CC BY
117
DOI: 10.18454/IRJ.2016.54.212
Бубенчикова Т.В.1, Молодых В.О.2, Руденок А.И.3, Данилов Д.И.4, Шевченко Д.Ю.5
1,2,3,4,5Студент-магистрант Омский государственный технический университет Работа выполнена при поддержке гранта № МК-5098.2016.8 ВЫБОР ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ВЭУ
Аннотация:
С бурным развитием технологий ветроэнергетики и существенным ростом ее мощности, были разработаны различные концепции ветроустановок. Система преобразования ветровой энергии требовала быть более конкурентоспособной, поэтому сравнение различных генераторов, применимых для ветроустановок, необходимо. Выбор типа генератора является главным вопросом комплектации ветроустановок. В настоящий момент, независимо от мощности и типа крыльчатки, почти всегда в них устанавливают асинхронные генераторы. Расширение диапазона мощностей ветроэнергетических установок требует определения вида генератора с учетом этих параметров. Здесь представлен обзор различных ветрогенераторов и их сравнения. Затем представлены количественные сравнения различных ветряных генераторов и их проникновение на рынок.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, ветроэнергетические установки, электрогенераторы, асинхронные генераторы, синхронные генераторы.
Bubenchikova T.V.1, Molodikh V.O.2, Rudenok A.I.3, Danilov D.I.4, Shevchenko D.Y.5
1,2,3,4,5Undergraduate student, Omsk State Technical University This work was supported by grant number MK-5098.2016.8 SELECTION OF ELECTRICAL GENERATORS FOR WIND TURBINES
Abstract
With the rapid development of wind energy and the significant growth of its power technology, varieties of wind turbine concepts were developed. Wind energy conversion system is required to be more competitive, so a comparison of different generators applicable for wind turbines is necessary. Choosing the type of generator is the main issue of wind power equipment. At the moment, regardless of the power and the impeller type, almost always they set asynchronous generators. The expansion of wind power plants power range requires the determination of the form of the generator with these parameters. Here is an overview of the various wind turbines and their comparison. In addition, it presents quantitative comparisons of different wind generators and their market impact.
Keywords: renewable energy, wind turbines, generators, asynchronous generators, synchronous generators.
Недостаточность и неравномерность размещения ископаемых энергетических носителей по Земле с каждым годом становится все более важной проблемой. Стоит задача о незамедлительном нахождении и практическом использовании возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для решения энергетических проблем [1]. По данным Международного энергетического агентства (МЭА) первичные энергоносители, или классические источники производства энергии, составляют на данный момент основу электроэнергетики любой страны. По данным МЭА электростанции работают: на нефти - 38 %, на природном газе - 20 %, на угле - 27 %, что составляет 85 % от общего производства энергетических ресурсов. Остальные 15 % приходятся на АЭС и на электростанции, работающие от возобновляемых энергетических источников. Росту интереса к ВИЭ содействовало подорожание с 70 -х годов 20 века энергоносителей (преимущественно нефти), которое, в свою очередь, создало сокращение использования минеральных топливных ресурсов для выработки электрической энергии. Объем добычи и стоимость энергоносителей в большей степени определяют направление развития мировой энергетики. К тому же, тепловая и атомная энергетика создают сильные нарушения в окружающей природной среде, а расширение масштабов производства электрической энергии на базе органического топлива может повергнуть к глобальным экологическим проблемам для всей планеты. Все это способствует повышению внимания к ВИЭ [2].
Западная Европа стремительной скоростью развивает энергетику на возобновляемых и неиссякаемых источниках - альтернативную энергетику, главная роль в которой относится к ветроэнергетике, как самому широкодоступному способу получения энергии среди возобновляемых источников.
Среднегодовой темп роста установки ветряной турбины составляет около 30% в течение последних 10 лет [3]. В конце 2006 года, мощность выработки ветряной энергии увеличилась до 74 223 МВт с 59 091 МВт в 2005 году (Рис. 1). К концу 2020 года, ожидается, что эта цифра возрастет более чем до 1 260 000 МВт, которой будет достаточно для 12% потребления электроэнергии в мире [4], [5]. Рис. 2 изображает общую установленную мощность энергии ветра в некоторых странах с 1985 по 2006 год. Странами с наибольшей общей установленной мощностью являются Германия (20 622 МВт), Испания (11 615 МВт), США (11 603 МВт), Индия (6270 МВт) и Дания (3136 МВт). По данным доклада глобального совета по ветровой энергии, Европа по-прежнему лидирует на рынке с 48 545 МВт установленной мощностью в конце 2006 года, что составляет 65% от мировой. Европейская ветроэнергетическая ассоциация поставила перед собой цель удовлетворить 23% европейских электрических потребностей в энергии ветра к 2030 году [6]. Понятно, что глобальный рынок для электроэнергии, выработанной генераторами ветровой турбины, неуклонно растет, что непосредственно толкает ветровую технологию в более конкурентную область.
