CC BY
19Статья поступила в редакцию 24.03.14. Ред. рег. № 1957
The article has entered in publishing office 24.03.14. Ed. reg. No. 1957
УДК 62-111.1
РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
А.С. Аникин, С.В. Козлов, Е.А. Сироткин, Е.Е. Соломин
Южно-Уральский государственный университет 454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел.: 89514596137, факс: (351) 264-7694, e-mail: anikinsasha@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 28.03.14 Заключение совета экспертов: 03.04.14 Принято к публикации: 08.04.14
В статье описывается устройство регулирования частоты вращения ротора для вертикально-осевых ветроэнергетических установок, которые благодаря ряду своих преимуществ по сравнению с горизонтально-осевыми получают все большее распространение. Работа устройства основана на принципе передачи усилий от центробежной муфты на тормозящий механизм и позволяет ограничивать максимальную скорость вращения ротора при скоростях ветра выше некоторых определенных максимальных. Оснащать ветроэнергетические установки подобными системами регулирования необходимо для предотвращения разрушения ротора либо для предупреждения возгорания генератора при высоких скоростях ветра (от 15-20 м/с). В статье также приводится методика динамического расчета для разработки основных элементов устройства.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, ветроэнергетика, система регулирования ветроэнергетической установки.
THE CONTROL OF VERTICAL AXIS WIND TURBINE ROTOR SPEED A.S. Anikin, S.V. Kozlov, E.A. Sirotkin, E.E. Solomin
South-Urals State University 76 Lenin str., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel./fax: 89514596137, e-mail: anikinsasha@gmail.com
Referred: 28.03.14 Expertise: 03.04.14 Accepted: 08.04.14
The paper describes the rotor rotation speed control device for vertical axis wind turbines, which are becoming more distributed due to the bunch of advantages comparing with the horizontal-axis turbines. The device operation is based on the principle of transmitting the forces from centrifugal clutch on the braking mechanism and allows the limiting of maximal rotation speed of the rotor when exceeding the determined maximal wind speeds. To prevent the destruction of rotor or burning the alternator at high wind speeds (from 15-20 m/s), the equipping of wind turbines with the said control systems, is required. The paper also provides a method of calculating the dynamic development of the main components of the device.
Keywords: renewable energy sources, wind energy, wind turbine control system.
Александр Сергеевич Аникин
Сведения об авторе: доцент Южно-Уральского государственного университета. Образование: энергетический факультет ЮУрГУ по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (2008).
Основной круг научных интересов: возобновляемые источники энергии, автоматизированный электропривод. Публикации: 18.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Сергей Васильевич Козлов
Сведения об авторе: инженер ОАО «НИИ Металлургии».
Основной круг научных интересов: возобновляемые источники энергии.
Евгений Евгеньевич Соломин
Сведения об авторе: ведущий менеджер в ЗАО НИИ «Уралмет».
Образование: ЮУрГУ, Международный факультет, спец. «Менеджмент».
Основной круг научных интересов: экономика ВЭУ.
Введение
В последнее время все больше внимания уделяется проблеме ограниченности ресурсов и экологической обстановке на Земле [1]. Нефть, газ и уголь сегодня являются основным сырьем для производства электроэнергии, но с каждым годом их запас уменьшается. За последние десятилетия с ростом внимания к проблемам энергоснабжения активное развитие получило такое направление, как «возобновляемые источники энергии», обещающее уже в ближайшем будущем по ряду прогнозов заменить традиционное топливо и стать основой для производства электроэнергии [2]. Префектура Фукусима, пострадавшая в результате землетрясения и цунами в 2011 г., планирует полностью перейти на энергоснабжение от возобновляемых источников к 2040 г. [3]. В ряде стран возобновляемая энергетика серьезно конкурирует с традиционными подходами, занимая существенное положение в государственных энергобалансах.
Рис. 1. Вертикально-осевая ветроэнергетическая установка Fig. 1. Vertical axis wind turbine
Одной из быстро развивающихся отраслей возобновляемой энергетики является ветроэнергетика. Использование энергии ветра растет примерно на 30% в год, по всему миру с установленной мощно-
стью более 300 гигаватт на конец 2013 г. Работа вет-роэнергоустановки (ВЭУ) основана на принципе преобразования кинетической энергии ветра в электрическую [4]. Существует два основных типа установок: горизонтально-осевые и вертикально-осевые [5]. Наибольшее распространение в мире получили установки горизонтально-осевого типа, однако в последнее время благодаря ряду преимуществ [6-9] все более востребованными становятся установки вертикально-осевого типа, работа которых основана на принципе использования подъемной силы [10]. На рис. 1 изображена конструкция ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения [8].
