CC BY
15ЭНЕРГОУСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ
УДК 621.311.245
МНОГОАГРЕГАТНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РАЙОНОВ
С НИЗКИМ ВЕТРОВЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ
С.С. Доржиев, Е.Г. Базарова, В.В. Пилипков, М.И. Розенблюм ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Россия
Аннотация. В большей части территории России наблюдаются низкие среднепериодические скорости ветра. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) рассчитаны на узкий диапазон скоростей ветра. Для повышения эффективности работы ВЭУ в расширенном диапазоне скоростей ветра предлагается совместить ВЭУ с разными параметрами с генератором с помощью аддитивного гидравлического блока. Скорость ветра является нерегулярной, поэтому необходимость аккумулирования энергии приобретает все большее значение. Предлагается добавить в конструкцию ВПУ с классической схемой промежуточное звено в виде гидромодуля, состоящего из гидронасосов, гидросумматора, гидрогенератора и гидроаккумулятора. В данной работе представлены результаты исследования работы ветроэнергетических установок с разными параметрами, обоснована перспективность использования многоагрегатной ветроэнергетической установки для повышения эффективности использования энергии ветра для районов с низким ветровым потенциалом. Проведены вычисления аккумулирования излишков энергии. Мощность на выходе генератораМАВЭУ при скоростях ветра 4-5 м/с более чем в 2 раза больше, чем в ВЭУ с отдельными генераторами, при скоростях ветра до 7 м/с мощность многоагрегатной ВЭУ примерно в 2-3 раза больше, чем сумма мощностей отдельных ВЭУ.
Ключевые слова: возобновляемая энергетика, ветроэнергетика, ветрогенератор, ветроэлектростанции малой мощности, гидроаккумулятор, потери мощности, характеристики ветра, аддитивный блок.
Введение. В сельском хозяйстве имеется много рассредоточенных объектов, удаленных от линий электропередач мощностью от 1 до 10 кВт (водопойные пункты на пастбищах отгонного животноводства в засушливых районах, отдаленные фермы, пастбища, небольшие орошаемые участки овощных культур, установки для осушения и дренажа и т.п.). Централизованное питание этих объектов электрической энергией от сетей нерентабельно. Существующие ветроэнергетические станции мощностью до 20 кВт эффективно работают при среднепериодических скоростях ветра 6,5-7 м/с, т.к. ветроприемные устройства (ВПУ) рассчитаны на узкий диапазон скоростей ветра. Большая часть территории России находится в местах со среднепериодическими скоростями ветра менее 4-5 м/с [1]. В связи с этим, разработка устройств, работающих на низкопотенциальной энергии ветра, актуальна.
Для разработки модуля энергоснабжения необходимо расширить диапазон используемых скоростей ветра, т.к. около 80% времени скорость ветра составляет менее 5м/с.
Материалы и методы.
При моделировании ветровой станции необходимо в первую очередь оценить потенциал ветровой энергии. Основной характеристикой потенциала ветровой энергии является среднегодовая скорость ветра. Разложение спектра скоростей ветра с использованием распределения Вейбулла или Рэлея позволяет оценить потенциал каждой отдельной скорости [2].
Особое внимание следует уделить тому, что ветровая энергия преобразуется в механическую с переменной эффективностью по скоростям ветра. Из-за этого возникает проблема выбора ветроколеса, которое по своей характеристике должно подходить к ветровому спектру конкретного региона.
Сведения о максимальных скоростях ветра являются важной составной частью ветроэнергетического кадастра. Они необходимы для выполнения расчетов на прочность отдельных узлов и элементов ВЭУ (башни, лопастей, устройств ориентации на ветер и др.). Определение максимальной скорости базируется на результатах наблюдений за прошлое время и представляет собой по сути прогноз на будущее. В прикладной климатологии о максимальной скорости ветра принято говорить как о скорости, возможной один раз в заданное число лет [3].
