CC BY
73
УДК 621.313
О.Б. Соломенкова, И.М. Хусаинов, В.В. Коваленко, С.Ф. Степанов
МУЛЬТИМОДУЛЬНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ДЛЯ РАЙОНОВ ЗАВОЛЖЬЯ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Рассматриваются пути повышения эксплуатационных характеристик ветроуста-новок нового поколения. В результате увеличился диапазон использования энергии ветра, повысилась ремонтопригодность и увеличилась выработка электроэнергии ветроэлектро-станцией.
Ветроколесо, коэффициент использования энергии ветра, мультимодульная ветро-электростанция, выработка энергии
O.B. Solomenkova, I.M. Khusainov, V.V. Kovalenko, S.F. Stepanov
MULTIMODULAR WIND POWER STATION FOR AREAS ZAVOLZHJE OF THE SARATOV PROVINCE
In article ways of increase of operational characteristics of wind power stations of new generation are considered. The range of use of wind power has as a result increased, maintainability has raised and electric power development wind power station has increased.
Wind wheel, wind power operating ratio, multimodular wind power station, energy development
Ветряное колесо является важнейшим элементом ветроэлектростанции (ВЭС), от которого во многом зависит эффективность ее работы.
Основным параметром, показывающим какая часть мощности воздушного потока полезно используется ветроколесом, является коэффициент использования энергии ветра ^.
Наиболее высокий £, от 0,42 до 0,46 имеют быстроходные ветродвигатели, с числом лопастей до 4. Коэффициент использования энергии ветра в пределах от 0,27 до 0,33 у тихоходных ветродвигателей, имеющих от 4 до 24 и более лопастей. Но быстроходные ветродвигатели имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что их начальный момент трогания в несколько раз меньше, чем у тихоходных. Из рис. 1 видно, что наибольший коэффициент использования энергии ветра £, ветроколесо имеет лишь при определенной быстроходности [1-3]. Т.е. для каждой скорости ветра существует свой максимальный ^, соответствующий определенному числу оборотов в минуту ветроколеса. Поэтому необходимо объединить достоинства быстроходных и тихоходных колес и создать ветроколесо, которое работало бы всегда с максимальным коэффициентом использования ветра для каждой скорости ветра и высоким значением начального вращающего момента (рис. 2).
Рис.1. Графики коэффициентов использования энергии ветра и вращающие моменты различных типов ветродвигателей, где 1- график для лопастных ветродвигателей, 2 - для крыльчатых с 12 лопастями, 3 - с 6-ю, 4 - с 3-мя, 5 - с 2-мя и 6 -график для ортогональных ветродвигателей
Рис. 2. Графики коэффициента использования энергии ветра и вращающего момента комбинированного ветроколеса
Таким колесом является комбинированное ветроколесо. Конструктивно оно представляет собой три независимых ветроколеса, расположенных на одном валу, каждое из которых содержит поворотные лопасти, закрепленные на втулках. При этом два ветроколеса являются быстроходными, с тремя лопастями, и одно тихоходное шестилопастное. Режим работы каждого колеса зависит от скорости ветра [4].
При низкой скорости ветра от 2,5 до 4 м/с. Все три ветроколеса, с общим количеством лопастей - 12, совмещены в одной плоскости и участвуют в работе комбинированного ветроколеса. При этом обеспечивая максимальный вращающий момент при высоком коэффициенте использования энергии ветра.
При средней скорости ветра от 4 до 6,5 м/с. Третье ветроколесо, содержащее шесть лопастей, смещается вправо относительно двух других, останавливается, перестает вращаться и начинает выполнять роль направляющего для ветрового потока. В работе остаются два ветроколеса.
При большой скорости ветра от 6,5 до 15 м/с. Первое ветроколесо смещается влево относительно основного, останавливается и перестает работать. При этом основное ветроко-лесо продолжает работать с максимальной скоростью вращения. А остановившееся колеса не препятствует вращению основного, а выполняет роль направляющего для ветрового потока.
