ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ: ШАГ ВПЕРЕД НА ДВА ШАГА НАЗАД

Не разобранное
Administrator
776
15-04-2017, 11:56
0

Факты о перспективах развития ветроэнергетики. Нам кажется, что они не столь уж радужные. Тому есть свои причины.

Во-первых. Возьмите энциклопедический справочник "Машиностроение" за 1949 г., начиная с 207 с., и увидите, что за 90 лет мало что изменилось в области ветроэнергетики - изменились материалы и немного технология, добавилась электроника. Но, глянув на список использованной литературы, можно убедиться, что по тем временам этому вопросу уделялось большое внимание, велась большая практическая работа, разрабатывались конструкции, исследовались воздушные потоки. Был налажен выпуск промышленных образцов различных ветроустановок. Одному из авторов посчастливилось видеть в Лиманском районе Астраханской обл. в 1970 г. работающие ветронасосы, разработанные в те времена. Но затем изменилась энергетическая концепция, и ветроагрегаты сошли со сцены. Была утрачена школа подготовки специалистов, техническая литература на эту тему сдана в макулатуру, идеи наших специалистов ушли за рубеж.

Во-вторых. Ветроэнергетика попала в сферу действия олигархов. Наши чиновники решили приобретать зарубежный металлолом, давным-давно разработанный и изготовленный, напичканный электроникой и проработавший десятилетия. Мотив, конечно, очень благородный - освоим опыт передовых держав мира. На самом деле, закрепляется наше отставание, своими деньгами мы покрываем расходы "заграничных дядей". А наши разработчики "сидят на бобах".

В-третьих. Ориентация на крупные агрегаты и комплексы, работающие в единой энергосети. Концепция строительства крупных ветростанций (ВЭС) подразумевает и транспортировку электроэнергии на значительные расстояния. И потребитель вынужден ее оплачивать. Всегда генерирующие мощности старались располагать как можно ближе к центру нагрузок. Понятно, что ВЭС нужно строить там, где есть постоянство ветровых потоков. Но это для промышленных целей. Если ВЭС используют, в основном, для нужд отопления, и требования к качеству электроэнергии невысокие, то ее выгодно устанавливать как можно ближе к потребителю.

В-четвертых. Наши энергетические олигархи не проявляют восторга по поводу развития автономной энергетики. Они сделают все, чтобы их интересы не пострадали.

Мы абсолютно не сомневаемся в высочайшем уровне квалификации специалистов ГКБ "Южное" и завода "Южмаш". Но поручать им проектирование и производство ВЭУ нельзя. В этих организациях сформировалась школа первоклассных специалистов, ориентированных на производство специфических изделий. У них в сознании уже заложены определенные подходы, требования, нормативы и материалы. В результате разработанные и изготовленные ими ветроагрегаты будут иметь космические цены и не окупятся за десятилетия.

С другой стороны энергетики своими расценками "достали" всех. Для специалистов не секрет, как в некоторых энергокомпаниях компенсируют утечки и хищения электроэнер

гии. Для расчетов за транспортировку придумана сногсшибательная методика. Хуже всех приходится мелким предприятиям и предпринимателям.

Представьте себе придорожное кафе. Отапливать его электроэнергией - значит платить тройной тариф, и то, если позволят. Печное отопление вызывает резкую реакцию пожарников. Цены на газ - космические. Отключение электроэнергии во многих регионах Украины явление привычное и обыденное. Шиномонтажки, кемпинги, пасеки, парники, фермерские хозяйства, коттеджи - у всех те же проблемы. Такое отношение к предпринимателям вынуждает их отказываться от централизованного энергоснабжения и применять автономные источники энергии, в том числе и альтернативные. Это породило спрос на ВЭУ мощностью от 2 до 10 кВт и подтолкнуло многих, в том числе и нас, к разработке недорогих автономных ВЭУ. По некоторым проблемам создания ВЭУ у нас сложилось свое мнение.