Скорость ветра является нерегулярной, поэтому необходимость аккумулирования энергии приобретает все большее значение. Наряду с электрохимическим аккумулированием, которое является относительно дорогостоящим, уже существуют предложения, осуществлять аккумулирование энергии в виде механической энергии, например, в так называемых гидроаккумулирующих электростанциях или пневмоаккумулирующих электростанциях. Пневмоаккумулирующие электростанции имеют относительно низкие коэффициенты полезного действия и таким образом незначительную энергетическую эффективность.
Для выравнивания непостоянной во времени энергии ветра можно использовать следующие виды аккумулирования:
□ гидравлическое;
О пневматическое;
□ кинетическое;
□ электролитическое;
□ тепловое;
□ теплохимическое;
□ электромеханическое;
При гидравлическом аккумулировании аккумулирование энергии происходит за счет подъема воды в насосном режиме с помощью ветрового двигателя, соединенного с водоподъемным устройством через редуктор, из нижнего аккумулирующего бассейна в верхний, срабатывание ее затем в турбинном режиме в часы пика нагрузки [4].
Предлагается добавить в конструкцию ВЭУ с классической схемой промежуточное звено в виде гидромодуля, состоящего из гидронасосов, гидросумматора, гидрогенератора и гидроаккумулятора, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - Лабораторный стенд гидромодуля: 1, 2, 3 - входы для ВПУ, 4- гидронасосы, 5 -
гидроаккумулятор, 6 - гидромотор. Обеспечение максимальной выработки А^ энергии при работе ветроагрегата происходит с максимальной КИЭВ. Максимальный КИЭВ обеспечивается при условии 2=2 Н=const. Z и Zн соответственно текущая и нормальная быстроходность ветроприемного устройства ВПУ[5].
Приближенная формула для определения мощности ветроагрегата при идеальной
о2Шгн
нагрузке Рп
2080
V6 [5], Б- диаметр ВПУ, Мн - нормальный момент, V - скорость
которой развивается номинальная мощность
ветра. Минимальная скорость ветра, при назывется расчетной скоростью ветра - Vp.
В режимах V>Vp мощность ветроагрегата резко снижается. Нижний предел скорости, при которой еще возможна производительная работа, называется минимальной скоростью ветра V min.
Из формулы быстроходности Z = ^ видно, что при изменении скорости ветра
меняется и быстроходность. Для обеспечения максимального КИЭВ при разных скоростях ветра V обеспечиваем постоянный Z, меняя скорость вращения mR. Генератор выдает номинальную мощность при расчетном числе оборотов. Поэтому при скоростях ветра больше установленной быстроходность уменьшается, т.к. число оборотов необходимо сохранять в пределах установленного значения, соответственно угловая скорость тоже остается постоянной, а угол атаки меняется. И т.к. наилучший режим работы крыльчатого ветродвигателя будет только при определенных углах атаки, мощность постепенно уменьшается.
Ветроприемные устройства рассчитаны на узкий диапазон скоростей ветра.
Для того, чтобы быстроходный ветрогенератор вырабатывал условный киловатт электроэнергии с расчетным числом оборотов 450-500 об/мин. с максимальным КИЭВ, необходимо, чтобы расчетная скорость ветра составляла 9-11 м/с. Т.к. большая часть территории РФ находится в зоне со среднепериодическими скоростями ветра менее 5 м/с, наиболее эффективны быстроходные ВЭУ работают примерно 200-300 часов в году.
Важным показателем, характеризующим ветер с энергетической стороны, является его повторяемость. Достаточно пристальное внимание повторяемости уделяется в работах М.М. Поморцева, Гуллена и Г.А. Гриневич. Эти исследователи, применяя метод математической статистики к отысканию зависимостей для выравнивания распределений повторяемости скоростей ветра, дали уравнения к выравниванию эмпирических распределений, которые, будучи построены применительно к режиму ветра того или иного
района, отличаются друг от друга основными статистическими характеристиками данного распределения [6].
Таким образом, при скоростях ветра меньше расчетной, ВПУ вращается медленнее, КПД генератора падает. В таблице 1 представлены характеристики ветрогенераторов с разными параметрами ВПУ при разных скоростях ветра. Т.е. при скорости ветра 4м/с, характерный для рассматриваемой зоны 1500 ч в год, число оборотов составляет порядка 180 об/мин, что составляет всего 40% из необходимых 450 об/мин.
