CC BY
96
УДК 621.311:548
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
С.К. Прищепов, И.Р. Зинатуллин, О.И. Берг*
*Уфимский государственный авиационный технический университет E-mail: prischep@ufanet.ru
Представлен анализ результатов промышленного применения ветродвигателей пропеллерного типа. Установлено, что наиболее распространенные ветродвигатели имеют недостатки принципиального характера. Показано альтернативное направление развития ветроэнергетики - создание автономных мобильных электротехнических систем, основу которых составляют ветродвигатели с вертикальным ротором. Научная новизна исследований заключается в оптимизации формы и подвеса вертикального ротора для достижения максимального отношения момента его вращения к моменту трогания при любых углах направления ветрового потока на лопасти ветродвигателя.
Ключевые слова:
Альтернативная энергетика, ветровая электростанция, ветроэлектрическая установка, ветродвигатель, гигантские пропеллеры, вертикальный ротор, локальная система электроснабжения.
Key words:
Alternative energy, wind electric station, wind power, wind turbine, giant propeller, vertical rotor, local power system.
Нефть, газ, каменный уголь относятся к невозобновляемым природным источникам энергии. Данное положение стало сегодня находить понимание не только в среде учёных, инженеров, экологов, но и в государственных и финансовых структурах ведущих стран мира. Не случайно быстрыми темпами стала развиваться область исследований, получившая название «альтернативная энергетика», основу которой составляют природосохраняющие технологии.
Одним из направлений в данной области является ветроэнергетика. Так в России, на Кольском полуострове планируется реализация масштабного проекта экологической системы электроснабжения (ЭСЭ) по выработке электроэнергии с использованием ветроэнергетических установок (ВЭУ). Место размещения проекта перспективно, так как на берегу Баренцева моря среднегодовая скорость ветра составляет 7...9 км/ч, что почти в 2 раза больше, чем в Дании, где ВЭУ поставляют 1/4 часть всей потребляемой электроэнергии [1].
В Дании, Германии, Голландии использование энергии ветра имеет вековые традиции. В результате преемственности изобретений, инженерных решений, технологий производства и эксплуатации, конструкции ветродвигателей (ВД) в этих странах постоянно совершенствовались. Не случайно 70 % мирового производства ВД для ВЭУ сосредоточено в Западной Европе. При этом конструкции гигантских ВД пропеллерного типа с 2-4 лопастями и горизонтальной осью их вращения декларируются фирмами-производителями как безальтернативные [1].
В результате все современные ветровые электростанции с гигантскими пропеллерами (ГП) выглядят однотипно, что определяется специалистами в области экологических систем как «энергетика пустынных пространств» (рис. 1).
Таким образом, наиболее широкое распространение в мировой практике получили крупногабаритные ВЭУ с ВД пропеллерного типа - с вертикальной плоскостью вращения лопастей (ВПВЛ).
Однако, некоторые технические характеристики
ВЭУ по рис. 1 нельзя считать оптимальными:
1. Размеры действующей ВЭУ мощностью 1 МВт достигают 100 м в высоту и 150 м в диаметре. Очевидно, что ВД таких габаритов изготавливаются на грани технических возможностей современного производства. Как следствие - высокие сложность установки и стоимость подобных ВЭУ (12 млн $) [1].
2. ВЭУ с ГП по рис. 1 не имеют флюгера, способного ориентировать ВПВЛ ортогонально ветровому потоку. Поэтому в регионе установки ГП роза ветров должна быть однолепестковой, а скорость ветра высокой (5.50 м/с) и стабильной вне зависимости от времени года. Такие регионы характеризуются малой заселенностью, то есть потребители электроэнергии удалены от подобных ВЭУ на значительные расстояния, что требует для организации ГП электростанций дополнительных устройств электропередачи.
3. Для начала вращательного движения ГП по рис. 1, даже при оптимальном ортогональном ВПВЛ направлении ветра, скорость воздушного потока должна быть не менее 3. 5 м/с. Это объясняется по рис. 3 наличием момента трогания МТР. (сопротивления моменту вращения МВР), который существует из-за эксцентриситета масс пропеллера и трения оси вращения ВД в опорах. Сложная форма лопастей ВПВЛ пропеллеров является неизбежной причиной небаланса их роторов, то есть любой ГП представляет собой маятниковую систему с устойчивым состоянием покоя МТР=сош1, причем уровень МТР, как следствие небаланса, повышается с увеличением габаритов и массы ВПВЛ пропеллеров. Данный недостаток проявляется в неприемлемой для ветродвигателя форме: при явном наличии ветра лопасти ГП остаются неподвижными.
