэродинамические потери у ротора с 1 лопастью на 10%, а у двухлопастного на 4% больше, чем у трехло­пастной турбины. Здесь подтверждается теория идеального ветроколеса, рабо­тающего без потерь при наличии бесконечно большого числа лопастей и при бесконечно большой частоте вращения. Из трех типов турбин 3 — лопастная оказалась динамически наиболее современной. Ими оснащается подавляющее (до 74%) большинство ветроагрегатов среднего и мегаваттного классов.

Изучение конструкций лопастей, которые выпускаются промышленно - стью европейских стран, позволило установить эмпирическое' соотношение между массой лопасти и диаметром ветроколеса в виде [48]

(2.17)

Зависимость справедлива для роторов с диаметрами 15-40 м. Показатель степени в формуле (2.17) для роторов, диаметр которых превышает 40 м, уве­личивается до 2.8.

Известно, что скорость вращения ротора ограничивается уровнем, при котором линейная скорость конца лопасти не должна превышать скорость звука, чтобы избежать появления ударных волн. До этого предела роторы вет - роустановок малого класса могут вращаться быстрее, чем ветроколеса боль - ших ветродвигателей, и при этом они не создают неприятных звуковых коле­баний. Так, диапазон скоростей концов лопастей маломощных турбин 1- 10 кВт лежит в пределах 13-220 м/с. При больших допустимых скоростях сис­тема регулирования не требуется. Более часто встречаются скорости порядка 40-100 м/с. Ветротурбины мегаваттных установок работают со скоростью конца лопасти от 60 до 90 м/с.

Мощность ветроагрегата рассчитывается исходя из приведенных ранее аналитических зависимостей. Однако имеется и аппроксимирующая формула, полученная из анализа работы реальных установок. Эта зависимость для больших турбин (500-3000 кВт) выражается экспонентой вида

Р = 0,06 D2’42.

Размеры ротора могут меняться в зависимости от того, где устанавлива­ется ветроагрегат. Для районов с низкой скоростью ветра диаметр ротора уве­личивается за счет трубчатых вставок между втулкой и основанием лопасти. При больших постоянных скоростях ветра лопасти укорачиваются. Такой путь достаточно прост, но эффективность ротора снижается.

Система регулирования мощности. Конструкция ротора должна обеспе­чивать его оптимальный режим работы как при низких, так и при высоких ско­ростях ветра, а также предусматривать остановку в экстремальных условиях урагана. Эти задачи решаются системой регулирования. Она может основывать­ся на двух различных подходах, использующих поворот лопастей (pitch-
регулирование) либо явление срыва потока (stall-регулирование). В ветроуста - ^ках среднего класса превалирует регулирование путем срыва потока. Произ - родители более мощных установок применяют оба метода в равной степени.

Суть pitch-регулирования заключается в том, что по сигналу датчика ане - ^оскопа при изменяющейся скорости ветра вырабатывается импульс, который передается на исполнительный механический или гидравлический орган. В результате вся лопасть или ее верхняя часть поворачивается, изменяется угол атаки а, а, следовательно, и величина подъемной силы. Гидромеханические устройства меняют положение лопасти со скоростью до 10 град/с в пределах отОО до 0 при остановке ротора. Запуск ротора обычно осуществляется при скорости ветра 3,5+4 м/с, а остановка — при V = 27-30 м/с. Надежность рабо­ты системы регулирования в некоторых случаях обеспечивается отдельным приводом для поворота каждой лопасти.

Второй способ stall-регулирование реализуется иначе. Линейная скорость каждого сечения профиля вращающейся лопасти увеличивается по мере уда­ления от оси вращения. Поэтому в какой-то момент поток срывается, подъем­ная сила теряется, и это сечение работает неэффективно. Чтобы обеспечить оптимальное использование энергии потока при разных скоростях, лопасть закручивается, т. е. каждое сечение повернуто относительно предыдущего (рис. 2.10) и располагается под различными углами к плоскости вращения. Stall-регулирование обеспечивает такие условия работы ветроколеса, что при резком увеличении скорости ветра вырабатываемая мощность не растет, т. к. в целом уменьшается эффективность лопастей из-за срыва потока. Этот метод регулирования мощности оказывается приемлемым, если поддерживается по­стоянная скорость вращения ротора с помощью асинхронного генератора вет - роустановки, подключенного к линии электропередачи. Современная тенден­ция в регулировании мощности, вырабатываемой ветроагрегатами среднего и мегаваттного классов, заключается в том, что поворот лопастей в сочетании с постоянной скоростью вращения не применяется, хотя раньше такая комбина­ция использовалась широко.

