CC BY
34ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ _WIND ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 04.01.10. Ред. рег. № 673 The article has entered in publishing office 04.01.10. Ed. reg. No. 673
УДК 621.311.24
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ГРЦ-ВЕРТИКАЛЬ
Е.В. Соломин
ООО «ГРЦ-Вертикаль» 456300 Челябинская обл., г. Миасс, Тургоякское шоссе, д. 1 Тел. (912) 317-1805, факс: (351) 264-7694, e-mail: src-vertical@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 15.01.10 Заключение совета экспертов: 20.01.10 Принято к публикации: 25.01.10
В статье описаны достижения российских ученых предприятия ГРЦ-Вертикаль по созданию новых конструкций ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения. Дан обзорный материал по преимуществам и недостаткам типов ветровых турбин.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, турбины, альтернативная энергетика.
SRC-VERTICAL WIND TURBINES E.V. Solomin
"SRC-Vertical", Ltd. 1 Turgoyaksky road, Miass, Chelyabinsk reg., 456300, Russia Tel. (912) 317-1805, fax: (351) 264-7694, e-mail: src-vertical@mail.ru
Referred: 15.01.10 Expertise: 20.01.10 Accepted: 25.01.10
The article describes the achievements of Russian scientists of SRC-Vertical in the development of new design of vertical axis wind turbines. There is some information about advantages and disadvantages of the wind turbine types.
Евгений Викторович Соломин
Сведения об авторе: генеральный директор ООО «ГРЦ-Вертикаль», генеральный директор НИИ «Уралмет», канд. техн. наук, доцент кафедры «Электротехника» Южно-Уральского государственного университета.
Образование: Челябинский политехнический университет, Московский станкостроительный институт, Будапештский Технический Университет (Венгрия). Специальность «Роботы и робототехнические комплексы».
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, ветроэнергетика.
В последнее время человечество успешно использует так называемые источники возобновляемой, альтернативной, или «зеленой» энергии, основными из которых являются ветер, солнце, волны, приливы-отливы, геотермальные источники и т.д., позволяющие вырабатывать электрическую энергию с помощью технических устройств без нанесения ущерба окружающей среде.
Одним из наиболее привлекательных альтернативных источников энергии являются ветроэнерге-
тические установки (ВЭУ) [1]. Их спектр сегодня достаточно широк, и обычному потребителю достаточно трудно разобраться в их преимуществах и недостатках.
Самые распространенные на сегодня ветроагрегаты - турбины с горизонтальной осью вращения [2]. Этот тип установок является традиционным и известен с давних пор, так как использовался в виде ветряных мельниц и других машин для осуществления различных операций - закачки воды, подъема тяжестей и т.д.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Рис. 1. Традиционные горизонтально-осевые ветроэнергетические установки Fig. 1. Traditional horizontal axis wind turbines
В установках с вертикальной осью вращения, менее известных, чем горизонтально-осевые, эта проблема не возникает, однако они также имеют свои преимущества и недостатки. Отставание в освоении вертикально-осевых ВЭУ вызвано несколькими причинами. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса - в 1929 г., ротор Дарье - в 1931 г., ротор Масгроува - в 1975 г.) [2]. Кроме этого, до недавнего времени главным недостатком вертикально-осевых ВЭУ считалось [3], что для них невозможно получить отношение максимальной линейной скорости лопастей к скорости ветра больше единицы.
Это утверждение, справедливое только для тихоходных роторов типа ротора Савониуса (рис. 3), использующих различные сопротивления лопастей при их движении по ветру и против ветра, привело к теоретическим выводам о том, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных [3], в связи с чем этот тип ВЭУ почти 40 лет в мире не разрабатывался. И только в 60-70-х годах XX века было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье (рис. 4), использующим подъемную силу лопастей [3]. Для подобных роторов указанное максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра Ср не ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ [3].
В данном случае определенную роль играет и то обстоятельство, что объем теоретических исследований принципиально новых вопросов аэродинамики ротора и опыт разработки, отработки и эксплуатации вертикально-осевых ВЭУ гораздо меньше, чем горизонтально-осевых пропеллерных.
С изобретением электричества этот тип турбин был превращен в ветроэнергетические установки, иногда называемые ветрогенераторы (хотя данный термин несколько не подходит для определения устройства, которое не генерирует, а «потребляет» ветер), рис. 1. Принято считать, что первая промышленная ветроэнергетическая установка была сконструирована в Дании в 1890 г. [2].
Однако у этих машин есть один существенный недостаток - они долго «думают», прежде чем развернуть свои лопасти «на ветер», направление которого меняется каждую секунду.
Рис. 2. Зависимость ометаемой площади турбины от угла направления ветра Fig. 2. Dependence of swept area on the wind direction angle
Из диаграммы на рис. 2 видно, что ометаемая площадь, составляющая основу для расчета выходной мощности ветроэнергетической установки и равная площади, охватываемой лопастями установки, существенно меняется с отклонением оси вращения ветроустановки от вектора потока ветра. Очевидно, что таким же образом будет изменяться и эффективность установки.