Классическая схема ВЭУ содержит репеллер вентиляторного типа, стандартный генератор, мачту и микропроцессорную систему управления. Роторный репеллер из-за малого коэффициента использования энергии ветра неэффективен. Разработка ВЭС мощностью менее 30 кВт экономически нецелесообразна из-за больших начальных потерь в мультипликаторе. Это повсеместно признанная исходная концепция построения ВЭУ.

А если от нее отказаться? Ведь использование стандартных промышленных генераторов переменного тока вынуждает применить систему стабилизации частоты вращения. Чтобы упростить схему управления ВЭУ необходим генератор, работающий в более широком диапазоне частот вращения. В этом отношении более привлекательна конструкция ВЭС с использованием автомобильных генераторов ("Электрик" N2/2001). Эти генераторы работают в диапазоне частот вращения от 1500 до 12000 об/мин, обладают высокой надежностью, ремонтопригодностью и легкодоступны. Они позволяют без проблем объединить ВЭУ для работы на единую нагрузку. Но, у предложенной ВЭУ есть два серьезных недостатка. Первый: для согласования частот вращения роторного репеллера диаметром около 2 м и генераторов при средней скорости ветра около 6 м/с необходим мультипликатор с передаточным отношением не менее 50. Потери момента на мультипликаторе при установленной мощности ВЭУ около 7 кВт составят не менее 60% от момента, полученного на репеллере. Второй недостаток. Если использовать автомобильные генераторы общей мощностью 7 кВт с номинальным напряжением 28 В и кабель к нагрузке длиной 100 м, то потери в кабеле составят до 30% мощности на зажимах генератора, не считая потерь на контактах и коммутационной аппаратуре. Реальное напряжение на нагрузке будет не более 18 В. При использовании генератора переменного тока практически не происходит самовозбуждения генератора из-за прямого падения напряжения на выпрямительных диодах. Для устойчивого возбуждения необходимо в сети использовать аккумулятор и схему для его отключения от нагрузки, и обмотки возбуждения при снижении оборотов репеллера ниже минимально допустимых.

Суммарные потери в такой ВЭУ велики, но их можно снизить. Для этого нужно сделать несложный перерасчет генератора на более высокое стандартное напряжение (например, 230 В) и перемотать его статор и якорь при тех же ампер-витках. Такую перемотку несложно выполнить и в домашних условиях. В условиях ремонтных мастерских, имеющих токарный и фрезерный станки, из асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором несложно изготовить синхронный генератор с когтеобразным ротором необходимой мощности, аналогичный автомобильному. Для реле-регулятора необходимо изготовить входной резистивный делитель, состоящий из двух резисторов и транзисторный ключ на базе высоковольтного мощного транзистора, например, КТ848А. Конкретная схема выбирается в зависимости от типа реле- регулятора. В генераторе переменного тока необходимо будет заменить выпрямитель. Штатный не рассчитан на высокое обратное напряжение. Для его изготовления необходимы диоды не ниже 2-го класса с номинальным током не менее 50 А.. При тех же параметрах ВЭУ и повышенном напряжении генератора, электрические потери в кабеле на постоянном токе будут составлять не более 3%. Улучшаются условия самовозбуждения генератора переменного тока за счет остаточного магнитного потока, так как в процентном отношении к номинальному напряжению, прямое падение напряжения на выпрямительных диодах составит 1-1,5%, а не 20-25% при 28-вольтовом генераторе. Для цепи возбуждения отпадает необходимость в аккумуляторе и схеме его отключения от обмотки возбуждения.

Проблему можно решить иначе. Для этого генераторы необходимо нагрузить непосредственно на статический преобразователь (инвертор) переменного тока с рабочей частотой 50 Гц, расположенный на мачте. В состав инвертора входит трансформатор. С его помощью можно получить требуемое напряжение. Для устойчивой работы инвертора в низковольтную цепь постоянного тока необходимо включить буферный аккумулятор. Нами разработаны несложные тиристорные инверторы, преобразующие постоянное напряжение 12 и 24 В в переменное напряжение 230 В с частотой 50 Гц. Мы изготовили ряд инверторов различной мощности. За 7 лет работы они все показали хорошие энергетические параметры и высокую надежность. Конструкцию инвертора может повторить любой радиолюбитель, обладающий достаточными навыками работы с силовой электроникой.

