CC BY
4естник АПК
Ставрополья
:№ 1(21), 2016
УДК 621.311.24
Никитенко Г. В., Кононова О. П.
Nikitenko G. V., Kononova O. P.
РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
THE REGULATION OF WIND TURBINES USING LINEAR MOTOR
Применение ветроэнергетических установок для решения задачи энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей, удаленных от линий электропередачи, связано с проблемой защиты винта от ураганного ветра с целью сохранения прочности конструкции, стабилизации оборотов вращения и выходной мощности ветроагрегата. Существует несколько способов ее решения, однако они обладают существенным недостатком: под действием переменного потока ветра головка ветродвигателя подвержена постоянным автоколебаниям.
Одно из возможных решений существующей проблемы - разработка электромеханической конструкции, с дискретным изменением и стабилизацией угла поворота ф между осью вращения воздушного винта и направлением ветрового потока, на основе линейного электрического двигателя. Такая конструкция позволит обеспечить постоянную мощность и стабильные обороты вращения выходного вала при скоростях ветра, превышающих нормальное значение для ветрогенератора.
Ключевые слова: ветроэнергетика, ветроэнергетические установки, защита от ураганного ветра, линейный электродвигатель.
The use of wind turbines to solve the problem of power supply of agricultural consumers remote from power lines is connected with the problem of protecting the propeller from the wind with the aim of preserving the strength of structures, stabilization of rotation speed and power of wind turbine. There are several ways of tackling it, but they have drawback: under the action of variable wind flow head of a wind turbine are subject to constant vibrations.
One possible solution to the existing problems - development of electromechanical design, with a discrete change and stabilization of the angle between the axis of rotation of the propeller and the direction of wind flow, based on a linear electric motor. This design will provide constant power and stable speed of rotation of the output shaft when wind speeds exceeding the normal value for the wind turbine.
Key words: wind power, wind turbine, protection from the hurricane ofwind, linear motor.
Никитенко Геннадий Владимирович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой применения электроэнергии в сельском хозяйстве
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8(8652) 71-72-01
Е-mail: Nikitenko_GV@mail.ru
Кононова Ольга Павловна -
аспирант первого года обучения
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8(8652) 91-84-15
E-mail: KononovaOP@rambler.ru
Nikitenko Gennadiy Vladimirovich -
doctor of technical Sciences,
Professor, head of Department of electric power
application in agriculture
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8(8652) 71-72-01 E-mail: Nikitenko_GV@mail.ru
Kononova Olga Pavlovna -
graduate student
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8(8652) 91-84-15 E-mail: KononovaOP@rambler.ru
Электроснабжение сельскохозяйственных потребителей небольшой мощности, удаленных от централизованных линий электропередачи с использованием экологически чистых возобновляемых источников энергии, является важной задачей электроэнергетической системы РФ. Применение ветроэнергетических установок (ВЭУ) для решения указанной задачи, связано с большим количеством технических и технологических проблем, одной из которых является защита винта от ураганного ветра с целью сохранения целостной прочности механической конструкции, стабилизации оборотов вращения и выходной механической мощности ветроагрегата.
В настоящее время существует несколько способов решения обозначенной проблемы, например, за счет изменения шага винта в функции скорости ветра. Для ВЭУ мощностью до 10 кВт поворот лопастей осуществляется либо при помощи центробежно-аэродинамических регуляторов, либо за счет непосредственного воздействия ветрового потока на лопасть. Данный способ регулирования дает хорошие результаты, однако приводит к значительному усложнению конструкции и снижению надежности ветродвигателя.
На практике широко применяются конструкции, в которых защита винта от ураганного ветра осуществляется в результате увода лопастей головки ВЭУ в сторону от ветрового
20
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник АПК
Ставрополья
потока. Благодаря своей простоте, способ нашел широкое применение для ветроустановок с небольшой площадью ометаемой поверхности и малой мощности. Вывод гондолы из-под ветра выполняется с помощью лопаты и пружины. Лопата крепится позади ветроколеса на одной стороне головки ветродвигателя, а пружина на другой. Сила ветра, действующая на лопату, создает вращающий момент, стремящийся повернуть винт в сторону расположения лопаты, при этом возникает противодействующая реакция пружины, которая позволяет развернуть винт на определенный угол.