Рис. 4. Вертикально-осевые ветроэнергетические установки Дарье Fig. 4. Darrieus vertical axis wind turbines
Современные вертикально-осевые установки являются более эффективными, чем традиционные горизонтально-осевые, в тех регионах, где направление ветра постоянно меняется [4]. Кроме того, благодаря особенности конструкции и практически полному отсутствию срыва потока с лопастей они не генерируют паразитные низкочастотные колебания, опасные для живых организмов [5]. Тем не менее, к основному недостатку вертикально-осевых конструкций можно отнести наличие низкочастотных вибраций, возникающих за счет дисбаланса ротора, сложно устраняемого современными техническими методами. В отличие от горизонтально-осевых установок, имеющих горизонтальное положение вала ротора, который самостоятельно центрируется за счет сил гравитации, вертикально-осевому ротору при малейшем дисбалансе достаточно небольшое внешнее возмущение для появления вибраций, приводящих к целому ряду негативных явлений.
Горизонтально-осевые установки, как правило, используют мультипликатор [2], служащий для увеличения скорости вращения ротора генератора, что, с одной стороны, приводит к выработке большего удельного объема энергии, а с другой стороны, привносит шумы и потери в механической передаче, ведет к снижению срока эксплуатации агрегата и сложности обслуживания и ремонта. Вертикально-осевые конструкции отличает отсутствие мультипликатора и низкий уровень шума и вибраций отбалансированного ротора. Нижнее положение генератора с приводным валом от ротора снижает установочные и эксплуатационные затраты.
Тем не менее, споры ученых о преимуществах тех или иных установок продолжаются [6], и потребителю остается одно - примириться с наличием великого множества механизмов, преобразующих движение потока ветра в электрическую энергию, точно так же, как и с наличием множества автомобилей различных производителей и модификаций.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
История создания ГРЦ-Вертикаль
ООО «ГРЦ-Вертикаль» создано на базе ФГУП Государственный Ракетный Центр (КБ им. академика В.П. Макеева) и Научно-исследовательского института «Уралмет» в 2002 г. как предприятие с непосредственным участием КБ и НИИ. Создание предприятия было обосновано, во-первых, наличием разработок КБ им. В.П. Макеева в области горизонтально-осевых конструкций до 100 кВт [7] и возможностью использования мощной лабораторной базы КБ, а во-вторых, разработками НИИ в области генераторов и контроллеров вертикально-осевых конструкций [8]. Кроме того, предпосылкой для создания предприятия явилась возможность открытия бюджетного финансирования со стороны Национальной лаборатории Лоуренс Беркли (США), заинтересованной в разработке малых вертикально-осевых ветроэнергетических установок.
Деятельность предприятия с самого начала была сфокусирована на разработке и выпуске малых вертикально-осевых ветроэнергетических установок мощностью 1-100 кВт, а также систем и комплексов, включающих в себя энергосберегающие приборы, автономные системы очистки воды, водородные системы бесперебойного питания и другие уникальные агрегаты [9]. Лабораторной и экспериментальной базой фирмы является лабораторно-испытательный комплекс КБ им. В.П. Макеева.
Традиционная трехлопастная ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью вращения мощностью 100 кВт была разработана в 1995 г. силами Государственного Ракетного Центра [7]. Однако из-за недостаточного финансирования работы по доработке конструкции ветроустановки с горизонтальной осью вращения были прекращены. Подход к конструкции ВЭУ со временем был пересмотрен, и было решено разрабатывать установки с вертикальной осью вращения в силу ряда их бесспорных преимуществ.
В результате теоретических изысканий и экспериментов с моделями ротора Савониуса к 2001 г. НИИ «Уралмет» создал ряд моделей, показавших на полевых испытаниях низкий (до 17%) КПД таких установок (рис. 5), в связи с чем было решено освоить иные, более эффективные вертикально-осевые конструкции.
В 2002 г. Государственный Ракетный Центр и НИИ «Уралмет» объединились для проведения совместных работ в области ветроэнергетики. Основные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в 2002-2009 гг. были основаны на улучшении ротора «H-Дарье» и его компонентов.
В 2004-2008 гг. ООО «ГРЦ-Вертикаль» при содействии корпорации Empire Magnetics, Inc. (США) и Национальной лаборатории Лоуренс Беркли (США) выиграло ряд грантов Департамента энергетики США на разработку малообслуживаемых высокоэффективных ветроустановок нового типа. Финан-
сирование осуществлялось через МНТЦ (Международный Научно-Технический Центр).
За период 2002-2009 гг. ученые ГРЦ-Вертикаль разработали семейство ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения (рис. 6) [8]. Установлено, что в вертикально-осевых ВЭУ можно использовать два типа генератора: тихоходный с плоским (аксиальным) зазором, а также с комбинированным возбуждением и стабилизацией выходного напряжения [10]. Кроме того, были разработаны аэродинамические тормоза, находящиеся на горизонтальных траверсах и служащие для стабилизации скорости вращения ротора. Эти установки стали комплектоваться специальным электронным регулятором для стабилизации напряжения. Исследователи подобрали соответствующие инверторы, бензогенераторы и другие устройства питания и сопряжения для выпускаемых ветроэнергетических установок. В настоящее время ведутся работы по улучшению конструкций, а также по сопряжению нескольких ВЭУ в ветропарк.