Рис. 1- Установленная мощность мировой ветряной энергии (1980 - 2006)
1990 1995
год
Рис. 2 - Общая установленная мощность ветряной энергии в различных странах (1980 - 2006)
Развитие технологии современного преобразования ветряной энергии начинается с 1970 годов, и быстрый рост наблюдается с 1990-х годов.
Выгодность ветроэнергетической установки (ВЭУ), значение КПД зависят не столько от конструкции лопастей и другого оборудования, но от правильности выбора электрогенератора.
Основная цель данной работы - дать общий анализ различных типов генераторов для ветроэнергетических установок, а также сравнения их в литературе и на рынке. Статья организована следующим образом. Во-первых, представлены количественные сравнения разных ветряных генераторных систем, основанные на имеющихся сведениях из технической литературы. Во-вторых, показаны тенденции и представленные разработки систем ветряного генератора и критерии сравнения их.
Определение типа ветрогенератора. Для работы на единую энергетическую сеть необходимы ветроэнергетические установки большой мощности, порядком в несколько МВт. Для поддержания уровня жизни в мелких населенных пунктах и в индивидуальных хозяйствах требуется сооружать системы малых энергоустановок [7]. Исходя из опыта вышеупомянутых стран известно, что суточная потребность семьи в деревне и селах составляет до 2 кВт*час, зажиточного крупного фермерского хозяйства - до 10 кВт, маленькой деревни (до 30-40 семей) - 50 кВт*час. Малая ветроэнергетика является малотребовательной к территории. Локальные ветроустановки могут быть применимы практически везде, где среднегодовая скорость ветра не менее 4-5 м/с, а для тихоходных многолопастных ветроэнергетических установок - не менее 3 м/с [8].
Главные проблемы создания и обслуживания ветроустановок - это их эффективность, безопасность и надежность, воздействие на окружающую среду, а к основным проблемам технического характера относятся - выбор расчетных параметров ветроэнергетических установок, аэродинамического профиля ветроколеса, конструктивных и компоновочных решений основных узлов, методов и способов монтажа. Выбор расчетных параметров для каждой определенной ветроэнергетической установки приходится на установление расчетной скорости ветра, единичной мощности и размеров ветроколеса, установленной мощности и типа генератора, определения системы регулирования, условий монтажа и обслуживания ветроустановок. Отсюда следует вывод, что определение типа генератора для ветроэнергетической установки следует отнести к основным вопросам ветроэнергетики.
Выбором типов генераторов для ветроустановок занимались такие известные ученые как: Вольдек А.И., Балагуров В.А., Завалишин Д.А., Данилевич Я.Б., Ледовской А.Н., Сидельников Б.В., H. Li, Z. Chen, D. Bang, H. Polinder, G. Shrestha, J.A. Ferreira и др.
Генератор - главный элемент электрооборудования автономной энергоустановки. Помимо прямого назначения генератор обязан выполнять определенные функции по стабилизации и регулированию параметров, которые отвечают за качество производимой электрической энергии.
Такие работы ведутся учеными всего мира. В Греции (г. Афины) изучают возможность эксплуатации асинхронизированного генератора двойного питания; в Великобритании (г. Ноттингем) - коммутируемый реактивный синхронный генератор; в Нидерландах и Шотландии тестируют управляемый реактивный синхронный генератор для безредукторной установки; в Японии (г. Хатинойе) - работу асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором, оборудованного системой тиристорного управления реактивной мощностью в цепи статора и т.д [9]. Но почти все генераторы данных типов, при современном положении экономики, к промышленному выпуску возможно будут предложены только после тщательного анализа.
Необходимо веское обоснование выбора типа генератора, т.к. выбор потребует огромных материальных капиталовложений в организацию их производства, такие как научные исследования, создание новых технологических процессов и оснащения, экспериментальных стендов, подготовка инженерно-технического персонала и рабочих. Таким образом, на наш взгляд, более оптимально использование классических типов генераторов или генераторов специального типа, но более традиционного, исполнения, что также в свою очередь является значительным фактором при определении типа генератора.