Рассмотренные системы регулирования ВЭУ обладают одним существенным недостатком. Под действием переменного потока ветра головка ветродвигателя подвержена постоянным автоколебаниям, что приводит к значительному колебанию оборотов вращения и механической мощности на выходном валу.
Одним из возможных решений существующей проблемы следует считать разработку электромеханической конструкции, с дискретным изменением и стабилизацией угла поворота ф между осью вращения воздушного винта и направлением ветрового потока. Вывод головки ВЭУ из-под ветра осуществляется на основе линейного электрического двигателя, рисунок 1.
V
б
Рисунок 1 - Схема электромеханической конструкции регулирования угла поворота головки ВЭУ на основе линейного электродвигателя:
1 - ветроколесо; 2 - вал; 3 - крепеж;
4 - шарнирное соединение;
5 - якорь линейного электродвигателя; 6 - статор линейного двигателя; 7 - флюгер
На рисунке 1 представлена упрощенная схема конструкции ветрогенератора с линейным электродвигателем. Поворот головки ВЭУ вместе с винтом осуществляется в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, совпадающей с осью опоры ВЭУ. Принцип работы установки заключается в следующем. При небольших колебаниях ветра, например, 8-10 м/с, на обмотки статора от блока управления подается постоянное напряжение, и якорь линейного электродвигателя удерживает головку ветроколеса в неподвижном состоянии, угол поворота ф равен нулю, (рис. 1 а). Если же мощность ветрового потока продолжает увеличиваться, то сигнал от анемометра передается на блок управления и на обмотки линейного двигателя поступает импульсное напряжение заставляющее перемещаться якорь и поворачивать головку ВЭУ на угол ф отличный от нуля (рис.1 б). Перемещение як оря продолжается до тех пор, пока механическая мощность ветроустановки и обороты вращения выходного вала не понизятся до номинальных значений, соответствующих нормальной составляющей потока ветра Vn. Предлагаемое дискретное регулирование выводом ветроколеса из-под ветра с помощью линейного электродвигателя позволит обеспечить постоянную мощность и стабильные обороты вращения выходного вала при скоростях ветра превышающих нормальное значение для ветрогенератора.
Вследствие изменения угла ф происходит изменение (согласно задаче управления) объема воздуха, проходящего через ометае-мую винтом поверхность. По мере роста скорости ветрового потока, угол ф увеличивается по вполне определенному закону. При увеличении скорости ветра до критических значений, угол ф должен достигает значений, близких к 90°.
Мощность, извлекаемая ВЭУ из ветрового потока, определяется формулой [7]:
P = C
1ВЭУ ^ p
pV3 S
(1)
где Ср - коэффициент использования энергии ветра;
р - плотность воздуха; V - скорость ветрового потока; S - площадь поверхности, ометаемая воздушным винтом.
Нормальную составляющую потока ветра по отношению к плоскости вращения винта, можно выразить по формуле:
Vn = V cos ф. (2)
Площадь ометаемой винтом поверхности определяем следующим образом:
.2 , п.! , ;2n
S = п (r2 + Irl +l2), где r - радиус ступицы винта; l - длина лопасти (рис. 2).
а
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 1(21), 2016
Рисунок 2 - Схема лопасти и ступицы винта
Таким образом, мощность ВЭУ с учетом из ложенного выше, определяется по формуле:
ря (r2 + 2rl +12)(V cos ф )3
P =C
1 ВЭУ P
(4)
для конкретной ВЭУ можно определить текущий угол ф , при котором будет обеспечена необходимая частота вращения винта ветроэнергетической установки:
-2 + 2rl +12)(V cos ф )3,
РЮу = 0,7(r ^ откуда
(5)
ф = arccos
P
Л
ВЭУ
0,7(r2 + 2rl +12)V3
(6)
Если считать плотность воздуха постоянной р = 1,27 кг/л* , а коэффициент использования энергии ветра Ср принять равным 0,35, то
Расчет был произведен для ВЭУ мощностью 4 кВт (достигаемой при скорости ветра 8 м/с), длина лопасти - 3 м, радиус ступицы - 0,35 м. В ходе расчета получены значения мощности ВЭУ, как функции скорости ветра и угла ф вывода оси винта от направления ветрового потока Результаты расчета представлены в таблице 1.