При скоростях ветра больше установленной скорости ветра мощность падает из-за изменения быстроходности и, соответственно, КИЭВ, при сохранении номинального числа оборотов.
Для разработки модуля энергоснабжения необходимо расширить диапазон используемых скоростей ветра, т.к. около 80% времени скорость ветра составляет менее 5 м/с.
Результаты и обсуждение.
Для повышения эффективности работы ВЭУ в расширенном диапазоне скоростей ветра ведутся разработки в области регулирования лопастей, частоты вращения ветроколеса [7]. Однако механические системы управления частотой вращения ветроколеса сложны и дороги. Также возможно управлять частотой вращения ветроколеса изменением нагрузки генератора. Но использование редукторов (мультипликаторов) ведет к удорожанию ветроэнергетической установки и снижению ее надежности. Возможно применение прямоприводных тихоходных многополюсных генераторов. Но они громоздки и отличаются высоким расходом материалов и массой [8].
В настоящее время выполняется разработка многоагрегатной ВЭУ, работающей в аддитивном режиме в условиях дефицита мощности одного из ВПУ. Рассматривается возможность совместить ВПУ с разными параметрами с генератором с помощью аддитивного блока. Предлагается повысить эффективность выработки электроэнергии ветроагрегатом при скоростях ветра до 7 м/с с помощью многоагрегатной модульной ветроэнергетической установки (ВЭУ), состоящей из нескольких ВПУ с разными параметрами.
Рисунок 2- Экспериментальная установка на ветрополигоне в Истринском районе
Московской обл.
На ветрополигоне ФГБНУ Федеральный агроинженерный центр "ВИМ" в г. Истра Московской области проводились исследования работы ВЭУ разных параметров. Наблюдения велись за работой 3-, 6-, 9-лопастных горизонтально-осевых и 6-лопастной вертикально-осевой ВЭУ с диаметрами ветроколес 2, 3, 3.9, 4.15 м соответственно, с
номинальной мощностью генератора 1кВт. Фиксировали одновременно вырабатываемую ВЭУ мощность на валу генератора и число оборотов ветроприемного устройства (ВПУ) в зависимости от скорости ветра. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты расчетов Р, М, п для ВПУ с разными параметрами при скоростях ветра от 4 до 14 м/с.
3 - лопастной ГО 6 -лопастной ГО 9-лопастной ГО 6 -лопастной ВО
D, м 2,15 3,41 5,67 6,94
Z 5 4 1 0,6
КИЭВ 0,45 0,35 0,3 0,2
V, м/с Р, кВт М, кгм п, об/м ин Р, кВт М, кгм п, об/м ин Р, кВт М, кгм п, об/ мин Р, кВт М, кгм п, об/м ин Р , Вт МАВЭУ !Р , Вт ВЭУ
4 0,064 3,582 178 0,125 14,587 85 0,296 182,115 16 0,296 446,204 7 0,696 0,235
5 0,125 5,597 222 0,244 22,793 107 0,579 284,555 20 0,579 697,193 8 1,359 0,458
6 0,216 8,060 267 0,422 32,822 128 1,000 409,759 24 1,000 1003,958 10 2,348 0,792
7 0,343 10,970 311 0,670 44,674 149 1,588 669,273 24 1,350 1393,829 10 3,517 3,517
8 0,512 14,328 356 1,000 58,349 170 2,134 874,152 24 1,541 1392,156 10 4,616 4,616
9 0,729 18,134 400 1,424 70,557 200 2,250 921,957 24 1,519 1355,344 10 5,271 5,271
10 1,000 22,388 444 1,674 83,148 200 2,315 956,104 24 4,441 4,441
11 1,213 26,788 450 1,634 80,248 200 2,054 914,491 24 4,362 4,362
12 1,344 29,373 450 1,196 1,196
13 1,367 29,428 450 1,217 1,217
14 1,220 26,816 450 1,085 1,085
Полученные данные сгруппированы по показателям скорости ветра от 4 до 14 м/с, проведена счетная обработка данных по группам - найдены среднегодовые значения вырабатываемых мощностей.
