Файл: Разработка ветровой электростанции для промышленного.docx

Анализ конструкций ветрогенераторов

1. 
   Конструктивные особенности ветрогенераторов и область применения
   
   1. 
      Общие сведения
      

Ветрогенератор представляет собой устройство, которое путем преобразования ветрового потока вырабатывает электрическую или механическую энергию, для ее последующего использования потребителями [1, с.12].

На данный момент известны два основных типа ветрогенераторов, конструктивные отличия, которых состоят в расположения оси вращения элемента, улавливающего энергию ветра. Ветряные генераторы бывают:

с горизонтальной осью вращения (рис.1.1, а); с вертикальной осью вращения (рис.1.1., б).


а) б)

Рисунок 1.1 – Внешний ветроустановки с горизонтальной осью вращения (а) и с вертикальной осью (б)

Принцип работы ветрогенератора – очень простой. Поток ветра оказывает давление на лопасти (позиция 12 на рис.1.2) ветрового колеса. Ротор (позиция 1 на рис.1.2) ветрового колеса закреплен на низкоскоростном валу (позиция 2 на рис.1.2). Под воздействием ветра ветряное колесо (ротор с лопастями и низкоскоростной вал) начинает вращаться, осуществляя преобразование ветряной энергии в механическую. От низкоскоростного вала через редуктор (позиция 3 на рис.1.2) механическое движение передается на вал (позиция 8 на рис.1.2) электрического генератора (позиция

4 на рис.1.2). При вращении ротора электрогенератора осуществляется преобразование механической энергии в электрическую.

---

Рисунок 1.2 – Конструктивная схема ветроустановки

На рисунке 1.2 показана конструктивная схема электроустановки, дающая полное представление об ее устройстве. На схеме используются следующие позиционные обозначения.

1. 
   Ротор ветроколеса, участвующий в процессе преобразования давления ветра в механическую энергию.
   
2. 
   Низкоскоростной вал, приводимый в движение ротором ветроколеса и задействованный в передаче механической энергии.
   
3. 
   Редуктор, повышающий частоту вращения ветроколеса (ротора).
   
4. 
   Генератор, вырабатывающий электроэнергию и имеющий в своем составе высокоскоростной вал.
   
5. 
   Контроллер, отвечающий за управление всей установки. С его помощью в автоматическом режиме запускаются ветряные турбины или осуществляется их остановка.
   
6. 
   Анемометр, предназначенный для определения скорости ветра с последующей передачей данных к контроллеру.
   
7. 
   Флюгер, определяющий направления ветра и поворачивающий ветроколесо в нужном направлении.
   
8. 
   Высокоскоростной вал, вращающий ротор электрогенератора.
   
9. 
   Гондола, располагающаяся в верхней части ветряной турбины и являющаяся несущей частью конструкции. Внутри нее находятся валы, редуктор, генератор, котроллер и тормоз.
   
10. 
    Мачта, представляющая собой полую конструкцию из металла или бетона, служащая для размещения всех основных элементов на высоте.
    
11. 
    Тормоз, предотвращающий поломки установки и используемый для остановки ротора в критических ситуациях (например, в ураган).
    
12. 
    Лопасти, являющиеся ключевым элементом ветроустановки, предназначенным для улавливания энергии ветра. Посредством лопастей осуществляется функционирование данного устройства. Поток ветра, попадая на лопасти, приводит их в движение, и обеспечивает вращение ротора и в дальнейшем выработку энергии генератором.
    

---

Несмотря на имеющиеся сходство, имеются существенные различия в характеристиках ветрогенераторов с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Проанализируем технические возможности ветрогенераторов обоих конструктивных типов.