На рисунке 3 представлены графики, связывающие между собой скорость ветра, мощность ветродвигателя и углы вывода оси винта от вектора ветрового потока.
Таблица1 - Зависимость мощности винта от скорости ветра и угла вывода оси винта от вектора
ветрового потока
l
ф \ 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
0 978 1690 2683 4005 5702 7822 10411 13516 17185 21463 26399 32038
10 934 1614 2562 3825 5446 7471 9944 12909 16413 20500 25214 30600
20 811 1402 2226 3323 4731 6490 8639 11215 14259 17809 21905 26584
30 635 1097 1743 2601 3704 5080 6762 8779 11162 13941 17146 20809
40 440 759 1206 1800 2563 3516 4680 6076 7725 9648 11867 14402
50 260 449 713 1064 1514 2077 2765 3590 4564 5700 7011 8509
60 122 211 335 501 713 978 1301 1690 2148 2683 3300 4005
70 39 68 107 160 228 313 417 541 688 859 1056 1282
80 5 9 14 21 30 41 55 71 90 112 138 168
Рисунок 3 - Изменение мощности ветродвигателя в зависимости от значений скорости
ветра и углов вывода ф
Из графиков видно, что увеличение значений угла ф приводит к снижению мощности ветродвигателя. При ф=80° мощность ветродвигателя незначительна.
Результаты, приведенные выше, наглядно можно представить в виде поверхности функции Р = / (V ,ф ) показанной на рисунке 4. Из ри-
сунка видно, что вдоль линии АВ мощность ВЭУ приблизительно равна 4 кВт. Таким образом, можно поддерживать необходимую мощность ветроустановки, подбирая такие значения углов вывода ф, при которых значения мощности будут близки к линии АВ.
22
,,„ „„„„, щ ^ Ставрооодья
научно-практический журнал
Рисунок 4 - Наглядное представление функции Р = / (¥,ф )
В ходе расчета получены значения углов ф, необходимые для поддержания заданной мощности, они приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Значения угла ф в зависимости от скорости ветра
V м/с 8 9 10 11 12 13 14 15 16
9, ° 0,8 27,3 36,9 43,3 48,2 52,0 55,2 57,8 60,0
По значениям угла ф, построен график в функции приращения угла Дф в зависимости от скорости ветра (рис. 5):
АФ г = Ф г+1 " Ф г, (7)
где / - текущее значение скорости ветра.
Из рисунка 5 видно, что приращение угла Дф находится в обратной зависимости от скорости ветрового потока. Таким образом, с увеличением значений углов вывода ф, требуются все меньшие их приращения с ростом скорости ветра. Использование предложенной системы вывода воздушного винта из ветрового потока при больших его скоростях позволит снизить обороты винта ВЭУ с целью поддержания стабильных параметров частоты питающего тока и напряжения на выходе электрогенератора.
Рисунок 5 - График приращения Дф в зависимости от скорости ветра
В отличие от существующих на сегодняшний день способов защиты от ураганного ветра, предложенная конструкция с использованием линейного электродвигателя, позволит осуществлять выработку электроэнергии в режиме номинальной мощности даже при высоких скоростях ветра. Предлагаемая система
регулирования частоты вращения винта и защиты от ураганного ветра может быть применена для ВЭУ малой мощности, используемых сельскохозяйственными потребителями в крестьянских и фермерских хозяйствах, пасеках, рыболовецких станциях, автономных поселках и т. д.
Вестник АПК
Ставрополья
:№ 1(21), 2016
Литература
1. Безруких П. П., Арбузов Ю. Д., Борисов Г. А. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России. СПб. : Наука, 2002. 314 с.