Достоинствами таких установок являются: старт и выработка электроэнергии при относительно малых ветрах, а также практически полное отсутствие инфразвука, который оказывает негативное влияние на окружающую среду [8, 9]. Ветер, действуя на лопасти ВЭУ, создает за счет появления подъемной силы крутящий момент, за счет которого происходит вращение ротора, связанного с валом генератора непосредственно или через мультипликатор. Электрический генератор вырабатывает электроэнергию, параметрами которой являются напряжения и токи, переменные по фазе, частоте и амплитуде. Таким образом, происходит преобразование кинетической энергии потока ветра в электрическую энергию. Благодаря вертикальному расположению лопастей все точки профиля движутся с одной скоростью, срыв потока минимален, в связи с этим инфразвуковые колебания ничтожно малы. Вертикально-осевые ВЭУ имеют еще целый ряд преимуществ - таких как возможность размещения генератора на поверхности земли, добавления дополнительных ярусов на одну и ту же мачту, а также являются более технологичными при монтаже.
Необходимость регулирования частоты вращения
Мощность потока ветра имеет кубическую зависимость от его скорости, следовательно, при превышении номинальной скорости ветра в два раза мощ-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
ность потока возрастет в восемь раз. Из мировой практики использования ВЭУ известно, что при достижении некоторых высоких скоростей ветра (как правило, выше 15-20 м/с) при отсутствии регулирования частоты вращения может произойти разрушение ротора (ветроколеса) за счет действия центробежных сил, либо наступит перегрев обмоток генератора [10]. Чтобы предотвратить такие неисправности, возникает необходимость установки элементов ограничения максимальной частоты вращения ротора.
Существующие устройства ограничения частоты вращения роторов ВЭУ
На данный момент в мировой ветроэнергетической промышленности наибольшее внимание уделяется системам торможения горизонтально-осевых ВЭУ. Как правило, в крупных ВЭУ производится регулирование установочного угла лопасти (и иногда угла заклинивания), за счет чего подъемная сила снижается и уменьшает крутящий момент ротора. В малых традиционных ВЭУ ротор, как правило, выводится из-под потока ветра с помощью наклонного устройства, основанного на использовании парусности ротора ВЭУ. Известен также ряд подходов к ограничению частоты вращения за счет балластного сопротивления. Однако все без исключения варианты приводят к остановке ротора ВЭУ и отсутствию генерации при сильных ветрах. Для вертикально-осевых установок существуют лишь некоторые единичные случаи систем ограничения частоты вращения. Наиболее известным считается аэродинамический регулятор ВЭУ [7, 8]. Принцип работы такого устройства заключается в повороте тормозящих лопаток в форме аэродинамических профилей против потока ветра. Лопатки установлены на несущих траверсах, вместе с которыми они образуют червячные пары винт-гайка. Поворот лопаток происходит за счет преобразования парой винт-гайка радиального усилия, возникающего за счет центробежных сил, во вращательное, с преодолением упругих сил упорной пружины. Однако такое устройство ограничения частоты вращения ротора имеет большие габариты и массу, а также склонность к нестабильной работе - такие регуляторы расположены на всех траверсах вертикально-осевого ротора и должны активироваться одновременно. Но на практике осуществить это практически невозможно из-за различного коэффициента упругости упорных пружин. Следовательно, если сработает только один регулятор (например, из трех), в роторе возникнет дисбаланс, а это является причиной возникновения вибраций со всеми вытекающими последствиями.
Существуют также ручные и автоматические устройства торможения, в основе которых лежит обычный дисковый или колодочный тормоз, но такие устройства полностью блокируют ротор ВЭУ при больших скоростях ветра, когда выработка энергии может быть максимальной.
Устройство регулирования частоты вращения ротора
Принцип работы устройства основан на преобразовании центробежных сил в поступательное движение кулачков с помощью центробежной муфты. На рис. 2 изображена схема устройства регулирования (разрез конструкции, вид сверху).
Кулачки
Мачта
b
Рис. 2. Схема устройства торможения: а - кулачки в сжатом состоянии; b - кулачки в разжатом состоянии Fig. 2. Braking device design: a - cams in the fixed mode; b - cams in the operation mode
Устройство может применяться как в вертикально-осевых ВЭУ, так и в горизонтально-осевых. Пример рассмотрен для вертикально-осевой конструкции. Для горизонтально-осевых ВЭУ устройство будет аналогичным, с рядом небольших конструктивных изменений в связи с некоторым различием в кинематических схемах передачи крутящего момента.