Для использования на ветроэнергетических установках возможны следующие типы генераторов:
1) асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором;
2) синхронные генераторы с электромагнитным возбуждением;
3) асинхронизированный синхронный генератор;
4) асинхронные генераторы с фазным ротором;
5) синхронные генераторы (СГ) с магнитоэлектрическим возбуждением, т.е. с возбуждением от постоянных магнитов.
6) Специальные СГ: индукторные СГ, генераторы с когтеобразным ротором и некоторые другие.
Каждый из вышеуказанных типов генераторов имеет свои «плюсы» и «минусы». Ниже представлена краткая информация этих факторов для каждого типа, табл. 1.
Таблица 1 - Преимущества и недостатки разных типов генераторов для ветроустановок
№ пп Тип генератора Преимущества Недостатки
1 Асинхронный генератор с короткозамкну-тым ротором 1) простота и надежность в обслуживании; 2) невысокая стоимость; 3) имеют сравнительно малые колебания генерируемой мощности, электромагнитного момента и тока при параллельной работе и при переменной скорости ветра и его порывах. 4) возможно устанавливать безредукторные установки с хорошими массогабаритными показателями, высоким КПД и возможностью регулировать напряжение и его частоту в широких пределах. 1) необходимость установления редукторов, т.к. используют дешевые тихоходные турбины (с частотой вращения 20-30 об/мин). Поэтому генератор присоединяют через редуктор с высоким коэффициентом преобразования (Кред=50-70), что требует дополнительных расходов на установку, обслуживание, ремонт, снижает надежность, является источником механического шума. 2) невозможно управлять режимными параметрами, что необходимо при порывистом ветре; 3) для работы в автономном режиме необходим автономный источник реактивной мощности; 4) ограничение в промышленном применении из-за искаженной формы выходного напряжения и неудовлетворительных динамических свойств.
2 Синхронный генератор с маг-нитоэлек-трическим возбуждением 1) исключение скользящего контакта, 2) высокая надежность работы, 3) высокое значение КПД. 1) необходимость в приобретении дорогих постоянных магнитов 2) постоянство магнитного потока, невозможность его регулировать. 3) высокая стоимость. 4) отсутствие отечественной базы производства.
Окончание табл. 1 - Преимущества и недостатки разных типов генераторов для ветроустановок
№ пп Тип генератора Преимущества Недостатки
3 Асинхронный генератор с фазным ротором 1) Возможно использовать в автономных системах в сочетании с другими машинами. Возможно каскадное соединение двух АГ или соединение АГ и ДПТ с параллельным возбуждением. 2) простота в обслуживании; 3) надежность, 4) имеют сравнительно малые колебания генерируемой мощности, электромагнитного момента и тока при параллельной работе, при переменной скорости ветра и его порывах. 1) необходимость установления редукторов, т.к. используют дешевые тихоходные турбины (с частотой вращения 20-30 об/мин). Необходим редуктор с высоким коэффициентом преобразования (Кред=50-70), что требует дополнительных расходов на установку, обслуживание, ремонт, снижает надежность, является источником механического шума. 2) невозможно управлять режимными параметрами, что бывает необходимо при порывистом ветре; 3) в автономном режиме необходим автономный источник реактивной мощности; 4) ограничение в промышленном применении из-за искаженной формы выходного напряжения и неудовлетворительных динамических свойств. 5) наличие скользящего контакта, что снижает надежность.
4 Специальные СГ с магнито-электрическим возбуждением 1) исключение скользящего контакта; 2) просты и удобны в эксплуатации, высокое КПД; 3) сохраняют устойчивые рабочие характеристики на протяжении не менее десяти лет. 1) необходимость в приобретении дорогих постоянных магнитов 2) постоянство магнитного потока, т.е. невозможность его регулировать; 3) высокая стоимость генераторов; 4) отсутствие отечественной базы производства
5 СГ с электромагнитным возбуждением 1) При применении преобразователя с явным звеном постоянного тока и инвертором напряжения при широтно-импульсном управлении, возможно получить в токе низкий состав гармоник, улучшение динамических свойства объекта; 2) возможность управления реактивной мощностью с генераторной стороны. 1) выше стоимость, сложнее конструкция, ниже надежность, чем у АМ; 2) наличие скользящего контакта и необходимость источника постоянного тока для обмотки возбуждения; 3) при необходимости безредукторной установки усложняется конструкция, увеличивается вес и цена; 4) жесткая зависимость частоты ЭДС от скорости вращения. Это ограничивает, а в регионах с резкими порывами ветра делает невозможным, использование СГ для прямого включения в сеть без ППЧ. 5) Для обеспечения параметров тока и напряжения с допустимыми техническими характеристиками необходимо применять преобразователи с явным звеном постоянного тока и инвертором напряжения.
