ИДЕОЛОГИЯ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ (ВЭУ): ОСЬ ВРАЩЕНИЯ - ВЕРТИКАЛЬНАЯ, ЛОПАСТИ - УПРАВЛЯЕМЫЕ

15.04.09

ИДЕОЛОГИЯ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ (ВЭУ): ОСЬ ВРАЩЕНИЯ - ВЕРТИКАЛЬНАЯ, ЛОПАСТИ - УПРАВЛЯЕМЫЕ

То, что будущее энергетики лежит в использовании возобновляемых источниках энергии, понимает сегодня любой думающий специалист.

Возобновляемые источники энергии – это энергия Солнца, превращение которой в электричество с высоким КПД пока промышленностью не освоено и энергия тепла Земли, превращение которой в электричество так же пока ещё проблематично.

Однако есть два вторичных возобновляемых источника энергии, создаваемых Солнцем – энергия воды и энергия ветра. И если энергия крупных ГЭС в настоящее время уже существенно влияет на энергетику многих стран (например, в Бразилии уже более 80% электроэнергии даёт гидроэнергетика), то ветроэнергетика развита только в нескольких странах, (например, в Германии, Дании, Испании до 20% электроэнергии дают ВЭУ). Россия, обладающая огромными ветроресурсами в ряде своих территорий, находится на начальном этапе внедрения ВЭУ.

В чем же основные причины такого состояния ветроэнергетики в мире? Их две. Во-первых, доступность традиционной энергетики (газ, нефть, уголь). Во-вторых, отсутствие на сегодняшний день простой и надёжной конструкции ВЭУ, преобразующей энергию ветра в электроэнергию.

Применяемые в настоящее время ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветротурбины хорошо технически отработаны (используя опыт авиационной техники), имеют достаточно высокий КПД, но довольно сложны конструктивно и имеют ряд существенных недостатков. Дело в том, что ветер часто меняет не только свою скорость, но и направление. Поэтому все ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения имеют специальный механизм, обеспечивающий постоянный поиск направления ветра и установку вдоль его направления оси вращения ветротурбины. Наличие такого механизма резко усложняет ВЭУ. Кроме того, при работе ВЭУ в плоскости вращения рабочих лопастей возникает низкочастотный шум (инфразвук широкого спектра), отрицательно влияющий как на животный, так и на растительный мир и являющийся вредным, а нередко и опасным, для человека.

Альтернативой ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветротурбины могут стать ВЭУ с вертикальной осью вращения. Им безразлично направление ветра, поэтому можно создать простую в производстве и эксплуатации конструкцию, не требующей механизма поиска направления ветра. Введение механизма поворота лопастей в положение «флюгер», устранит возможность их поломки от сильных порывов ветра. А после определённого объёма экспериментально-доводочных работ по определению оптимальных геометрических размеров рабочих лопастей возможно создание бесшумных ветрогенераторов с высоким КПД. Однако на сегодняшний день данные о проведении серьёзных исследований в этой области в России отсутствуют.

Какие конкретные организационные мероприятия можно предложить для решения этой проблемы? Очевидно, что частные инвестиции этот вопрос, видимо, не решат – ввиду длительного времени окупаемости (~ 3…5 лет). Поэтому нужна целевая государственная инновационная Программа. Например, можно создать в России специальный технический центр для разработки и внедрения в эксплуатацию трёх классов ВЭУ с вертикальной осью вращения:

1 класс (лёгкий) – ВЭУ мощностью ~ 10 кВт. для установки в коттеджах и на крышах 9…12-этажных зданий.

2 класс (средний) – ВЭУ мощностью ~ 100 кВт для небольших поселений.

3 класс (тяжелый) – ВЭУ мощностью ~1000 кВт для работы в промышленной сети 220/380 В.

Каково возможное конструктивное лицо этих ВЭУ? Технические характеристики их основных элементов (рабочих лопастей, ротора, генератора, блока управления, мачты) следующие:

Рабочие лопасти воспринимают энергию ветропотока. Их форма и геометрические размеры определяют как КПД установки, так и её экологические характеристики (шум). И если они для ВЭУ с горизонтальной осью вращения отрабатывались десятилетиями и достигли высоких параметров, то для ВЭУ с вертикальной осью вращения их оптимальные характеристики пока неизвестны. Для обеспечения возможности их перевода при скорости ветра ≥20 м/сек, в положение «флюгер», они должны быть управляемы. С этой целью конструкция снабжена специальным механизмом поворота лопастей, работающим в автоматическом режиме. Лёгкость поворота обеспечивает индивидуальный магнитный подвес каждой лопасти. Конструкция механизма поворота защищена Патентом РФ.

Для определения формы, геометрических размеров рабочих лопастей и доводки механизма их поворота, необходимо выполнить серьёзный объём НИР и ОКР.

Определяющим параметром рабочих лопастей является их высота (см. Таблицу 1).

