CC BY
36
УДК 502.174.3; 621.31
Модульная ветроэнергетическая установка c тихоходным генератором приземного
расположения
В. И. Велькин,
УрФУ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина,
кафедра атомных электростанций и возобновляемых источников энергии, доцент, кандидат технических наук
В. А. Дмитриевский,
ООО «ЭЛТЕХНО», УрФУ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина,
кафедра электротехники и электротехнологических систем, доцент, кандидат технических наук В. А. Прахт,
ООО «ЭЛТЕХНО», УрФУ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина,
кафедра электротехники и электротехнологических систем, доцент, кандидат технических наук Ю. А. Якимов,
научно-технический центр «Кардэя», директор А. И. Якимов,
компания «Прософт-системы», программист
Представлена инновационная конструкция ветроустановки с вертикальным ротором, нижним расположением привода и расчётными характеристиками тихоходного генератора на постоянных магнитах. Отличительные особенности установки - простота монтажа конструкции и возможность использования на территориях с низкопотенциальными ветрами (3-5 м/с).
Ключевые слова: ветроустановка, ветроэнергетика, энергоснабжение, генератор.
Для удалённых поселений, сельских местностей важнейшее значение имеет надёжность энергоснабжения. Во всем мире (и особенно в нашей стране, учитывая её территории) становится важным внедрение эффективных и доступных средств автономного энергоснабжения, в том числе на основе возобновляемых источников. Ветроэнергетика в России по масштабам и динамике развития существенно отстаёт от соответствующей отрасли в Европе, США, Китае и других странах. Среди основных причин, помимо наличия запасов углеводородов, - низкопотенциальный ветер (3-5 м/с) на значительных территориях страны и отсутствие оптимальной конструкции тихоходного генератора.
Инновационная ветроэнергоустановка (ВЭУ) роторно-лепесткового типа разработана в НТЦ «Кардэя» и смонтирована в 2010 г. [1]. Модуль ветро-колеса (рис. 1) содержит фрагмент 1 силовой колонны, на котором жёстко закреплены по меньшей мере три рассредоточенных по высоте подшипниковых узла 2 с горизонтальным двухконцевым валом, концы которого выходят на взаимно противоположные стороны силовой колонны, а на хвостовиках вала жёстко закреплена пара лепестков 3 и 4, ориентированных горизонтально, расположенных на противоположных сторонах фрагмента силовой колонны и развёрнутых один относительно другого на 90°
вокруг оси вала подшипникового узла 2. Цифрой 5 обозначен балластный груз. Вал 2 и закреплённые на нём лепестки 3 и 4 образуют жёсткую конструкцию, имеющую возможность свободного маятникового колебания вокруг своей оси в подшипниковом узле без пружин и ограничителей. Спаренные лопасти в модуле смещены одна относительно другой в горизонтальной плоскости на угол а, величина лепестков 3 и 4 должна быть сбалансирована относительно оси вращения силовой колонны [2].
Парус ^ 1- А —, Флюгер
__J
—- ■
3 Направление V вращения Т Кс У ^
Рис. 1. Модуль ветроколеса роторно-лепестковой ВЭУ
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / wmv.etidi.ru
№ 6(48) 2012, ноябрь-декабрь
Рис. 2. Модуль ветроколесароторно-лепестковой ВЭУ (вид сверху) при Ув=0
— 2
Спаренные лопасти
Высота ВЭУ - 20м
Высота модуля - 5м
Количество модулей - 3
Длина спаренной лопасти - 3,7 м
Сечение внешнего каркаса - 4х4 м
Главный тормоз
Расчетная мощность ВЭУ - 15-20 кВт при скорости ветра от 10 м/с Металлоемкость без машинного отделения - 7 т
Промежуточный полок
Фрагмент силовой колонны
Жесткая разъемная муфта
Опорный
подшипниковый узел
Боковая укосина
Фрагмент угловой стойки
Опорная мачта
Генераторная
о
Рис. 3. Фото ветроэнергетической установки роторно-лепесткового типа «Кардэя» по состоянию на ноябрь 2010 г. (восемь лепестковых пар)
Конструктивное исполнение ветроколеса (рис. 2, 3) обеспечивает ему следующие технические преимущества:
- открывается возможность практически неограниченного увеличения количества лопастей в ветро-колесе без создания помех для взаимодействия смежных лопастей с ветровым потоком;
- существенно увеличивается коэффициент заполнения Кз и, следовательно, возрастает коэффициент использования энергии ветра, а также повышается удельная парусность ВЭУ (отношение площади миделева сечения на парусной стороне ветро-колеса к общей массе ВЭУ);
- исключается необходимость принудительной ориентации ветроколеса на ветер.
По внешнему виду ВЭУ напоминает высоковольтную опору с горизонтальными промежуточными площадками, несущими модули ветроколеса, связанными между собой лестничными маршами
Рис. 4. Схема устройства роторно-лепестковой ВЭУ мощностью 15 кВт
(рис. 4). С увеличением количества лопастей увеличивается высота силовой колонны и её масса, что повышает нагрузку на опорный узел, имеющий свой предел прочности. Однако можно «разделить» силовую колонну на равные части (модули) с одинаковым количеством лопастей N на каждой из них, а на концах фрагментов установить элементы зубчатых муфт для последующего их соединения между собой в процессе монтажа ВЭУ.