6 Асинхрони-зированный синхронный генератор 1) Возможно использовать в автономных системах в сочетании с другими машинами. Возможно каскадное соединение с АГ или соединение с АГ и ДПТ с параллельным возбуждением. 2) Большая устойчивость. 1) наличие на роторе скользящего контакта для подвода напряжения к обмотке возбуждения ротора и необходимость в преобразователе частоты для регулирования напряжения возбуждения; 3) при отклонении скорости от синхронной требуется значительное увеличение реактивной мощности и напряжения в обмотке возбуждения. 4) при приближении скольжения к нулю и несинусоидальности в выпрямителе, питающем обмотку возбуждения, в напряжении генератора возникают значительные субгармоники, а при параллельной работе и регулировании напряжения по величине и фазе скольжения, в вырабатываемом напряжении возникают пульсации, практически повторяющие пульсации момента ветротурбины.
Эффективность работы ВЭУ не сильно зависит от направления ветра. Однако, на различной местности, ветры разных румбов имеют неодинаковую порывистость и скорость. Их цикличность определяют по розе ветров. Угловые градиенты скорости оказывают сильное влияние на работу механизмов автоматической ориентации и на величину гироскопических нагрузок [10]. Мощность ВЭУ [11]:
Р = Ср* — * — * уэл * у^ В т (1)
где р - плотность воздуха, изменяющаяся сезонно, и зависящая от давления и температуры, кг/м 3;
V - скорость ветра, м/с;
СР - коэффициент мощности ветроустановки;
D - диаметр ветроколеса, м;
]эл - КПД генератора;
]]мех - КПД ветроустановки.
Согласно мнению многих исследователей, (EWEA, 1991; Андерсон, 1992, Beurskens and Jensen, 2001), для ориентировочного расчета количества вырабатываемой электроэнергии в год (Э, кВт час), при известной средней скорости ветра на участке установки ветротурбины, можно использовать формулу [11]:
(2)
где K = 3,2 - численный коэффициент, полученный для типичных характеристик работы ветрогенератора, зная приблизительное значение средней скорости и частоту изменения скорости ветра;
- среднегодовая скорость ветра через сечение поверхности, образуемой лопастями ветротурбины, м/с;
А t - сечение поверхности, образуемой лопастями ветротурбины, м2;
N - число ВЭУ, шт.
Рассматривая энергетические соотношения, условимся пренебрегать потерями в системах и примем коэффициент мощности cos9=const. Уравнения баланса мощностей для автономной системы электроснабжения имеющей асинхронный генератор с самовозбуждением при включении конденсаторов в цепь статорной обмотки представим в виде:
m1*U1* I1* cos(р1 = m1*U1* 11* соs(ръ (3)
Далее запишем уравнения баланса реактивных мощностей при активно-индуктивной или активной нагрузке, и при использовании в генераторной установке только шунтирующих конденсаторов или шунтирующих и компаундирующих конденсаторов.
т1
-I2*a> ,*L ] = Q аг'> (4)
1к _ m 1 * 77Т7 = Q АГ'-
С01 * С
ск
= qa
АГ'
т* + тл * 12 * \—---со 1 * Ь 1 = Олг,
1 ш !* С 1 и 1* Ск 1 ]
тл II а>1 С
где I 1, I , 4 - токи фазы генератора, нагрузки и шунтирующих конденсаторов, А;
- напряжение на статорной обмотке, В;
- угловая частота напряжения генератора;
Ь - индуктивность фазы нагрузки;
- емкость шунтирующих и компаундирующих конденсаторов;
ср 1; ср - фазовые угл^1 сдвига генератора и нагрузки;
- количество фаз генератора;
т 1 *и1*11* с о б р 1 = РЭМ - электромагнитная мощность генератора, Вт;
(}АГ - реактивная мощность генератора, определяемая из соотношения:
т1 * и1 * ^ * б т р 1 = ((АГ
Уравнения баланса реактивной мощности могут быть использованы для автономной системы лишь тогда, когда для выравнивания частоты у потребителей автономной системы не применяется вставка выпрямитель -инвертор. Если данная вставка имеется, то балансы реактивной мощности составляются отдельно для АГ (асинхронного генератора) с целью его возбуждения и для автономной электрической сети с целью обеспечения надлежащего качества электроэнергии путем компенсации реактивной мощности.