Таким образом, при малых скоростях ветра (2,5 - 4м/с) работают все 12 лопастей, при средней скорости ветра (4 - 6,5 м/с) работают шесть лопастей, а при скорости ветра (6,5 - 15 м/с) работают три лопасти.
С помощью комбинированного ветроколеса ВЭС начнет вырабатывать энергию в низком скоростном диапазоне - с 2,5 м/с, в то время когда все типовые ВЭС начинают работать с 5 м/с. А это очень важный фактор в условиях центральной России, где ветер редко бывает больше 3-5 метров в секунду.
Основным недостатком ветроэнергетических установок является их большие массогабаритные показатели, в частности их большая высота, что влечет за собой ряд проблем при монтаже, ремонте и обслуживании установок.
Создание мультимодульной ВЭС позволит выполнить ветроэлектростанцию любой мощности из маломощных модулей путем их объединения. Выход одного или нескольких модулей из работы не приводит к прекращению работы всей ветроэлектростанции. На ВЭС имеется свободный доступ обслуживающего персонала к любому модулю для его осмотра и ремонта независимо от работы других модулей [5].
Мультимодульная ветроэлектростанция (рис. 3) представляет собой однотипные модули, закрепленные на металлической раме, выполненной в виде металлических балок с пазами. По бокам модуля имеются направляющие балки, которые расположены в пазах, что дает возможность извлечь модуль для ремонтных или профилактических работ. Металлическая рама с модулями расположена на круглой вращающейся платформе, стоящей на опорах, и образует прямоугольную ветровоспринимающую поверхность. Датчик измерения скоростей ветра, анемометр, измеряет скорость и направление ветра, подает сигнал на блок управления и срабатывает поворотный механизм, который и поворачивает платформу по направления ветра.
Каждый модуль включает комбинированное ветроколесо, на одном валу с которым расположен одноступенчатый упрощенный мультипликатор. Через дисковый тормоз мультипликатор соединен с электрическим генератором и преобразователем частоты, состоящий из выпрямителя, инвертора, емкостного и индуктивного фильтров, и 3 фазной электрической сетью. Упрощенная электрическая схема модуля ветроэлектростанции представлена на рис. 4.
Для данного района количество дней со скоростью ветра более 5 м/с составляет не более 50 дней в году. Количество дней в году, когда скорость ветра имеет значение от 2,5 до 5 м/с составляет 250 дней в году, и только 70 дней в году скорость ветра меньше 2,5 м/с. Применение в этом регионе типовых ВЭС, которые будут работать всего 13% от общего количества дней в году, является экономически нецелесообразным. Продолжительность работы разрабатываемой мультимодульной ВЭС будет не менее 300 дней в году.
з
Рис. 3. Общий вид мультимодульной ветроэлектростанции, где: а - вид спереди, б - вид с боку, в - вид сверху; 1 - металлическая рама для крепления ветро-агрегатов; 2 - металлическая балка; 3 - платформа; 4 - модуль; 5 - опора,
6 - анемометр, 7 - блок управления поворотным механизмом
Рис. 4. Упрощенная электрическая схема модуля ветроэлектростанции, где:
1 - комбинированное ветроколесо, 2 - мультипликатор, 3 - электрический генератор,
4 - ротор генератора, 5 - статор генератора, 6 - выпрямитель, 7 - емкостной фильтр,
8 - инвертор, 9 - индуктивный фильтр, 10 - 3-фазная электрическая сеть
Г рафик скоростей ветра за 2009 г. для поселка Александров - Гай Саратовской области представлен на рис. 5.
Рис. 5. График скоростей ветра для поселка Александров Гай Саратовской области за 2009 г.
Мощность ветроколеса определяется по формуле
где р - плотность воздуха, кг/м3; коэффициент использования энергии ветра;
Э - диаметр ветроколеса, м; V - скорость ветра, м/с.
Мощность, развиваемая ветроэлектростанцией находится по формуле [6]:
Рзэс = Р3£ ■ 7]т.Т1р
где пг - КПД генератора, пр - КПД редуктора.