Потерь вращающего момента в мультипликаторе можно избежать, применив специализированный тихоходный генератор. Мы предлагаем для ВЭУ изготавливать тихоходные генераторы с частотами вращения равными частоте вращения репеллера. Такое решение позволит исключить из конструкции ВЭУ мультипликатор с его потерями. Естественно, тихоходный генератор из-за большого диаметра будет непригоден для вентиляторных ВЭУ, но для роторных ВЭУ он подходит идеально и одновременно может служить опорным подшипником репеллера. Роторные ВЭУ с тихоходным опорным генератором по своей эффективности способны превзойти вентиляторные ВЭУ. А если еще учесть их способность работать при малых скоростях ветра и высокий пусковой момент, то такое решение позволит создавать высокоэффективные ВЭУ малой мощности.

Изготовить роторную ВЭУ можно и на базе доработанного опорного подшипника поворотной башни подъемного крана. Диаметр таких подшипников 1-2 м. Доработка заключается в установке на подшипник элементов генератора. Конструкция подшипника имеет все необходимое для монтажа ротора и установки репеллера на мачту. Он способен нести нагрузки в десятки тонн и позволяет создавать роторные ВЭУ мощностью свыше 30 кВт. Такие ВЭУ можно смонтировать на железобетонных копровых сооружениях реструктуризированных (ликвидированных) шахт. Высота многих железобетонных копров более 50 м, вместо того, чтобы тратить средства на их уничтожение (а это миллионы гривен), их можно направить на создание копровых ВЭС. Роторные безмачтовые ВЭС с трехточечной шарнирной опорой можно монтировать на породовых отвалах, прошедших рекультивацию. Высота таких отвалов - более 40 м и они, как правило, доминируют на рельефе местности.

По предварительным оценкам с одной площадки шахты "Центральная-Ирмино", на которой А.Г.Стаханов установил свой рекорд, можно снимать до 2 МВт мощности при среднем значении скорости ветра 6,2 м/с. Правда, стальной копер "металлисты" уже отработали как стратегический запас металлургического сырья.

Для малых ВЭУ генератор можно изготовить в условиях небольших мастерских, имеющих токарный, фрезерный, плоско-шлифовальный и радиально-сверлильный станки, делительную головку и сварочное оборудование. Чтобы уйти от дорогостоящих штампов, применяющихся при изготовлении наборного пакета ротора и статора, конструкция генератора может быть не аксиальной, а торцовой. В этом случае магнитопровод можно выполнить навивкой электротехнической стальной ленты на каркас с последующим изготовлением пазов. Процесс, конечно, трудоемкий, но оправданный при штучном и мелкосерийном производстве. Для его реализации не требуется высоких технологий. Торцовые генераторы обладают хорошими показателями массы конструкции на единицу мощности и позволяют исключить самый ненадежный элемент генераторов - подвижные контакты обмотки возбуждения.

Конструкция торцового синхронного генератора с когтеобразным ротором приведена на рисунке. Рабочие обмотки 1 укладываются в пазы стального сердечника 2, навитого электротехнической сталью. Неподвижная обмотка возбуждения 5 монтируется в корпусе генератора 6, выполненного из магнитомягкой стали. Ротор 7 имеет внутренние когтеобразные выступы 8 и наружные 3, выполненные вместе с ободом 4. Замыкание магнитного потока Ф показано сплошным контуром. Размеры генератора регламентируются, с одной стороны, возможностями применяемого для обработки оборудования, с другой стороны, минимальными размерами паза. Так, для репеллера диаметром около 1 м при расчетной скорости ветра 6,2 м/с, требуется генератор с номинальной частотой вращения 130 об/мин. Статор для такого генератора должен иметь минимум 144 паза. Полный расчет генератора делается индивидуально, с учетом параметров репеллера и вышеприведенных ограничений.

В ближайшее время будет закончено проектирование первого опытного образца ВЭУ такой конструкции на мощность 7,5 кВт и начаты ее испытания.

Обсудить на форуме