При совместной параллельной работе генераторов на активно-индуктивную нагрузку их активные мощности складываются, а реактивная мощность системы становится равной суммарной реактивной мощности шунтирующих и компаундирующих конденсаторов [14].
Работа любой асинхронной машины в генераторном режиме требует наличие источника реактивной мощности. Значение емкости, необходимой для возбуждения генератора при данной частоте [13]:
_ 1
° ~ [(2п* Г,)2* (Ь1 + Ьт)]
где и - индуктивность обмотки статора и намагничивающего контура генератора, Гн.
В общем случае, емкость, требующаяся для получения напряжения на генераторе при значении нагрузки, определяется:
т1 * и^
¿с = -^- = ¿г + (н = Рг Ьд Рг + РнЬ3 <Рн.ваР-
АГ
Примем Рг = Рн= Рном и выразим
Хс =-= —— ,Ом,
о)! С 27ГДС
и получим финальное значение емкости, необходимой для работы асинхронного генератора с переменной частой вращения приводного двигателя:
г 0 Ьд <Рг + Ьд <Рн ^
с = р *-Ф
С Рном 2 п[1*т1*и?'Ф'
где Рном - мощность, отдаваемая генератором, Вт;
и с— напряжение на конденсаторах, В; - частота вырабатываемого тока, Гц;
рг и рн - угл^1 сдвига фаз между напряжением иг = ис и токами генератора и нагрузки.
Автономные АГ разумно использовать при значениях
Пг/Пном > 0.9 ■
При меньших г требуемая емкость быстро возрастает и генератор почти полностью загружается реактивным током.
Из уравнения (4) - баланса реактивной мощности для активно-индуктивной нагрузки, - можно найти зависимость угловой частоты вращения вектора напряжения: = с частотой в сети.
АГ в отличие от синхронных генераторов (СГ), которым необходима строгая синхронизация частоты вращения при параллельном включении, в свою очередь могут быть настроены на довольно простую параллельную работу. У параллельно работающих АГ частоты вращения могут различаться, при этом в общей цепи статорных обмоток создается ток такой частоты, которая соответствует резонансу в полной эквивалентной схеме, включающей, помимо цепи нагрузки и конденсаторной батареи, цепи объединенных статорных и роторных обмоток генераторов с соответствующими активными и реактивными сопротивлениями.
АГ находят малое применение в относительно слабых источниках тока в автономных энергоустановках. Соблюдая определенные условия допускается работа в режиме АГ мощных турбогенераторов. Перспективы совершенствования АГ и их более широкого внедрения связаны с проводимой в настоящее время разработкой высокоэффективных легких конденсаторов.
Выводы:
1. Большое количество стран в последние 20-25 лет уделяют особое внимание развитию нетрадиционных способов получения энергии, и немалая часть приходится на использование энергии ветра. Увеличение области использования ВЭУ может идти в направлениях:
- обеспечение электроэнергией малых объектов. Такие ВЭУ должны иметь мощность в пределах 30-100 кВт;
- обеспечение совместной работы с уже имеющимися энергосистемами традиционной энергетики. Мощность таких ВЭС может определяться в интервале 3-15 МВт;
- предоставление электроэнергии промыслам нефтегазовой отрасли, которые находятся вдали от центральных систем энергоснабжения.
2. Установлено, что в автономных электрических сетях, при использовании ВЭУ мощностью до 200 кВт, рекомендуется применение синхронных генераторов (СГ) с постоянными магнитами (СГПМ), которые имеют преимущества по мощности, экономическим показателям, малому количеству потерь и КПД [8]. Этому способствует появление нового поколения ПМ с высокими технико-экономическими показателями, имеющих высокую коэрцитивную силу и возможность долго ее сохранять. В рабочей зоне (воздушном зазоре), с помощью таких магнитов, мы можем получить значение магнитной индукции до 0,8-0,9 Тл, что в некоторых случаях даже превышает значение индукции, получаемое при электромагнитном возбуждении. Учитывая заинтересованность в постоянных магнитах, их производство улучшается, а стоимость снижается, как и стоимость силовой электроники, судя по последним годам.