При разгоне ротора до некоторой частоты вращения кулачки начнут поступательно перемещаться от центра к периферии под действием центробежных сил, растягивая удерживающие их пружины. Как только частота вращения ротора достигнет некоторого предельного (номинального) значения, центробежная сила станет достаточно большой по величине, чтобы прижать кулачки к стенкам мачты или иного ограничителя. В результате контакта поверхностей кулачков с внутренней стенкой ограничителя возникнет фрикционное взаимодействие, за счет которого будет происходить торможение. Чем выше частота вращения ротора, тем сильнее центробежная сила прижимает кулачки к стенкам и тем больше становится тормозящая сила трения. При снижении частоты вращения ротора центробежная сила снижается, и кулачки под воздействием упругих усилий пружин возвращаются в исходное положение, торможение прекращается, а ротор вновь разгоняется.
Методика динамического расчета для разработки основных элементов устройства
1. Определяется расчетная сила растяжки пружины для заданной угловой скорости ю0. Центробежная сила ¥с прижимает кулачки к внутренней поверхности ограничителя. Этому препятствует сила растя-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
a
жения пружины с которой пружина притягивает кулачки обратно к центру. Соприкасание между кулачками и стенкой мачты возможно при условии
Fsp < Fc = mrm
(1)
где - сила растяжения пружины; ¥с - центробежная сила; т - масса кулачка; г - расстояние от центра тяжести кулачка до оси вращения; ю - угловая скорость вращения ротора. Формула (1) позволяет определить необходимую силу пружины по заданной угловой скорости ю0, до которой вал ротора вращается свободно.
2. Рассчитывается угловая скорость, при которой наступают условия регулирования. Для осуществления торможения необходимо, чтобы кулачки могли передать больший крутящий момент, чем тот, которым обладает ротор на данный момент. Передать такой крутящий момент кулачки смогут при угловой скорости юь которую определяют из условия [11]
КТ < 0,5 (^ + Ерр) fzd = 0,5ттБх (ю2 - ю 2), (2)
где К - коэффициент запаса (1,5-2); Т - крутящий момент, передаваемый кулачками; f - коэффициент трения; г - число кулачков; Б - внутренний диаметр мачты; Ю1 - угловая скорость, при которой возникает процесс торможения; ю0 - угловая скорость, при которой вал ротора вращается свободно. В диапазоне между Ю1 и ю0 кулачки пробуксовывают и тормозят вал ротора.
Сила пружины в данном случае [11]
48 EJx
l3
(3)
где Е - модуль упругости материала пружины; 3 -осевой момент инерции витка пружины; х - стрела прогиба; I - длина одного витка.
Работоспособность колодок рассчитывают по давлению р на поверхности трения:
Р = f >[Р ],
(4)
где - площадь контактной поверхности.
От площади контактной поверхности также будет зависеть и долговечность конструкции. Чем больше будет площадь соприкосновения кулачков со стенками мачты, тем равномернее будет происходить износ фрикционной поверхности. Однако для плавной работы системы торможения необходимо, чтобы кулачки пробуксовывали и не происходило заклинивания. Наиболее оптимальным вариантом будет устройство торможения, содержащее три и более фрикционных кулачка, поскольку сочетание их массы, влияющей на степень растяжения пружины, а также площади поверхности, влияющей на долговечность и работоспособность, будет более практичным.
3. Выбирается ограничитель. В качестве ограничителя может служить любая цилиндрическая конструкция. Тогда наиболее целесообразно использовать уже существующие элементы ВЭУ, например, мачту или башню. Мачта является неподвижным элементом конструкции ВЭУ, в результате чего вместо передачи крутящего момента будет происходить торможение ротора, тем самым будет обеспечиваться автоматическое регулирование частоты вращения. При фрикционном торможении выделяется значительное количество тепла. Однако в силу того, что тормозным барабаном является стальная мачта и торможение происходит только в ветреную погоду, то перегрева можно будет избежать. Ко всему прочему, выделяемое тепло в холодное время года можно утилизировать для обогрева оборудования, находящегося внутри мачты (например, регулятора мощности). Кроме этого, известен ряд конструкций с полыми траверсами и лопастями, по которым тепло может передаваться из генераторного и тормозного отсеков с помощью переноса потоком воздуха внутри полостей под действием центробежных сил с целью обогрева ряда компонентов.
К преимуществам фрикционного регулирования можно отнести простоту изготовления и надежность по сравнению с системой управления углом установки лопастей. Минимум подвижных элементов, скрытых от осадков, повышает надежность. Вращающиеся части имеют небольшой вес. Описанное регулирование будет технически и экономически выгодно как для крупных, так и для малых ветроэнергоуста-новок, поскольку вместо сложнейших механизмов и приводов изменения установочного угла можно использовать простейший принцип фрикционного торможения.
Еще одним немаловажным достоинством данного устройства является то, что при сильном ветре, когда обычно ветроколесо останавливают и выработка энергии полностью прекращается, ВЭУ с устройством регулирования частоты вращения продолжает работать на номинальных (предельных) оборотах [12].