Лопасти, Современные ветротурбины снабжаются лопастями (рис. 2.11) с аэродинамическим профилем, исследованию и разработке которого уделяет­ся серьезное внимание. От профиля лопасти в значительной степени зависит выработка электроэнергии.

Рис. 2.10. Изменение профиля сечения лопасти

Рис. 2.11. Лопасть современного сетроколеса

Так, например, американская фирма LYNETT с 1994 г. выпускает лопасти для ветроагрегатов мощностью Р = 275 кВт, которые обеспечивают выработку электроэнергии почти на 50% большую, чем предыдущие конструкции. К ло­пастям предъявляются очень серьезные требования. Они должны быть проч­ными и легкими, хорошо противостоять циклическим нагрузкам, вибрации и воздействию атмосферы.

Первые ветротурбины монтировались со стальными и алюминиевыми экструдированными лопастями. Конструкция лопастей и технология их изго­товления постоянно совершенствуются. Например, лопасть немецкой ветро - турбины мегаваттного класса Aeolus-I с установленной мощностью Р = 1 МВт и диаметром ротора 75 м имела массу 22 т. Более мощная установка (Р = 3 МВт) Aeotus-IJ снабжена ветроколесом диаметром 80 м, а масса лопасти снижена до 5,5 т. *

Неудовлетворительные Ежовые и прочностные характеристики металли - их лопастей заставили конструкторов вновь обратиться к исходному ма - чСС.. „ лиЄнь современным композиционным материалам.

тйриаЛУ — древесине и к tint

композиты состоят из высокопрочных волокон, которые воспринимают ос­новную нагрузку, И матрицы, объединяющей волокна в единое целое.

Как известно, древесина п0 пРиР0де представляет собой волокнистый материал. При изготовлении из нее лопастей вначале вдоль волокон выреза­лся тонкие пластины, которые затем проклеиваются эпоксидной смолой и собираются в комплект. Пластины нарезают из высокопрочного тропическо­го дерева (породы Rhaya) либо шведской ели. Наиболее широко в производ­стве лопастей применяются стекловолокна различной укладки или стекло­ткань пропитанные эпоксид смолой. Стеклонластиковая лопасть для ротора диаметром 40 м голлдИДсКОЙ ФИРМЫ АегРас 1шеет массУ ]1(Юкг - Не­которые фирмы производят композиционные системы либо только на основе углеродных волокон и эпоксидной смолы, либо в сочетании со стеклово­локном.

внедрение новых материал0® сопровождается разработкой прогрессив­ных технологий изготовления лопастей. Фирма Аеграс, например, произво­дила стеклопластиковые лоп^тИ вручную, послойно укладывая на шаблоне стекловолокно и нанося на не™ эпоксидную смолу. Более совершенная тех­нология заключается в том, ^ собранная лопасть пропитывается поли­эфирными смолами в вакуумной камере без применения ручного труда. Свя­зующее вещество настолько Х°Р°Ш0, Распределяется по сечению, что в композитном материале не оС™*™» воздушных включений. По этой техно­логии датская фирма LM С1^Ьег выпускает лопасти длиной 38,8 м и мас­сой 10 т для ВЭУ Р = 2,5 МВТ-

разработчики российской трехлопастной везроустановки мегаватгного класса «Радуга-1» применяют цельнометаллическую лопасть для ротора диа­метром 48 м. Ее лонжерон выполнен из стали, а нервюры и обшивка - из алюминиевого сплава.

Башня. Эта опорная конСзРУкция выполняет различные функции. Сверху ее монтируется поворотная гондола, в которой размещены генератор, редук­тор соединительные муфты, посаженные на входной и выходной валы редук­тора системы ориентации и регулирования, система торможения ротора.

Башня воспринимает все нагрузки — статические, динамические, вибра­ционные, действующие на ветроколеео и на собственную конструкцию, кото­рые вызваны потоком ветра, работой ветроколеса и других агрегатов. Внутри башни, если она полая, могут размещаться площадки для обслуживания, сис­темы управления и контроля, подъемные механизмы.

Конструктивно башни выполняются по-разному. Они могут быть сталь­ными решетчатыми, собранными из предварительно напряженных железобе­тонных колец или отлитыми из армированного бетона на месте установки.

Ажурные с хорошо проницаемой для потока воздуха сварной конструк­цией из труб или металлопроката башни характерны для США. Они работают уже более века. Ветроустановки с такими башнями имеют мощность до 750 кВт. Подобная конструкция отличается небольшой металлоемкостью. Решет­чатые башни с квадратным сечением и высотой до 120 м выпускаются гер­манской фирмой NORDEX. Они достаточно трудоемки в изготовлении.