3. СГ классической конструкции с электромагнитным возбуждением монтируются на установках либо малой, либо очень большой мощности. Технология изготовления и опыт расчета таких машин позволяет устанавливать мощные безредукторные установки (мощностью до 2 МВт) с хорошими структурными показателями, высоким КПД и возможностью регулировать напряжение в широких пределах за счет изменения тока возбуждения.
4. У СГ существует жесткая зависимость частоты генерируемой ЭДС от скорости вала. Если ветер порывистый, то в генераторе образуются высокие значения переменных составляющих в режимных параметрах и вместе с сетью работа таких генераторов ухудшается. Это ограничивает, а в регионах с резкими переменными ветрами делает невозможным, использование СГ для прямого включения в сеть. При такой работе между генератором и сетью устанавливают полупроводниковый преобразователь частоты.
5. Асинхронизированные синхронные генераторы (АСГ) находятся скорее в стадии разработки, чем в стадии промышленного применения. У АСГ к симметричному в магнитном отношении ротору, через три кольца, к трехфазной (иногда, двухфазной) обмотке возбуждения подводят напряжение, величина и фаза которого изменяется пропорционально скольжению. Регулирование напряжения возбуждения осуществляется за счет преобразователя частоты.
6. С быстрым развитием технологий ветротурбин, будущие тенденции в промышленности ветротурбин вероятно будут сконцентрированы на постепенном усовершенствовании уже известных технологий. - Мощность одной ветротурбины будет продолжать возрастать, так как это сокращает стоимость установки ветротурбины, особенно это важно для оффшорных (морских) ветропарков.
- Оффшорная ветряная энергия является более привлекательной, чем эта же энергия на суше в связи с увеличением скорости ветра у моря и свободного пространства.
- Увеличение проникновения энергии ветра в энергетическую систему.
7. Будущий успех разных понятий ветроустановок будет сильно зависеть от их способности соответствовать ожиданиям рынка и требованиям электросетевой компании.
Список литературы / References
1. Кривцов В. С. Неисчерпаемая энергия. Кн. 1. Ветроэнергетика / В. С. Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев. - Харьков : Нац. аэрокосм. ун-т (ХАИ); Севастополь: Севастоп. нац. техн. ун-т, 2004. - 519 с.
2. Григораш О.В. Возобновляемые источники электроэнергии / О.В. Григораш, Ю. П. Степура, Р. А. Сулейманов и др. Краснодар, 2012, с. 272.
3. Chen Z. Wind energy-the world's fastest growing energy source / Z. Chen, F. Blaabjerg // IEEE Power Electronics Society Newsletter. - 2006. - Т. 18. - № 3. - С. 17-19.
4. Hansen A. D. Wind turbine concept market penetration over 10 years (1995-2004) / A. D. Hansen, L. H. Hansen // Wind energy. - 2007. - Т. 10. - № 1. - С. 81-97.
5. Erlich I., Winter W., Dittrich A. Advanced grid requirements for the integration of wind turbines into the German transmission system //2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting. - IEEE, 2006. - С. 7.
6. Global wind energy council (GWEC) global wind 2015 report, available at: http://www.gwec.net/wp-content/uploads/vip/GWEC-Global-Wind-2015-Report
_April-2016_22_04.pdf, accessed September 2016.
7. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки - М.: Сельхозиздат, 1957. -536 с.
8. Сидельников Б.В. Современное состояние и сравнительный анализ конструктивных схем ветрогенераторов /Б. В. Сидельников // Вестник Щецинского технического университета, Польша, 2001.
9. Hall D. Renewable Energy. Power for a Sustainable Future. / D. Hall // Oxford Unit. Press, 1996. - 478 p.
10. Шевченко В.В. Проблемы, перспективы и основные направления развития экологически чистых источников электроэнергии в Украине / В.В. Шевченко, И.Я. Лизан // Качество технологий и образования. Сборник научных трудов. - Вып. 1. - Х.: УИПА, 2011. - С. 77-87.
11. Лукутин Б.В. Энергоэффективные управляемые генераторы для ветроэлектростанций / Б.В. Лукутин, Е. Б. Шандарова, А. И. Муравлев // Известия вузов. Сер. Электромеханика. - 2008. - № 6. - С. 63-66.
12. Шевченко В. В. Анализ возможности использования разных типов генераторов для ветроэнергетических установок с учетом диапазона мощности / В. В. Шевченко, Я. Р. Кулиш // ISSN 2079-3944. Вестник НТУ "ХПИ". 2013. № 65 (1038) - Харьков : Нац. Тех. Ун-т (ХПИ), - 2013. - С. 107-117.