К недостаткам устройства можно отнести вероятность появления шума за счет трения компонентов конструкции. Однако с использованием современных автомобильных технологий такая проблема может быть сведена к минимуму.
Выводы
Фрикционное устройство регулирования обеспечивает безопасность эксплуатации ВЭУ, при этом обладает высокой надежностью, а стоимость такого элемента будет ничтожно мала по сравнению с существующими системами. Кроме описанных преимуществ, представленное устройство торможения имеет большой ресурс работы и высокую ремонтопригодность.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05 (145) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Список литературы
1. Соломин Е.В. Ветроэнергетическая экономика // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE.
2010. № 2. С. 28-30.
2. Ветцель С., Соломин Е. В. Совместные научные исследования российских и германских ученых в области возобновляемых источников энергии // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE.
2011. № 11. С. 82-88.
3. World Wind Energy Association / Japanese régions transition to 100% renewable energy. http://www.wwindea.org/home/index.php.
4. 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.
5. Холстед Р.Л., Соломин Е.В. Технические особенности и преимущества ветроэнергетических установок // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE. 2010. № 1. С. 36-41.
6. Соломин Е.В. Перспективы использования малых ветроэнергетических установок в агропромышленном комплексе // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. Вып. 7. С. 12-15.
7. Пат. 2347104 РФ, МПК F03D 3/06 (2006.1). Ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения / Ю.В. Грахов, Е.В. Соломин и др. № 2006117014/06; заявл. 12.05.2006 // опубл. 20.02.2009, Бюл. № 5.
8. Соломин Е.В. Основы методологии разработки вертикально-осевых ветроэнергетических установок // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 1. С. 18-28.
9. Solomin E.V. Development and optimizing of vertical axis wind turbines // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 1. С. 29-39.
10. Кирпичникова, И.М., Мартьянов А.С., Соломин Е. В. Преобразование энергии в ветроэнергетических установках // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2010. № 1. С. 93-97.
11. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя в 3-х т.: Т. 2 - 8-е изд., перераб. и доп. под ред. И.Е. Жестковой. М.: Машиностроение, 2001.
12. Соломин Е. В. Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2010. № 1. С. 10-15
References
1. Solomin E.V. Vetroenergeticeskaa ekonomika // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2010. № 2. S. 28-30.
2. Vetcel' S., Solomin E. V. Sovmestnye naucnye issledovania rossijskih i germanskih ucenyh v oblasti vozobnovlaemyh istocnikov energii // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2011. № 11. S. 82-88.
3. World Wind Energy Association / Japanese regions transition to 100% renewable energy. http://www.wwindea.org/home/index.php.
4. Bezrukih P.P., Bezrukih P.P. (mladsij). Vet-roenergetika. Vymysly i fakty. Otvety na 100 voprosov. M.: Institut ustojcivogo razvitia Obsestvennoj palaty Rossijskoj Federacii/Centr ekologiceskoj politiki Rossii, 2011.
5. Holsted R.L., Solomin E.V. Tehniceskie oso-bennosti i preimusestva vetroenergeticeskih ustanovok // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2010. № 1. S. 36-41.
6. Solomin E.V. Perspektivy ispol'zovania malyh vetroenergeticeskih ustanovok v agropromyslennom komplekse // Mehanizacia i elektrifikacia sel'skogo hozajstva. 2011. Vyp. 7. S. 12-15.
7. Pat. 2347104 RF, MPK F03D 3/06 (2006.1). Rotor vetranoj ustanovki s vertikal'noj os'ü vrasenia / Ü.V. Grahov, E.V. Solomin i dr. № 2006117014/06; zaavl. 12.05.2006 // opubl. 20.02.2009, Bül. № 5.
8. Solomin E.V. Osnovy metodologii razrabotki vertikal'no-osevyh vetroenergeticeskih ustanovok // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2011. № 1. S. 18-28.
9. Solomin E.V. Development and optimizing of vertical axis wind turbines // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2011. № 1. S. 29-39.
10. Kirpicnikova, I.M., Mart'anov A.S., Solomin E.V. Preobrazovanie energii v vetroenergeticeskih ustanovkah // Al'ternativnaa energetika i ekologia -ISJAEE. 2010. № 1. S. 93-97.
11. Anur'ev V.I. Spravocnik konstruktora-masinostroitela v 3-h t.: T. 2 - 8-e izd., pererab. i dop. pod red. I.E. Zestkovoj. M.: Masinostroenie, 2001.
12. Solomin E.V. Vetroenergeticeskie ustanovki GRC-Vertikal' // Al'ternativnaa energetika i ekologia -ISJAEE. 2010. № 1. S. 10-15
Транслитерация по ISO 9:1995
с---* — TATA — (_XJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05 (145) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