4. Лопасти ГП в процессе работы представляют собой крупногабаритные опасные перемещаю-
щиеся объекты, а гигантские ВЭУ являются источниками акустических шумов и электромагнитных помех, что наносит ущерб природе -противоречит назначению и принципам построения экологических систем.
Исследователи Дании, США, Англии, Канады, стран - основных производителей ГП и ВЭУ мощностью >1 МВт, пришли к заключению, что ветровая энергетика не будет развиваться по пути гигантизма. Будущее принадлежит ВЭУ средней мощности 5.100 кВт с повышенным КПД при малых скоростях ветра 1,5.7 м/с. Ключевым требованием к ВД ВЭУ является независимость момента вращения МВР от направления ветра, если его скорость постоянна [1].
При всем многообразии существующих технических решений, в качестве основного - альтернативного ГП, рассматривается ВД с горизонтальной плоскостью вращения лопастей (ГПВЛ) по рис. 2 со следующей совокупностью положительных признаков:
1. Коэффициент использования энергии ветрового потока известных конструкций ВД с ГПВЛ при малых 1,5.7 м/с скоростях ветра составляет 35 %. Согласно теоретическим расчетам
Н.Е. Жуковского [2], данный коэффициент у ветродвигателей с ГПВЛ может достигать 53 % при оптимизации конструкции, подобной рис. 2.
2. Эффективные ВД с ГПВЛ имеют количество лопастей ротора от 2-х до 64-х. При этом форму лопасти можно задавать любой сложности: на величине МТР по рис. 3 это не отражается, так как возникающие при конструктивных вариациях ВД с ГПВЛ векторы Р эксцентриситетов по рис. 4 ортогональны плоскости действия МТР - параллельны вертикальной оси О;О2 вращения ротора. Следовательно, для ВД с ГПВЛ не требуется столь тщательная балансировка ротора, как для ВД пропеллерного типа [3].
3. Если ВД с ГПВЛ по рис. 2 выполнять с опорами О, и О2 различного типа, согласно схеме
Рис. 2. Ветродвигатель с ГПВЛ: (а) вариант конструктивного исполнения: 1) верхняя опора типа «радиальный подшипник»;
2) вертикальная ось вращения; 3) ферма крепления подшипников; 4) нижняя опора типа «подпятник»; 5) четырёхлопастной ротор; 6 - основание; (б) вид сверху сечения лопастей ВД горизонтальной плоскостью: 0° - 90° - 180° - 270° -базовая система координат; а - угол поворота ротора в направлении вращения; Ф - ламинарный поток ветра; 2 - ось вращения ВД
рис. 4, то осевая реакция Л уравновешивает силу Р, и подшипник качения О2 имеет лишь оптимальную для него радиальную нагрузку Я, что сводит влияние эксцентрика Р на формирование МТР к минимуму [4].
4. При объединении в ветроэнергетические комплексы, то есть при размещении множества ВД с ГПВЛ в непосредственной близости, можно избежать экранирования соседних ВЭУ, достаточно установить их роторы на различном расстоянии от поверхности Земли. Для этого по рис. 2 нужно лишь изменить высоту основания ВД.
5. При компоновке ВД по схеме рис. 4 существует возможность закрепления статора электрогенератора на опоре О;, а бесконтактного ротора -на оси вращения О;О2, что позволяет разгрузить конструкцию ВД, то есть увеличить отношение МВР/МТР, а также повысить мощность ВЭУ (токосъёмник «генератор-нагрузка» не требуется).
Рис. 4. Эквивалентная схема ВД с ГПВЛ: О1 - нижняя опора типа «подпятник»; О2 - верхняя опора типа «радиальный подшипник»; Р - эквивалент эксцентричной массы пропеллера; I - плечо силы Р; I - расстояние между 01 и О; Fx, FY, Н - реакции опор
6. Основным достоинством ВД с ГПВЛ является эффективность преобразования энергии ветра во вращающий момент ротора вне зависимости от розы ветров. Это освобождает ВД от лишних деталей (в частности, ориентирующего флюгера), позволяет получать электроэнергию в регионах с различными ландшафтами, погодными условиями и, практически, на протяжении всего года.