Используя полученные данные, проведены расчеты мощности многоагрегатной ветроэнергетической установки (МАВЭУ).
Мощность на выходе из ветроколеса Р [Вт] рассчитываем по формуле 1:
рр2Б
р =
где - коэффициент использования энергии ветра; р - плотность воздуха 1,225 кг/м3; Б -ометаемая площадь ветроколеса, м2; V - скорость ветра, м/с.
пИ2 5 = —
где Б -диаметр ветроколеса, м.
Мощность на выходе из генератора Р г (Вт):
Рг = Р х Лг
где Р - мощность на выходе из ветроколеса, Вт; Пг - КПД генератора, %.
Мощность на выходе из генератора многоагрегатной ВЭУ Р м(Вт):
Рм = х Лги х Лги х Л г
где Р - мощность на выходе из ветроколеса, Вт;
Пг - КПД генератора, %; Пгн - КПД гидронасоса, %; Пгм - КПД гидромотора, %.
Число оборотов ветроколеса п [об/мин] рассчитываем по формуле:
ргбо
где Ъ - коэффициент быстроходности ветроколеса;
Я -радиус ветроколеса, м2;
V - скорость ветра, м/с.
Наряду с этим проведены расчеты часов работы в году МАВЭУ и отдельных ВЭУ на полную мощность, т.е. вырабатывать 1кВт электроэнергии. Известно, что в году 8760ч., при среднепериодической скорости ветра 4м/с, в Истринском районе Московской области, где проводились испытания, согласно таблице повторяемости ветров М. М. Поморцева [9] 5062 ч. в году скорость ветра меньше 5 м/с, 1445ч. скорость ветра равна 5 м/с, 1070ч. скорость ветра равна 6 м/с, 640ч - 7м/с, 315ч. - 8 м/с, 152ч. - 9м/с, 52ч. -10 м/с и в течение 26ч. в году скорость ветра равна 11м/с.
Проведены вычисления аккумулирования излишков энергии. В случае МАВЭУ аккумулирование гидравлическое, механическая энергия вращения ветроколеса преобразует гидравлическую энергию жидкости с помощью гидронасосов в гидрогенератор, где происходит суммирование энергий с нескольких ВЭУ, излишки энергии сохраняются в гидрогенераторе. Накопление и хранение излишков энергии ветроэнергетических установок с отдельными генераторами, электрическое, с помощью аккумуляторных батарей.
Потери МАВЭУ равны 15%, 5% на гидроузле и 10% на генераторе, т.к. на генератор передается суммированная в аддитивном блоке энергия. До 6 м/с генератор МАВЭУ также не работает на полную мощность, поэтому КПД принят 70-80%. На выходе генератора, в случае МАВЭУ, при скоростях ветра 4-5 м/с мощности хотя и не доходят до номинального значения, однако более чем в 2 раза больше, чем в ВЭУ с отдельными генераторами, при скоростях ветра до 7 м/с мощность многоагрегатной ВЭУ примерно в 2-3 раза больше, чем сумма мощностей отдельных ВЭУ.
Заключение.
По итогам выполненного исследования можно сделать следующие выводы:
1. Сравнения КПД преобразования энергии ветра отдельных ветроустановок и многоагрегатной ветроустановки, работающих в режиме дефицита мощности, показывает, что при скоростях ветра 4-6 м/с эффективность многоагрегатной ветроэнергетической установки выше, чем общая эффективность отдельных ветроэнергетических установок, работающих на собственные генераторы.
2. Многоагрегатная ВЭС, имеющая несколько ветроприемных устройств с разными параметрами, которые рассчитаны на разный диапазон скоростей ветра, с гидравлическим блоком аккумулирования ветровой энергии для бесперебойной работы ветроэнергетической станции в районах со среднепериодическими скоростями ветра 4-5 м/с, позволит в разы увеличить годовую выработку энергии.