13. Miller N. W. Frequency responsive wind plant controls: Impacts on grid performance / N. W. Miller, K. Clark, M. Shao // 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting. - IEEE, 2011. - С. 1-8.
14. Boyle G. . Renewable Energy. - Oxford University Press, 2004. - 464 с.
Список литературы латинскими символами / References in Roman script
1. Krivtsov V.S. Neischerpaemaya energiya [Unlimited energy]. Kn. 1. Vetroenergetika [Wind power] / V.S. Krivtsov, A.M. Oleynikov, A.I. Yakovlev. - Kharkov : Nats. Aerokosm. Un-t (HAI); Sevastopol: Sevastop. Nats. Tehn. Un-t, 2004. - P. 519. [in Russian]
2. Grigorash O.V. Vozobnovlyaemie istochniki elektroenergii [Renewable energy sources] / O.V. Grigorash, Y. P. Stepura, P.A. Suleymanov i dr. Krasnodar, 2012, P. 272. [in Russian]
3. Chen Z. Wind energy-the world's fastest growing energy source / Z. Chen, F. Blaabjerg // IEEE Power Electronics Society Newsletter. - 2006. - I. 18. - V. 3. - P. 17-19.
4. Hansen A. D. Wind turbine concept market penetration over 10 years (1995-2004) / A. D. Hansen, L. H. Hansen //Wind energy. - 2007. - I. 10. - V. 1. - P. 81-97.
5. Erlich I., Winter W., Dittrich A. Advanced grid requirements for the integration of wind turbines into the German transmission system //2006 IEEE Power Engineering Society General Meeting. - IEEE, 2006. - 7 pp.
6. Global wind energy council (GWEC) global wind 2015 report, available at: http://www.gwec.net/wp-content/uploads/vip/GWEC-Global-Wind-2015-Report
_April-2016_22_04.pdf, accessed September 2016.
7. Fateev E.M. Vetrodvigateli i vetroustanovki [Wind engines and wind turbines] - M.: Selhozizdat, 1957. -536 P. [in Russian]
8. Sidelnikov B.V. Sovremennoe sostoyanie i sravnitelniy analiz konstruktivnih shem vetrogeneratorov [Present status and comparative analysis of construction schemes of wind turbines] // Vestnik Schetsinskogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of the Szczecin Technical University], Polsha, 2001.
9. Hall D. Renewable Energy. Power for a Sustainable Future. / D. Hall // Oxford Unit. Press, 1996. - 478 pp.
10. Shevchenko V.V. Problemi, perspektivi i osnovnie napravleniya razvitiya ekologicheski chistih istochnikov elektroenergii v Ukraine [Problems, perspectives and main directions of development of energy clean sources in Ukraine] / V.V. Shevchenko, I. Y. Lizan // Kachestvo tehnologiy i obrazovania. Sbornik nauchnih trudov [Technology quality and education. Collection of scientific papers]. - R. 1. -H.: UIPA, 2011. -P. 77-87.
11. Lukutin B.V. Energoeffektivnie upravlyaemie generator dlya vetroelektrostanciy [Energy-driven generators for wind power plants] / B.V. Lukutin, E.B. Shandarova, A.I. Muravlev // Izvestiya vuzov. Ser. Elektromehanika [Proceedings of the universities. Series Electromechanics]. - 2008. - № 6. - P. 63-66.
12. Shevchenko V. V. Analiz vozmojnosti ispolzovaniya raznih tipov generatorov dlya vetreoenergeticheskih ustanovok s uchetom diapazona moshnosti [Analysis of the possibility of using different types of generators for wind power plants, taking into account the power range] / V. V. Shevchenko, Y. R. Kulish // ISSN 2079-3944. Vestnik NTU "HPI" [Bulletin of National
Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"]. 2013. № 65 (1038) - Kharkov : Nats. Teh. Un-t (HPI), - 2013. - P. 107-117.
13. Miller N. W. Frequency responsive wind plant controls: Impacts on grid performance / N. W. Miller, K. Clark, M. Shao // 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting. - IEEE, 2011. - P. 1-8.