Отличительные признаки ВЭУ на ВД с ГПВЛ и на двигателях пропеллерного типа, позволяют произвести сравнительный анализ эффективности их применения в заданном регионе за определенный период времени. Так, объем электроэнергии 2П, поставляемой ВЭУ в ЭСЭ, составляет
Qп = РН<д, (1)
где РН - номинальная мощность электрогенератора ВЭУ; Д - действительное время энергоотдачи ВЭУ в ЭСЭ.
Величина поставляемой <2Пменьше, чем максимально возможный объем 2тах электроэнергии ВЭУ в ЭСЭ:
П ='
100%,
РН^шак
(2)
где п - КПД ВЭУ в ЭСЭ за период времени /гаах -времени наличия ветрового потока в регионе.
Величина Д в (1), (2) соответствует времени действия продуктивного для ВД ветрового потока скорости УВ, достаточной для обеспечения РН электрогенератора ВЭУ. На территориях континентальных регионов ^ не превышает 10 месяцев в году Для ГП при продуктивной ¥В>5 м/с и многолепестковой розе ветров не превышает 1...3 месяца в году. Тогда для ГП из (2) следует:
пш = —100 % = (10...30) %.
10
Для ВД с ГПВЛ продуктивные, согласно рис. 3, ветровые потоки УВ>0,5 м/с действуют 7.9 месяцев в году, что при независимости КПД от розы ветров определяет для них из (2):
п
7...9
10
100% = (70...90)%.
Таким образом, в отличие от ГП, применение ВД с ГПВЛ наиболее целесообразно в регионах с характерными для материковых зон умеренными ветровыми потоками, позволяющими ВЭУ генерировать электроэнергию практически на протяжении всего года.
Рис. 5. Схема локальной системы электроснабжения: ВГ - ветрогенератор; СБ - солнечная батарея; ЭП1, ЭП2 - электронные преобразователи; АБ - аккумуляторная батарея; РЗР - реле «заряд - разряд АБ»; ПТ - преобразователь тока =/~; К -контроллер; ~П и=П - потребитель переменного и постоянного тока
Эффективность применения ВД с ГПВЛ вне зависимости от розы ветров и особенностей ландшафтов определяет в настоящее время актуальность создания автономных мобильных энергетических комплексов, состоящих в минимальной комплектации из ВЭУ, солнечной батареи, аккумулятора (рис. 5).
В таких многоканальных системах наиболее эффективными преобразователями природной энергии являются ВЭУ с ГПВЛ, которые разрабатываются как малогабаритные транспортабельные модули. Однако, непосредственное подключение электрогенератора малогабаритной ВЭУ к нагрузке нецелесообразно из-за малой стабильности и величины генерируемого тока. Поэтому данные ВЭУ требуют включения их в структуру системы, выполняющей функции накопления, преобразования и распределения электроэнергии. Так, в структуре рис. 5 функциональный блок АБ аккумуляции является необходимым - обеспечивающим согласование природных электрогенераторов с нагрузкой. Мощности ВГ хорошо согласуются с мощностями аккумуляторных и солнечных батарей, что обеспечивает мобильность сборки и перемещений системы электроснабжения по рис. 5 в целом.
Эксплуатация ВЭУ с ГПВЛ не противоречит условиям существования живой природы: они располагаются в непосредственной близости от потребителей электроэнергии, что минимизирует средства коммуникаций ЭСЭ. Стоимость малогабаритных ВЭУ также является оптимальной - соизмеримой со стоимостью сопутствующих компонентов энергетического комплекса по рис. 5.
Вместе с тем, известные конструкции ВД с ГПВЛ не свободны от недостатков. Лабораторные исследования показали, в частности, возможности повышения КИЭВ (п преобразования энергии ветра) стандартного анемометра (рис. 2). При воздействии ветрового потока Ф на данный ВД его горизонтальная платформа удерживалась в статическом положении, то есть без смещения относительно за-
данного аК=сош1:, с помощью динамометра, определяющего МВР. Углы а1,а2,.,ап задавались в диапазоне 0...3600. Было выявлено, что существуют ак, при которых МВР=МТР, и даже МВР<МТР при отрицательных значениях показаний динамометра. Для анемометра по рис. 2 это ак»30°±(пх90°), где п=0,1...
Угловые положения ак, где МВР<МТР, выявлены иу ГПВЛ, известных как «роторы Савониуса».
Наличие данных непродуктивных для ВД угловых положений приводит к неравномерности преобразования двигателем энергии ламинарного ветрового потока - к снижению п ВД. Фактором неравномерности можно объяснить, в частности, нелинейность зависимости МВР от скорости УВ, характерную для традиционно используемых ВД с ГПВЛ.