Список использованных источников:
1. Старков А. Н., Ландберг Л., Безруких П. П., Борисенко М. М. Атлас ветров России. - М.: РДИЭЭ -Рисо. - 2000. - 551 с.
2. Андрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К.П. Ветроэлектрические станции. М.: Государственное энергетическое издательство, 1960.
3. Гриневич Г. А. Основы энергетических характеристик режима ветра // Сб. «Методы разработки ветроэнергетического кадастра». - М.: Изд. АН СССР, 1963.
4. Гавриленко Б.А., Рымаренко Л.И., Семичастнов И.Ф. и др. Гидродинамические передачи: проектирование, изготовление, эксплуатация. - М.: Машиностроение. - 1980. -224с.
5. Фатеев Е.М.. Ветродвигатели и ветроустановки/ Е. М. Фатеев. - М.: ОГИЗ. - 1947. -
539 с.
6. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках/Я.И. Шефтер. - М.: Издательство министерства сельского хозяйства СССР, 1957.
7. Безруких П.П., Безруких П.П. (младший). Ветроэнергетика. Вымыслы и факты. Ответы на 100 вопросов. - М.: Институт устойчивого развития Общественной палаты Российской Федерации. — Центр экологической политики России, 2011. — 74 с.
8. Харитонов В.П. Основы ветроэнергетики. - М.: ГНУ ВИЭСХ, - 2010. -340 с.
9. Поморцев М. М. О законе распределения скоростей ветра : Геогр. распределение силы ветра. — СПб. : тип. Мор. м-ва, 1894. — 56 с.
Доржиев Сергей Содномович, кандидат технических наук, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центрВИМ», +79257722933, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: dss.61@mail.ru.
Базарова Елена Геннадьевна, кандидат технических наук, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», +79253463747, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: bazelgen08@mail.ru
Пилипков Владислав Владимирович, магистрант, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: pilipkov2014@yandex.ru
Розенблюм Мария Игоревна, аспирант, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», +79773147074, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: Maryrozenblum@mail.ru
MULTI-UNIT WIND POWER PLANT FOR AREAS WITH LOW WIND POTENTIAL
Abstract. In most of the territory of Russia, low average periodic wind speeds are observed. Wind power plants (WPP) are designed for a narrow range of wind speeds. To increase the efficiency of the wind turbine in an extended range of wind speeds, it is proposed to combine a wind turbine with different parameters with a generator using an additive hydraulic unit. The wind speed is irregular, so the need for energy storage is gaining in importance. It is proposed to add an intermediate link in the form of a hydraulic module, consisting of hydraulic pumps, a hydraulic
accumulator, a hydrogenerator and a hydraulic accumulator, to the design of a wind turbine with a classical scheme. This paper presents the results of a study of the operation of wind power plants with different parameters, substantiates the prospect of using a multi-unit wind power plant to increase the efficiency of wind energy use for areas with low wind potential. Calculations of the accumulation of surplus energy are carried out. The output power of the MAVEU generator at wind speeds of 4-5 m / s is more than 2 times higher than in a wind turbine with separate generators, at wind speeds up to 7 m / s, the power of a multi-unit wind turbine is approximately 2-3 times greater than the sum of the powers separate wind turbines.
Keywords: renewable energy, wind energy, wind generator, low power wind power plants, hydroaccumulator, power losses, wind characteristics, additive unit.
Sergei Dorzhiev, PhD in Engineering, Associate Professor, Head of the Laboratory for Electricity and Heat Supply, Moscow, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, + 79257722933, 109428, Moscow, 1st Institutskyproezd, 5, e-mail: dss.61@mail.ru.
Elena Bazarova, PhD in Engineering, Moscow, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, +79253463747, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: bazelgen08@mail.ru
Vladislav Pilipkov, undergraduate, Russia, Moscow, Federal scientific Agroengineering center VIM, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: pilipkov2014@yandex.ru
Maria Rosenblum, PhD in Engineering, Senior Researcher at the Laboratory for Electricity and Heat Supply, Moscow, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, +79773147074, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: Maryrozenblum@,mail. ru