Монтаж ВЭУ сведён к установке одного модуля на другой с последующим соединением элементов зубчатых муфт и жёстким креплением каркасов между собой. Мощность ВЭУ определяется количеством модулей. Существенным достоинством данной конструкции является размещение генератора на «нулевой» отметке, что снимает целый ряд ограничений (по массе, транспортировке, монтажу, техническому обслуживанию, прочности, ветро- и виброустойчивости башни). В связи с указанным обстоятельством значительно упрощается задача проектирования генератора на постоянных магнитах, отличающегося большей массой и габаритами [3].
В [4] анализируются различные подходы к проектированию электрических машин с постоянными магнитами (ЭМ с ПМ) и отмечается, что вопросы оптимального проектирования ЭМ с ПМ актуальны, а совершенствование различных этапов проектирования продолжается в настоящее время, включая математическое моделирование и оптимизацию ЭМ с ПМ. Такой проект реализован в Уральском федеральном университете, а заказ на производство головных образцов генераторов размещён в трёх специализированных организациях, в том числе в Экспериментально-производственном комбинате УрФУ.
Наиболее простым подходом к моделированию ЭМ с ПМ является динамическое моделирование,
3
или моделирование, основанное на решении краевой задачи Коши. Её недостатком является огромная ресурсоёмкость. Однако вычисление многих значимых для проектирования характеристик ЭМ с ПМ возможно при математическом моделировании всего одного специально подобранного момента функционирования ЭМ с ПМ.
Задача оптимального проектирования ЭМ с ПМ состоит в том, чтобы среди множества реально возможных вариантов проекта выбрать один лучший по заданному критерию. Преимущество этого варианта перед всеми остальными определяется количественной оценкой наиболее важного параметра (группы параметров) машины, называемого критерием оптимальности [5]. В качестве критерия оптимальности W задавалась зависимость:
где PCu, Pst - потери в меди и стали;
price - стоимость активных материалов; x, y - весовые коэффициенты.
На основе описанной в [3] методики разработан программный комплекс, позволяющий автоматизировать процесс проектирования ЭМ с ПМ. Он позволяет рассчитывать ЭМ с ПМ с различной схемой
с] . [F_J О Jou
-в в
в в с
\
Рис. 5. Конструкции ЭМ с ПМ с различной схемой укладки обмотки и различным числом полюсов ротора и статора
Возможности разработанного программного комплекса представлены на примере проектирования безредукторного электрогенератора мощностью 2 кВт с номинальной скоростью вращения ротора 300 об/мин.
Основные результаты, которые удалось достичь в процессе оптимизации ЭМ с ПМ с использованием критерия оптимальности, представлены в таблице в виде расчётных характеристик оптимизированного генератора.
Параметры, характеристики ЭМ Начальное приближение Оптимизированная ЭМ с ПМ
Полезная мощность, кВт 2 2
Номинальная скорость, об/мин 300 300
Число пазов статора 24 24
Число полюсов ротора 22 22
Коэффициент мощности 0,70146 0,9336
КПД, % 0,86142 90
Внешний диаметр статора, мм 180,7 198
Длина активных материалов электрической машины Z, мм 180 100
Масса активных материалов, кг 30,9 20,3
укладки обмотки и различным числом полюсов ротора и статора. На рис. 5 а изображена конструкция ЭМ с ПМ, с одной катушкой в катушечной группе и соотношением числа полюсов статора и ротора 12 к 10; на рис. 5 б показана конструкция с двумя катушками в катушечной группе и с соотношением полюсов статора и ротора 24 к 22.
Использование роторно-лепестковой ВЭУ «Кардэя» в комплексе с тихоходным генератором, разработанным в Уральском федеральном университете, позволит сделать энергоснабжение для потребителей в удалённых районах и в сельской местности более надёжным и доступным.
А
А
Литература
1. Якимов А. И., Якимов Ю. А., Велькин В. И., Щеклеин С. Е. Инновационная ветроэнергетическая установка «Кардэя» для широкого диапазона скоростей ветра // Энергетика XXI века. Технологии, экономика, подготовка кадров: Сб. научных публикаций, УрФУ. - Екатеринбург, 2011.
2. Патент РФ № 2365782 от 05.12.2007 г. Якимов И. Т., Якимов А. И., Якимов Ю. А.
3. Дмитриевский В. А., Прахт В. А., Сарапулов Ф. Н. Компьютерное моделирование вентильного двигателя с постоянными магнитами // Дистанционное и виртуальное обучение. - 2010. - № 10. - С. 38-46.
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / wmv.endi.ru
№ 6(48) 2012, ноябрь-декабрь
шнЕРШвштурснтБЕШШЕтишшэнЕРШявФФЕшашшшЬ 37
4. Высоцкий В. Е., Зубков Ю. В., Тулупов П. В. Математическое моделирование и оптимальное проектирование вентильных электрических машин. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 340 с.
5. Аветисян Дж. А., Соколов В. С., Хан В. Х. Оптимальное проектирование электрических машин на ЭВМ. - М.: Энергия, 1976. - 120 с.
The modular wind installation with surface placement slow-moving generator V. I. Vel'kin,
UrFU, department of nuclear power plants and renewable energy sources, lecturer, PhD V. A. Dmitrievsky,
ELTECHNO, UrFU, department of electrical engineering and electrotechnical systems, lecturer, PhD V. A. Prakht,
ELTECHNO, UrFU, department of electrical engineering and electrotechnical systems, lecturer, PhD Yu. A. Yakimov,
"Kardeya" scientific-technical center, director A. I. Yakimov,
"ProSoft systems", programmer
The authors represent an innovative wind turbine design with a vertical rotor, driver bottom location and design characteristics of low-speed permanent magnet generator. Distinctive features of wind turbines are easy installation design and possibility of using in areas with low-grade winds (3-5 m/s).
Keywords: wind installation, wind energy, energy supply, generator.