Рис. 6. Макетный образец ВД с ГПВЛ: (а) схема лабораторной ВЭУ: 1) платформа ВД слопастями; 2) генератор; 3) основание; 4) анемометр; а - угол отклонения пластины анемометра; (б) фотоизображение лабораторной установки ВД
В результате разработки и исследований авторских лабораторных образцов ВЭУ с ГПВЛ (рис. 6) произведен сравнительный анализ 2-х; 3-х; 4-х лопастных ВД, оптимизация формы лопастей которых наряду с минимизацией реакций опор (рис. 4) оси
вращения ротора обеспечивают МВР>МТР при скоростях ветрового потока У^.0,5 м/с (рис. 3). Получены конструкции роторов, обеспечивающие устойчивое соотношение МВР>МТР при любых (рис. 2) угловых ак положениях лопастей относительно направления ветрового потока.
Практические результаты исследований представлены на Всероссийских НТК; разработка авторов получила аккредитацию в программе Всероссийского научно-инновационного конкурса.
Выводы
1. В регионах с характерными для материковых зон умеренными ветровыми потоками и многолепестковой розой ветров применение гигантских пропеллеров в качестве двигателей ветроэлектрических установок нецелесообразно.
2. В многоканальных структурах экологических систем электроснабжения наибольшей среднегодовой эффективностью обладают природные электрогенераторы с лучшим показателем непрерывности поставки электроэнергии в аккумулятор.
3. Практически непрерывную среднегодовую работу в экологических системах электроснабжения обеспечивают ветроэнергетические установки с вертикальным ротором при оптимизации: габаритов; числа и формы лопастей; опор подвеса ветродвигателя.
4. Основным критерием оптимизации ветроэнергетических установок с горизонтальной плоскостью вращения лопастей является максимум отношения момента вращения ротора к моменту его трогания при любых углах направления ветрового потока на лопасти ветродвигателя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ветроэнергетика // Wikipedia. 2011. URL: http://ru.wikipe-dia.org/wiki/ветроэнергетика (дата обращения: 0З.04.2011).
2. Солоницын А.Г. Второе пришествие ветроэнергетики // Архив журнала «Наука и жизнь». № З, 2004. URL: http://www.nkj.ru/ акЛте/а1Йс^/4З10 (дата обращения: З.04.2011).
3. Ветроагрегат: пат. 2276284 Рос. Федерация. № 2004124659/06; заявл. l2.08.04; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 14. - 2 с.
4. Устройство ориентирования датчиков в геофизических приборах: авт. свид. 1346772 СССР. № 3986259/22-03; заявл. 09.12.85; опубл.23.10.87, Бюл. № 39. - 3 с.
Поступила 26.09.2009 г.
УДК 621.311.016.361
ПРОДОЛЬНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ ДАЛЬНИХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ СИСТЕМАМИ
В.И. Готман, А.В. Глазачев, Н.Л. Бацева
Томский политехнический университет E-mail: alexg@tpu.ru
Рассматривается методика выбора параметров компенсирующих устройств дальних электропередач сверхвысокого напряжения с промежуточными системами с целью повышения пропускной способности по условиям статической устойчивости. Для решения задачи предложено промежуточную и приемную систему представлять эквивалентными параметрами. Приводится методика эквивалентирования приемной системы. Показано, что для аналитического решения задачи критерий статической апериодической устойчивости целесообразно представлять на основе коэффициентов крутизны обобщенных статических характеристик реактивной мощности энергосистем по напряжению.
Ключевые слова:
Дальние электропередачи, промежуточные системы, компенсирующие устройства, натуральная мощность, статическая устойчивость, пропускная способность.
Key words:
Long-distance power line, intermediate system, compensating units, line natural load, steady-state stability, transfer capacity
Введение и постановка задачи
Несмотря на большое число глубоких и обширных работ по управлению режимами и повышению пропускной способности дальних линий электропередач (ДЛЭП) сверхвысокого напряжения, думается, что особенности, которые накладывают промежуточные системы (ПС), не позволяют считать эти вопросы исчерпанными. Разработанное в последние годы новое поколение управляемых шун-
тирующих реакторов, статических тиристорных компенсаторов и конденсаторных батарей существенно расширяет возможности их применения для более гибкого управления режимами и повышения пропускной способности указанных электропередач.
Пропускная способность электропередач является технико-экономической категорией. Повышение пропускной способности требует дополни-
