CC BY
38
ВД. БЕЛИЦКИЙ, В Л. ЛАНШАКОВ
Омский государственный институт сервиса, Омский государственный технический университет
УДК 621.548
К ВОПРОСУ О ВЫБОРЕ СХЕМЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
В ДАННОЙ СТАТЬЕ ПРОВЕДЕН АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ И АГРЕГАТОВ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК, ДАНЫ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ СХЕМЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ; ПРЕДЛОЖЕН НОВЫЙ СПОСОБ ПЕРЕДА ЧИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ВЕТРОКОЛЕСА К РАБОЧЕЙ МАШИНЕ.
В настоящее время в связи с ростом энергопотребления в мире и ростом цен на электрическую энергию проблема использования энергии ветра вновь становится актуальной.
Создание современного ветроагрегата конкурентоспособного в существующей системе энергоснабжения, с высоким уровнем надежности и ресурса, возможно лишь при условии использования новейших технологий и последних достижений в области аэродинамики и материаловедения.
Принципиальная схема ветроэнергетической установки (ВЭУ) определяется ее назначением, типом ветроколе-са, характеристикой рабочей машины и особенностями привода. При этом должны быть учтены также способности исполнительного органа и агрегата в целом работать при постоянно изменяющейся скорости, влияние нестационарности и динамических процессов, происходящих в ветровом потоке и т.д.
Только с учетом названных факторов можно добиться оптимальных характеристик ветроагрегата, его высокой надежности и эффективности.
Поэтому выбор схемы и ее кинематических элементов является одним из главнейших этапов создания установки.
Структурная схема ветроэнергетической установки включает в себя следующие основные части: ветроколе-со (ветродвигатель), головку агрегата, систему ориентации и регулирования частоты вращения ветроколеса, трансмиссию (привод), рабочую машину и башню.
В настоящее время известно много различных схем ветродвигателей с крыльчатыми (пропеллерными) ветро-колесами (ВК) и горизонтальной осью вращения, и роторными ВК с вертикальной осью вращения.
При выборе схемы ветродвигателя необходимо учитывать аэродинамические характеристики ветроколеса и нагрузочные характеристики рабочих машин Так, для привода тихоходной рабочей машины, имеющей большой начальный момент сопротивления, лучше использовать многолопастное ветроколесо. Для привода генератора, имеющего большую частоту вращения, малый начальный момент сопротивлений и плавное его нарастание, эффективнее использовать быстроходное колесо. При этом надо иметь в виду, что коэффициент использования энергии ветра у быстроходных колес выше, чем у тихоходных.
Рис. 1. Зависимости коэффициента использования энергии ветра С, от быстроходности ветроколеса 2:1,2 и 3 - двух-, трех- и многолопастные крыльчатые колеса, 4 - роторное ветроколесо.
Зависимости коэффициента использования энергии ветра С,, от быстроходности 7. для различных типов ветро-колес приведены на рис. 1 [1]. где быстроходность 2 есть отношение скорости движения конца лопасти к скорости ветрового потока.
Изменение относительного момента М, развиваемого ветрокопесом в зависимости от быстроходности Т, представлено на рис. 2 [2].
""1
Ч !
■4......Ц-
ч ■
I •
Рис.2. Характеристики ветроколес различной быстроходности
1 -двухлопастного,
2 - трехлопастного, 3- шестилопастного.
Для ветроагрегатов малой мощности предпочтительна более универсальная схема среднескоростного трехлопастного ветродвигателя пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения. Такие ветродвигатели обладают рядом преимуществ по сравнению с роторными: имеют бопее высокое значение коэффициента использования энергии ветра (^ = 0,3В 0,46) и постоянные условия обтекания лопастей воздушным потоком, не изменяющиеся при повороте ветроколеса, а определяемые только скоростью ветра.
Ветродвигатель наиболее эффективно работает, когда скорость ветра направлена перпендикулярно к плоскости вращения ветроколеса. Поэтому головка ветродвигателя должна поворачиваться так, чтобы ветроколесо все время стояло против ветра. Таким образом, возникает необходимость тем или иным способом заставить ветроколесо следовать за всеми изменениями направления ветра.
Существуют следующие основные способы автоматической установки ветроколеса на ветер:
1) с помощью хвостового оперения, действующего аналогично флюгеру,
2) виндрозами, действующими на поворотную часть ветроколеса,
3) расположением ветроколеса позади башни.
Проведенный нами анализ существующих способов
ориентации ветроколес показывает, что при выборе схемы установки ветроколеса на ветер для ветроэнергетических установок малой мощности предпочтение следует^
; отдавать схеме установки с помощью хвостового оперения.
При изменении направления ветра, на поверхности хвостового оперения возникает боковая сила, которая поворачивает его вместе с головкой ветродвигателя около вертикальной оси до тех пор, пока хвост не станет параллельно, а плоскость вращения колеса - перпендикулярно направлению ветра.
Хвостовое оперение быстро воспринимает все изменения направления ветра и удерживает ветроколесо под прямым воздействием воздушного потока, когда эффективность работы его максимальная.
Несмотря на имеющиеся недостатки, связанные с возникновением гироскопических моментов на колесе, данный способ отличается простотой конструкции, надежностью, долговечностью, удобством обслуживания и низкой стоимостью.