2. Ветроэнергетические станции / В. Н. Андрианов, Д. Н. Быстрицкий, К. П. Вашке-вич, В. Р. Секторов. М. ; Л. : Госэнергоиз-дат, 1960. 320 с.
3. Никитенко Г. В., Гринченко В. А. Линейный двигатель возвратно-поступательного движения с регулированием амплитуды колебаний якоря // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сб. тр. по материалам науч.-практ. конф. электроэнергетич. фак. / СтГАУ. Ставрополь, 2009. С.407-410.
4. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коно-плев П. В. Ветроэлектростанция автономного электроснабжения потребителей малой мощности // Актуальные проблемы энергетики АПК : материалы IV Меж-дунар. науч.-практ. конф / ФГБОУ ВПО Саратовский государственный аграрный университет им. Н. И. Вавилова ; под ред. А. В. Павлова. Саратов, 2013. С. 233-237.
5. Никитенко Г. В., Коноплев Е. В., Коно-плев П. В. Автономное электроснабжение потребителей с использованием энергии ветра : монография. Ставрополь : АГРУС Ставропольского гос. аграрного ун-та, 2015. 152 с.
6. Автономное электроснабжение потребителей пчеловодческих хозяйств / Г В. Никитенко, Е. В. Коноплев, И. В. Атанов, П. В. Коноплев // Методы и средства повышения эффективности технологических процессов в АПК: опыт, проблемы и перспективы : сб. науч. ст. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. Ставрополь, 2013. С.18-22.
7. Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроу-становки. М. : ОГИЗ ; Сельхозгиз, 1948. 544 с.
8. Шефтер Я. И. Использование энергии ветра. М. : Энергоатомиздат, 1983. 200 с.
9. Янсон Р. А. Ветроустановки : учеб. пособие по курсам «Ветроэнергетика», «Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников энергии», «Введение в специальность» / под ред. М. И. Осипова. М. : МГТУ им. Баумана, 2007. 53 с.
References
1. Bezrukikh P. P., Arbuzov, J. D., Borisov G. A. Resources and the efficient use of renewable energy sources in Russia. SPb. : Science, 2002. 314 p.
2. Wind power station / V. N. Andrianov, D. N. Bystritsky, K. P. Vashkevich, V. R. Sectorov. M. ; L. : Gosenergoizdat, 1960. 320 p.
3. Nikitenko G. V., Grinchenko V. A. Linear motor reciprocating motion with variable amplitude of oscillation of the armature // Methods and means of increase of efficiency of use of electrical equipment in industry and agriculture: collect. ac. to the materials of scient.-pract. conf . Electroenerget. fac. / StGAU. Stavropol, 2009. P. 407-410.
4. Nikitenko G. V., Konoplev E. V., Konoplev P. V. Wind power plant autonomous power supply of low power // Actual problems of energy APK: materials of IV Intern. scient.-pract. conf / FGBOU VPO Saratov state agrarian University tit. N. I. Vavilov ; ed. by V. A. Pavlov. Saratov, 2013. P. 233-237.
5. Nikitenko G. V., Konoplev V. E., Konoplev P. V. Autonomous power supply of consumers with the use of wind energy : a monograph. Stavropol :AGRUS of Stavropol st. agricultural University, 2015. 152 p.
6. Autonomous power supply of consumers of beekeeping farms / G. V. Nikitenko, V. E. Konoplev, I. V. Atanov, P. V. Konoplev // Methods and means of increase of efficiency of technological processes in agrarian and industrial complex: experience, problems and prospects : collect. of scient. art. in materialsgs of the internat. scient.-pract. conf. Stavropol, 2013. P. 18-22.
7. Fateev E. M. Windmills and wind turbines. M. : OGIZ; Selhozgiz, 1948. 544 p.
8. Shefter J. E. The Use of wind energy. M. : Energoatomizdat, 1983. 200 p.
9. Janson R. A. Wind turbines : train. manual for the courses: «Wind energy», «Energy alternative and renewable sources of energy», «Introduction in specialty», ed. by M. I. Osipova. M. : MGTU tit. Bauman, 2007. 53 p.