Рис. 5. Первый ротор Савониуса Fig. 5. First Savonius wind turbine
Рис. 6. Семейство ветроэнергетических установок ГРЦ-Вертикаль Fig. 6. SRC-Vertical wind turbine family
В 2007 г. в ГРЦ-Вертикаль начато мелкосерийное производство ветроэнергетических установок мощностью 1 и 3 кВт (рис. 6). С 2007 г. ряд установок проходил полевые (натурные) испытания в России и США. С 2009 г. в рамках государственных контрактов Роснауки и ОИВТ РАН фирма разрабатывает микророторы для гибридных ветро-солнечных установок мощностью 100 Вт для систем автономного освещения общественных мест на основе светодиодных матриц (рис. 7).
В настоящее время ведется изготовление образцов ВЭУ мощностью 5 кВт (рис. 8), в стадии сборки опытного образца находится ВЭУ-30 (30 кВт).
Конструкции роторов, генераторов и других компонентов ВЭУ ГРЦ-Вертикаль защищены рядом патентов в России, США и ряде других стран (рис. 9) [11].
Рис. 8. ВЭУ-5 (5 кВт) Fig. 8. 5 kW wind turbine
Рис. 7. Гибридная ветро-солнечная установка со светодиодной матрицей Fig. 7. Hybrid wind-solar system with LED matrix
Рис. 9. Российский патент на конструкции ВЭУ Fig. 9. Russian patent on wind turbine family
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Коммутатор Потребитель
Рис. 10. Схема сопряжения ВЭУ с устройствами Fig. 10. Diagram of wind turbine and other devices connection
Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль могут сопрягаться с традиционным электротехническим оборудованием (рис. 10), что значительно расширяет их применение.
Сегодня в разработках ГРЦ-Вертикаль принимает участие более 200 ученых, конструкторов, инженеров, технологов и других специалистов во многих областях, которые внесли серьезный вклад в развитие ветроэнергетики России.
Список литературы
1. Безруких П.П. Использование энергии ветра. Техника, экономика, экология. М.: Колос, 2008.
2. Лятхер В.М. Развитие ветроэнергетики // Малая энергетика. 2006. № 1-2 (4-5). С. 18-38.
3. Соломин Е.В., Грахов Ю.В., Кирпичникова И.М. Программно-математическая модель ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения // Матер. V Межд. научно-практ. конференции «Возобновляемые источники энергии. Ресурсы. Системы энергогенерирования на возобновляемых источниках энергии. М., 2008. С. 41-42.
4. Соломин Е.В., Кирпичникова И.М., Кривоспицкий В.П. Ветроэнергетические установки «ГРЦ-Вертикаль» // Вестник МАНЭБ. Приложение «По Матер. I Межд. науч-но-практ. конференции «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, опыт применения». СПб.-Чита, 2008. Т. 13, № 3. С. 129-134.
5. Соломин Е.В., Кирпичникова И.М. Социальные, экономические и правовые аспекты размещения ветроус-тановок на зданиях и сооружениях // Малая энергетика. М.: Изд-во НИИЭС. 2009. № 1. С. 56-61.
6. Концепция использования ветровой энергии в России. Комитет Российского Союза научных и инженерных общественных организаций по проблемам использования возобновляемых источников энергии / Под ред. П. П. Безруких. М.: Книга-Пента, 2005.
7. Соломин Е.В., Грахов Ю.В., Кирпичникова И.М. и др. Ветроэнергетика для дома и офиса. Ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения мощностью 1.. .100 кВт для дома и промышленности // Матер. V Межд. научно-практ. конференции «Возобновляемые источники энергии. Ресурсы. Системы энергогенерирования на возобновляемых источниках энергии». М., 2008. С. 37-39.
8. Соломин Е. В. Вертикально-осевые ветроэнергетические установки: «Сделано в России» // Материалы Межрегионального совета по науке и технологиям. «Механика и процессы управления» и «Проблемы машиностроения». Екатеринбург-Миасс: УрО РАН, 2008. С. 17-19.
9. Соломин Е.В. О компании // Сайт ООО «ГРЦ-Вертикаль» www.src-vertical.com. Челябинск, 2007.
10. Соломин Е. В. Особенности вертикально-осевых ВЭУ производства «ГРЦ-Вертикаль» // Малая энергетика. М.: Изд-во НИИЭС. 2008. № 3(8). С. 57-61.
11. Пат. 2244996 РФ, МПК7 Н 02 К 19/16 1/06. Генератор переменного тока / Е.В. Соломин. Заявка № 2003124088/09 от 31.07.03 // БИ. 2005. № 2.
гхп
- TATA —