Постоянное изменение скорости ветра приводит к изменению числа оборотов и мощности развиваемой ветро-колесом. Вместе с тем, некоторые рабочие машины, подключаемые к ветродвигателю, требуют определенной мощности и скорости вращения, которые должны оставаться приблизительно постоянными в течение всего времени работы этих машин.
Чтобы предохранить ветродвигатель от перегрузок и ограничить в заданных пределах частоту вращения колеса, применяют системы автоматического регулирования. В конечном счете, регулирование сводится к уменьшению подъемной силы на лопастях и момента аэродинамических сил на ветроколесе.
Известны два основных способа регулирования:
1) изменением положения в потоке всего ветроколеса (выводом его из-под ветра);
2) поворотом лопастей (или их концевых частей) на соответствующие углы атаки.
Другие способы регулирования с помощью торцевых клапанов, воздушных тормозов и др. устройств применяются реже. Регулирование поворотом лопасти обычно применяют в быстроходных ветродвигателях средней и большой мощности. Такой способ регулирования связан с усложнением конструкции ветродвигателя, а следовательно, и значительным удорожанием его.
Для малой и средней быстроходности ветроагрегатов малой мощности, используемых в фермерских хозяйствах, на дачных участках и т. п. целесообразнее применять регулирование путем вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана.
Этот способ основан на том, что при косом набегании ветра на ветроколесо, через него проходит меньшее количество воздуха, что позволяет ограничивать мощность ветродвигателя.
При скоростях ветра выше расчетных плоскость вращения колеса поворачивается относительно вектора скорости потока и при скорости больше максимальной рабочей располагается в плоскости действия потока. Момент аэродинамических сип при этом становится равным нулю и ветроагрегат останавливается. Поворот колеса относительно набегающего потока при этом осуществляется за счет аэродинамических сил, возникающих на боковом плане, расположенном за ветроколесом.
Преимуществом такого способа регулирования является простота конструкции, высокая чувствительность, наличие в системе аэродинамического демпфирования, что облегчает создание динамически устойчивых регуляторов. Система является гибкой, ее легко настроить на различные режимы работы.
При создании ветроэнергетических установок одной из проблем является передача механической энергии в ветродвигателях. Превращение энергии ветра в электрическую чаще всего осуществляется наверху ветроуста-новки, когда генератор устанавливается в непосредствен-
ной близости от ветроколеса. Это приводит к утяжелению верхней части установки, затрудняет обслуживание генератора, усложняет конструкцию механического привода рабочих машин.
Передача механической энергии вниз и превращение ее в электрическую на поверхности земли значительно упрощает задачу. Однако такая передача энергии при сравнительно больших частотах вращения (400 х 600 об/мин) затруднительна, т к вертикальный вал, передающий момент сверху вниз, должен быть тщательно сбалансирован иметь несколько промежуточных подшипников и не реагировать на постоянное раскачивание мачты.
Эти проблемы частично решают, уменьшив число оборотов вертикального вала за счет конического редуктора, установленного наверху, а внизу с помощью мультипликатора, увеличив обороты до нужного значения. Однако это приводит к существенному снижению КПД установки.
Мы предлагаем для передачи вращательного момента от ветродвигателя к рабочей машине, расположенной внизу, использовать гвдравлическую передачу. При этом с валом ветроколеса соединяется вал гидронасоса объемного действия, а внизу на платформе монтируется гидромотор с приводом на любой исполнительный механизм. Гидропередача не имеет вращающихся частей, обеспечивает требуемое передаточное отношение между входным и выходным звеньями системы.
Поскольку частота вращения ветроколеса не превышает обычно 600 об/мин, а частота вращения рабочих машин (генератор, центробежный насос и т.п.) часто значительно выше, то гидропередача может выполнять роль мультипликатора, т.е. увеличивать число оборотов выходного эвена. Это можно обеспечить подбором гидромотора, рабочий объем которого меньше рабочего объема насоса. А вентиль, установленный в напорную или сливную магистраль, можно использовать как для регулирования частоты вращения ветродвигателя, так и для его полного останова.
Полученные в данной работе результаты, данные рекомендации и предложения помогут выбрать оптимальный вариант при проектировании установокдля использования энергии ветра как одного из наиболее экологически чистого, возобновляемого источника энергии.
Выводы
1 Схема ветроэнергетической установки определяется ее назначением, типом ветроколеса, характеристикой рабочей машины и особенностями привода.
2. Для создания простых, надежных и дешевых ветроагрегатов малой мощности, используемых на дачных участках, в фермерских хозяйствах и т.п. наиболее предпочтительны универсальная схема трехлопастного ветродвигателя с горизонтальной осью вращения, для ориентации ветроколеса на ветер схема установки с помощью хвостового оперения, а для регулирования частоты вращения и мощности - схема вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана.
3. Для передачи вращательного момента от ветроколеса к рабочей машине предложена гидравлическая передача, обладающая рядом преимуществ по сравнению с механической и электрической передачами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зубарев В.В., Минин В.А. и др. Использование энергии ветра в районах Севера. Л.: Наука, 1989.
2. Шефтер Я.И. Ветроэнергетические агрегаты. М.: Машиностроение, 1972.
БЕЛИЦКИЙ Виктор Дмитриевич - кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой Омского государственного института сервиса.
ЛАНШАКОВ Владимир Лазаревич - кандидат технических наук, доцент ОмГТУ.