Ротор ветротурбины передаёт крутящий момент от рабочих лопастей на ротор генератора. Он состоит из трёх частей: центральной опоры, траверс и опор управляемых лопастей.

Центральная опора вращается относительно неподвижной центральной оси ветрогенератора на радиальных подшипниках и имеет магнитный подвес. На наружном ободе центральной опоры крепится ротор генератора и траверсы.

Опоры лопастей крепятся к траверсам, содержат индивидуальный магнитный подвес каждой лопасти и механизм их поворота и обеспечивают вращение лопастей вокруг вертикальной оси на радиальных подшипниках.

Траверса обеспечивает силовую связь между центральной опорой и опорой лопасти. Конструктивно наиболее оптимальное решение – стальная коническая труба. Определяющим параметром размера траверсы является радиус вращения рабочих лопастей (см. Таблицу 1).

Генератор превращает механическую энергию вращения ротора ВЭУ в электрическую. Конструктивно он выполнен из двух частей: ротора генератора, который крепится к ротору ВЭУи статора генератора, который крепится к верхней части мачты.

Основные технические характеристики:

  • генератор не имеет своего вала;
  • система возбуждения ротора – на постоянных магнитах из редкоземельных материалов;
  • катушки статора – без стальных сердечников для исключения «зубцового» эффекта;
  • КПД генератора не менее 0,95.

Блок управления обеспечивает обработку вырабатываемой генератором электроэнергии и передачу её потребителю. Он позволяет работать ВЭУ в единой сети с другими ВЭУ, солнечными батареями, дизель-генераторами или в сети 220В/380В. Режимы работы блока управления различаются в зависимости от класса ВЭУ (см. Таблицу 1).

Мачта, на вершине которой устанавливается ротор ВЭУ с рабочими лопастями и генератором, имеет следующие конструктивные решения:

Для ВЭУ 1 класса: стальная труба (набор труб) на растяжках.

Для ВЭУ 2 класса: стальная сварная ферма с небольшим помещением наверху, для удобства обслуживания.

Для ВЭУ 3 класса: железобетонная коническая труба с помещением цилиндрической формы наверху, для удобства обслуживания. Определяющим параметром мачты является её высота

Анализируя вышесказанное можно сделать следующие выводы:

  1. В настоящее время понятны определяющие технические решения основных элементов перспективной ВЭУ с вертикальной осью вращения, обеспечивающие ей преимущества перед ВЭУ с горизонтальной осью вращения. Их четыре:
    • оптимизация формы рабочей лопасти для обеспечения высокого КПД ветротурбины и снижение уровня шума (резервы есть).
    • введение механизма-автомата для поворота рабочей лопасти в положение «флюгер» при скорости ветра более 20 м/сек для уменьшения её «парусности» ~ в 8…10 раз.
    • введение магнитного подвеса для каждой рабочей лопасти и ротора в целом для увеличения механического КПД ветротурбины, надёжности и ресурса.
    • применение специального тихоходного генератора, ротор которого кинематически жестко связан с ротором ВЭУ (без использования в трансмиссии мультипликатора) для исключения необходимости в периодическом обслуживании.
  2. Производство и эксплуатация ветрогенератора с вертикальной осью вращения и управляемыми лопастями по сравнению с существующим производством и эксплуатацией ВЭУ с горизонтальной осью вращения и механизмом «буревой» защиты может значительно уменьшить сроки её окупаемости.
  3. При достаточной заинтересованности со стороны государства можно разработать, изготовить и начать промышленную эксплуатацию перспективных ВЭУ с вертикальной осью вращения в течение 3…5 лет.
  4. Учитывая географическое расположение нашей страны, огромные территории, богатые ветроресурсами, отечественная ветроэнергетика через 15…20 лет может стать серьёзным поставщиком электроэнергии в энергетику не только России, но и соседних с нами стран.

В заключении хочу выразить надежду на то, что XXI век станет веком полной победы возобновляемых источников энергии над традиционными в энергетике Земли.

Главный конструктор

ООО «ЭРГА Инжиниринг»

В.В.Пахалов

Новые производственные помещения
О компании
Советы магнитыша

Барабанные сепараторы серии СМБМ - оптимальное оборудование для предварительной очистки материалов от сильномагнитных включений перед их подачей на обогатительные валковые сепараторы серии СМВИ, предназначенные для извлечения из материалов слабомагнитных примесей. Попадание крупных сильномагнитных включений в валковые сепараторы с исключительно высокими характеристиками магнитного поля может послужить причиной возникновения аварийной ситуации, а попадание мелкого технологического железа может послужить причиной ускоренного износа транспортерных кевларовых лент.

Задать вопрос
Оставьте Ваши контактные данные, и мы свяжемся с Вами
Дополнительные сведения
Отрасль применения оборудования:
Продукт сепарации / детекции:
Нажимая на кнопку "Отправить", вы принимаете условия Cоглашения об использовании сайта
Жалобы и предложения