14. Boyle G. Renewable Energy. - Oxford University Press, 2004. - 464 pp.
DOI: 10.18454/IRJ.2016.54.213
Бубенчикова Т.В.1, Молодых В.О.2, Руденок А.И.3, Данилов Д.И.4, Шевченко Д.Ю.5
1 Студент-магистрант, Омский государственный технический университет Работа выполнена при поддержке гранта № МК-5098.2016.8 МЕТОД ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Аннотация
В статье отражен процесс проектирования ветроэнергетической установки и рассмотрены основные аспекты проектирования. Проанализирована методика проведения экспериментального исследования на моделях ветроэнергетической системы в жидкой и газовой средах, основанная на условии имитации реальной модели ВЭУ. Рассмотрены методы теории подобия при проектировании ветроэнергетической установки. Указана необходимость обобщения опытных данных, получая единичные уравнения для всех подобных явлений. Указан принцип работы с критериями подобия.
Ключевые слова: ветроэнергетика, теория подобия, альтернативный источник энергии, энергетика.
Bubenchikova T.V.1, Molodikh V.O.2, Rudenok A.I.3, Danilov D.I.4, Shevchenko D.Y.5
1,2,3,4,5Undergraduate student, Omsk State Technical University This work was supported by grant number MK-5098.2016.8 THEORY OF SIMILARITY SIMULATION WIND TURBINES
Abstract
The article presents the design process of the wind power plant and describes the main aspects of the design. Analyzed the methodology of experimental studies on models of wind energy systems in liquid and gaseous media, based on the condition of simulating realistic models of wind turbines. Considers the methods of similarity theory in the design of the wind turbine. The necessity of generalization of experimental data, obtaining a single equation for all such phenomena. Specify the principle of the similarity criteria.
Keywords: wind energy, similarity theory, an alternative source of energy, energetic.
На дворе 21 век, всё больше технологий приходят в нашу жизнь. Тем самым увеличивается потребление электрической энергии. Привычные энергоресурсы, такие как нефть, уголь и природный газ, в скором времени иссякнут, и выработка большого количества энергии станет проблемой. Люди стремятся сделать энергию чистой, чтобы не влияло на окружающую среду. Для этого было введено понятие альтернативные источники энергии. Одним из самых распространённых является «Ветроэнергетическая Установка». Бурное развитие ветроэнергетики свидетельство того, что отрасль в будущем станет самой важным источником электроэнергии, удовлетворяющая потребности человечества [3].
Подтверждение бурного развития показана в [2], где было проанализирована мировая ветроэнергетическая промышленность за 3 года. В июне 2013 году общая мировая мощность, выработанная с помощью ветра, составила почти 300 ГВт. То есть ВЭУ производят около 3,5% электроэнергии от мирового спроса. За период 3 года глобальный потенциал ВЭУ вырос. Четырём странам в первой половине 2013 года удалось достичь мощности более 1 ГВт: Китай (5,5 ГВт); Великобритания (1,3 ГВт); Индия (1,2 ГВт); Германия (1,1ГВт). Постепенно к ним присоединяются: Швеция (526 МВт); Австралия (475 МВт); Дания (416 МВт); Румыния (384 МВт); Канада (377 МВт); Бразилия (281 МВт).
При проектировании ветроэнергетической установки нужно учесть множество аспектов. Процесс осуществляется специалистами разных областей, направлений науки и техники, поэтому он довольно сложен и трудоемок. Так же проектирование установки не малого количества времени, т.к. от принятия важного стратегического решения зависит успех самого проекта [5].
Проектирование ВЭУ обычно включает в себя несколько фаз, каждая из которых проводится с разными методами проектирования, это одна из главных особенностей. В среднем, весь процесс от создания эскиза проекта, до разработки основной конструкторской документации, а так же первого рабочего прототипа, готового к тестированию занимает около 2-х лет. [2]
В работе [5] были сформулирован процесс проектирования ВЭУ которые могут быть условно разделены:
установка параметров ВЭУ. Этот этап является основным, на нем принимается решение об задавании номинальной мощности; классе ВЭУ (I, II, III, S); типе корректировки частоты вращения ветроколеса; наличии и типе редуктора; типе генератора. Так же в данной фазе проводится предварительная оценка значений нагрузок; разработка эскизного проекта ВЭУ, первоначальный расчет массогабаритных характеристик ВЭУ, а также оценка факторов безопасности эксплуатации согласно действующим нормам и стандартам;
расчет статических и динамических нагрузок, влияющих на элементы ВЭУ. С помощью программных средств, производится выбор расчетной модели; по предварительным расчетным случаям и сочетаниям ожидаемых нагрузок ожидаемых на ВЭУ, производится классификация установки;