Число часов работы ветроэлектростанции в году определяется:
Ч = П ■ 3760,
где П - повторяемость градаций скоростей ветра для поселка Александров Г ай взята из справочника по климату СССР.
Выработка энергии ветроэлектростанцией равна:
На рис. 6 представлены графики выработки электроэнергии базовой и мультимодуль-ной ветроэлектростанцией мощностью 50 кВт при различных ветровых условиях за год для местоположения п. Александров Гай Саратовской области.
ш 10000 ы
5 £ 8000 й 22
5 й 6000
Ю ц
2 5 4000
- -
л а 2000 5 о
О 2 3 5 6 8 10 12 14 16
Скорость ветра, м/с
Рис. 6. Графики выработки электроэнергии базовой и мультимодульной ветроэлектростанцией при различных ветровых условиях
Из данного рисунка видно, что мультимодульная ветроэлектростанция вырабатывает энергии примерно на 15% больше базовой за счет расширения диапазона ветровых нагрузок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шефтер Я.И. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках / Я.И. Шефтер, И.В. Рождественский. М.: Минсельхоз СССР, 1957. 145 с.
2. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки/ В.П. Харитонов. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. 280 с.
3. Ветроэнергетика / под ред. Д. де Рензо; пер. с англ.; под ред. Я.И. Шефтера. М.: Энерго-атомиздат, 1982. 272 с.
4. Степанов С.Ф. Мультимодульная ветроэлектростанция комбинированного типа для расширенного диапазона ветровых нагрузок / С.Ф. Степанов [и др.] // Инновационные технологии в обучении и производстве: материалы VI Всерос. науч.-практ. конф.: в 6 т. Камышин, 15-16 декабря 2009 г.; Волгоград: ВолгГТУ, 2010. Т. 2. 152 с.
5. Хаскин Л. Башня из ветроэнергетических модулей/ Л. Хаскин // Наука и жизнь. 2003. №9. С. 70-73.
6. Никитенко Г.В. Ветроэнергетические установки в системах автономного электроснабжения: монография / Г.В. Никитенко, Е.В. Коноплёв. Ставрополь: АГРУС, 2008. 152 с.
BIBLIOGRAPHY
1. Shefter Y.I. The inventor of the wind engine and wind turbine/ Y.I. Shefter, I.V. Christmas. Moscow: USSR Ministry of Agriculture, 1957. 145 p.
2. Kharitonov V.P. Stand-alone wind power installation / V.P. Kharitonov, Moscow: GNU VIE-SKh, 2006. 280 p.
3. Wind power / ed. D. De Renzo, trans. from English., ed. Y.I. Sheftera. Moscow: Energoatomiz-dat, 1982. 272 p.
4. Stepanov S.F. Multimodular wind power combined type for extended range of wind loads / S.F. Stepanov [and others] // Innovative technology in teaching and production: the VI All-Russian Scientific .- Scient. Conf. Kamyshin, December 15-16, 2009: 6 tons; Volgograd: VolgGTU,
2010. T. 2. 152 p.
5. Haskin L. A Tower of wind power units / L. Haskin // Science and Life. 2003. № 9. P. 70-73.
6. G.V. Nikitenko Windmills in autonomous power supply: Monograph / G.V. Nikitenko, E.V. Konoplev. Stavropol: Agrus, 2008. 152 p.
Соломенкова Ольга Борисовна -
аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета Хусаинов Игорь Миргазианович -кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета Коваленко Василина Васильевна -кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета Степанов Сергей Федорович -доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета
Solomenkova Olga Borisovna -
postgraduate student chair «Electricity supply of industry enterprises» Saratov State Technical University
Khusainov Igor Mirgazianovich -
Ph. D, docent chair «Electricity supply of industry enterprises» Saratov State Technical University
Kovalenko Vasilina Vasilevna -
Ph. D, docent chair «Electricity supply of industry enterprises» Saratov State Technical University
Stepanov Sergey Fedorovich -
Doctor of Technical sciences, professor chair «Electricity supply of industry enterprises» Saratov State Technical University