Широко распространены железобетонные опоры. Их масса превышает массу стальных башен на 30%, но стоимость меньше. Возводятся железобе­тонные башни либо с применением скользящей опалубки, либо путем сборки отдельных секций заводской готовности.

В последние годы предпочтение отдано стальным коническим или ци­линдрическим трубчатым башням с анодированным покрытием. Нижняя, цо­кольная часть высотой 5-8 м изготавливается из железобетона.

Обзор имеющихся данных показывает, что установки малой мощности снабжаются башнями такой высоты, которая превышает турбулентный слой потока воздуха, преодолевающего местные препятствия. Высота башни у вет - роагрегатов средней мощности и мегаваттного класса почти не отличается от диаметра ротора и достигает 80-100 м.

Трансмиссия. Крутящий момент от ветротурбины передается к электри­ческому генератору, который вращается со скоростью 1500 оборотов в мину­ту. Скорость вращения ветроколеса значительно меньше. Поэтому между вет - ротурбиной и генератором в большинстве случаев устанавливается мульти­пликатор. Ветроколеео соединяется с мультипликатором либо через муфту, либо напрямую насаживается на вал редуктора. Между мультипликатором и генератором всегда устанавливается муфта для компенсации осевых и угло­вых отклонений при монтаже. Передаточное число редукторов находится в пределах І = 33-80. В некоторых ветроустановках США применена геликои­дальная коробка передач, имеющая два параллельных вала для соединения с двумя одинаковыми генераторами. Германский ветроагрегат Seewind 52/750 мегаватт но го класса изготовлен с двумя параллельными редукторами (2 и 3 ступени). При такой конструкции снижены нагрузки на зубья шестерен, уменьшен уровень шума. Трансмиссия имеет меньшие размеры.

Для обеспечения регулирования скорости вращения ветроколеса англий­ские конструкторы применили комбинированную механико-электрическую 2- ступенчатую планетарную дифференциальную передачу. Ее вторая ступень связана с серводвигателями системы регулирования.

Российская ветротурбина мегаваттного класса Радуга-1 снабжена трех­ступенчатым многопоточным мультипликатором, разработанным на базе ре­дуктора, который применяется на крупнейшем в мире вертолете Ми-26.

Тихоходные, сверхмощные ветроустановки (Р=4-5 МВт), предназначен­ные для работы в шельфовой зоне морей, комплектуются одноступенчатым планетарным редуктором.

Оригинальную идею в передаче крутящего момента от ветроколеса к ге­нератору реализовали финские разработчики в установке Hydrotronic wind tur­bine— тяжелый редуктор заменен гидравлической силовой трансмиссией, ко­торая легко регулируется и хорошо приспособлена к работе в условиях порывистого ветра-

Генератор. Тип генератора, который применяется на ветроустановке, за­висит от мощности ветродвигателя и характера потребителя вырабатываемой электроэнергии. Ветродвигатели малой мощности могут снабжаться генерато­рами постоянного тока. Системы среднего и мегаваттного классов комплек­туются синхронными и асинхронными генераторами.

Ветроустановки с постоянной скоростью вращения лопастей снабжаются синхронными генераторами. Стабилизация скорости вращения ветроколеса достигается эффектом срыва потока (stall-регулирования). Постоянство на­пряжения и частоты поддерживается регулированием нагрузки или через сис­тему стабилизации, состоящей из выпрямителя, инвертора и устройства управления.

Анализ показывает, что при постоянной скорости вращения ветротурби - ны определенная доля энергии потока воздуха не используется. Поэтому стали применяться асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором. Они по­зволяют регулировать в некоторых пределах частоту вращения, хорошо при. способлены к работе с резкими и частыми колебаниями скорости. Работа та. кой установки в сети снимает проблему выработки реактивной мощности. Распределение диапазона частоты вращения асинхронного короткозамкнутого генератора возможно в комбинации с силовым электронным модулем для ста. билизации частоты сигнала.

Некоторые производители снабжают ветроэнергетические установки асинхронизированнымн генераторами, работающими в достаточно широком диапазоне частоты вращения, что позволяет увеличить выработку электро, энергии на 15-20%. Асинхронизировакная машина имеет фазный ротор с 3- фазными обмотками на статоре и роторе. Обмотка статора подключается к се­ти, обмотка ротора питается от тиристорного преобразователя частоты.

Наиболее часто применяются двухскоростные ветротурбины, у которых генераторы снабжены двумя обмотками. Одна подключается при небольших скоростях вращения, а вторая — в условиях номинальной рабочей скорости и обеспечивает расчетную мощность. Переключение обмоток осуществляется автоматически.