2. 
   Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения
   

На данном этапе горизонтальные ветрогенераторы имеют наибольшую популярность 1 – 5 . У них ось вращения ветряного колеса, лопасти которого вращаются против ветра, расположена параллельно земле. Такой вариант исполнения получил название «ветряной мельницы». Конструкция горизонтальных ветрогенераторов выполнена так, что передняя часть ветряного колеса, осуществляя поиск ветра, поворачивается автоматически. Кроме того, угол поворота лопастей может меняться тоже, чтобы уловить даже небольшой ветер. Считается, что этот тип ветрогенераторов годится для производства большого объема электроэнергии 6 – 8 . Горизонтальные ветровые установки характеризуются высоким КПД (40-50%). Поэтому именно эта разновидность обычно используется при создании систем ветряных электростанций.

У ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения ветроколесо может выполняться с различным количеством лопастей. В зависимости от этого различают одно-, двух-, трех- и многолопастные модификации.

В состав ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения в обязательном порядке входят дополнительные конструктивные элементы, обеспечивающие ориентацию ротора ветроколеса по ветру, что усложняет конструкцию и является недостатком данной разновидности ВЭУ.

Преимуществом ветрогенераторов с горизонтальным вращением вала

---

является их большая эффективность по сравнению с моделями, где ось вращения располагается вертикально. Это объясняется тем, что углы атаки в рабочих режимах здесь меньше. Поэтому ветрогенераторы с горизонтальным

вращением вала отличаются меньшими массогабаритными показателями по отношению к вертикальным ВЭУ, генерирующих одинаковую мощность.

Рассмотрим конструктивные исполнения горизонтальных ВЭУ. а) Однолопастные ветрогенераторы

Главное достоинство однолопастных ветрогенераторов – высокие обороты вращения. У них вместо второй лопасти установлен противовес, мало влияющий на сопротивляемость движению воздуха, что даёт возможность использовать их для генераторов с высокими оборотами вращения, в том числе асинхронными. Однолопастные ветрогенераторы могут работать при очень слабых слабых ветрах.

Недостатки однолопастного ветряка:

Из-за высокой скорости вращения велик гироскопический эффект, что замедляет поворот ротора при смене ветра и создает дополнительную нагрузку на лопасти, ступицу и узел поворота;

Повышенная опасность при функционировании установки, объясняемая тем, что сила удара быстроходной лопастью выше, чем тихоходной.

Необходимость точной балансировки лопасти.

На рисунке 1.3 приведен пример однолопастного ветрогенератора, выпускаемого компанией ООО «Электроветер» (Россия).

Рисунок 1.3 – Внешний вид однолопастного ветрогенератора

б) Двухлопастные ветрогенераторы

Ветрогенераторы двухлопастного типа – по устройству схожи с однолопастными, только отличаются количеством лопастей. По сравнению с однолопастной конструкцией они имеют

---

преимущество. Поскольку здесь количество лопастей – четное, то ротор ветроколеса остается уравновешенным при любом угловом положении его лопастей. Поэтому здесь нет дополнительных конструктивных элементов, обеспечивающих уравновешенность конструкции. Упрощение конструкции ведет к снижению стоимости данной модификации по сравнению с аналогичной моделью однолопастной ВЭУ.

Недостатком рассматриваемой конструкции является то, что она более шумная и подверженная вибрации [1,c.15].

Примером самоподъемной двухлопастной ветроустановки является Gev MP, номинальной мощностью 275 кВт, французской фирмы Vergnet S.A (рис. 1.4).

Рисунок 1.4– Внешний вид двухлопастного ветрогенератора

в) Трехлопастные ветрогенераторы

Это – самая распространенная модификация ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения вала ветроколеса.

Исследования, проведенные датскими учеными еще в 70-х годах прошлого века, показали, что оптимальное количество лопастей горизонтальных ветрогенераторов равно трем. Это заключение было хорошо усвоено крупными производителями ветрогенераторов [1, с.15]. Поэтому именно эти ветряки наиболее широко представлены на рынке. Ветрогенераторы с тремя лопастями выпускаются с мощностями от

нескольких ватт до нескольких мегаватт В качестве примера на рисунке

1.5 представлена одна из самых мощных на сегодняшний день трехлопастных ветроэнергетических установок марки Enercon E-126 ( ).

Рисунок 1.5– Внешний вид трехлопастного ветрогенератора

---