Иногда рабочий режим подразделяется на ступени, в пределах одного диапазона скоростей ветра частота вращения стабилизируется, а в другом — обеспечивается работа ветротурбины с переменными оборотами, но с опти­мальной быстроходностью Z.

Возможность ветроагрегата работать с переменной скоростью вращения уменьшает колебания крутящего момента и динамические усталостные на­пряжения, значительно облегчаются условия работы электрогенератора.

Совершенствование электрогенераторов для ветроу станово к привело в начале 90-х годов к созданию совершенно новой конструкции тихоходного генератора, предназначенного для безредукторного привода. Первым, кто применил безредукторные кольцевые генераторы на своих ветротурбинах, была германская фирма ENERCON. Она оснастила этим типом генераторов серию ветроагрегатов мощностью от 300 до 1500 кВт.

Безредукторный синхронный кольцевой генератор представляет собой многополюсную машину (число полюсов достигает 24-78 с постоянными магнитами и аксиальным магнитным потоком). Он допускает скорость враще-
^колеса в пределах 10-20 об/мин. Низкие скорости вращения ветро - и генератора, отсутствие редуктора значительно сокращают уровень

^редукторная технология применяется при разработке сверхмощных р = 4_5 МВт для оснащения ветроэлектрических станций морского ба-

машнн

зироваі'ия-

^,(стема установки на ветер. Оптимальное положение ветротурбины

кивается тогда, когда плоскость вращения лопастей расположена пер - поддер1*

„ендикУЯярмо направлению воздушного потока. Удержание ветротурбины в

.сложении обеспечивается системой ориентирования. Легкие установ - таком 1

мал*™ класса удерживаются в заданном положении с помощью простеи - . габилтатора, закрепленного сзади. При размещении ветроколеса за

ЦІ6ГО *

башней конструкции, которая является проницаемой для ветра,

j установки на ветер не требуется, так как ветротурбина автоматически

ор^нт>ФУется на поток-

gt-гродвнгатели среднего и мегаваттного классов имеют специальные по - воротя*,,е гондолы для размещения трансмиссии, соединительных муфт, тор­мозной системы, электрогенераторов и вспомогательного оборудования. Кор - ондол изготавливаются либо из стеклопластика, либо из высоко-

пуса і

прочно^0 чугуна с шаровидным графитом, который хорошо противостоит вибраний - Масса гондол колеблется от нескольких тонн до 120-140 т. Поворот таких - тяжелы* конструкций навстречу ветру осуществляется специальными систем**111’ ® некоторых случаях на боковых сторонах гондолы устанавлива­ются ((^большие дополнительные ветроколеса. Часть ветротурбин оборудова­на здец-тродвигателями, соединенными с планетарным редуктором. Зубчатый венец Редуктора крепится наверху башни, а электродвигатель с шестерней кровен на металлическом полу гондолы. Кроме электромеханического устрої™’ для придания агрегату положения, направленного на ветер, при - меняк? гся гидромоторы поворота.

команда на поворот ветротурбины подается от анемоскопа, установлен­ного уверху гондолы. Анемоскоп измеряет скорость ветра и определяет его напра^,ение* отклонении направления ветра более 5° от идеальной линии информация постУпает 8 компьютер, который включает в действие механизм п иноЯ повоРота 8 ТУ апи ИНУЮ сторону. Чтобы устранить рыскание гондолы,

имеются опеи*йльНые демпфирующие системы. Устройство для ориентирова­ния служит не? ТОЛЬКО для того, чтобы совмещать ось вращения ветротурбины с направление^ потока. Иногда оно выполняет противоположное действие —■ выводит ветр^,ш, есо ИЗ_П°Д ветра. Такой способ служит для регулирования скорости Врдцшия лопастей либо для прекращения работы ветроэнергетиче­ской установи»вообще.

Кроме „писанных, ветроустановки обязательно имеют тормозную систе­му. Она tocTo'*1 ш дискового тормоза на высокооборотной стороне и тормоз­ных КЛЄІЦЄЙ' наличии поворотных лопастей в момент торможения они поворач>тва|0т1Я так, чтобы значительно снизить скорость вращения, затем включаемся тоРчозная система для полной остановки ветротурбины. Тормоз­ные клецди удерживают ветроколесо при штормовых ветрах и при необходи­мости ре^окті»1* обслуживания.

СовЬемеН^е ветроустановки оборудуются автоматическими системами пуска и сзстане*ки’ измерения параметров ветра, дистанционного управления, сигнализации " измерения. Они работают совместно с микропроцессорами и персональним" компьютерами.