2 Конструкция ветроустановок

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенный для преобразования энергии ветра в другие виды энергии (электрическую, механическую, тепловую и т. п.).

Ветроагрегат, являясь основной частью ВЭУ, состоит из ветродвигателя, системы передачи ветровой мощности на нагрузку (потребителю) и самого потребителя ветровой энергии (какого-либо устройства: электромашинного генератора, водяного насоса, нагревателя и т.п.).

Ветродвигатель является устройством для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию рабочего движения ветродвигателя. Рабочие движения, которые совершает ветродвигатель, могут быть разными. На существующих сегодня ветродвигателях в качестве рабочего движения используется круговое вращательное движение. Вместе с тем известны многочисленные предложения (иногда даже реализованные) по использованию других видов рабочего движения, например колебательного [1].

Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и бытовые (для частного использования). Промышленные ветрогенераторы устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети. В результате такого объединения получается ветряная электростанция (ВЭС). Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие, как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов, как уже упоминалось, достигает мегаватт.

Мощность ветрогенератора зависит от скорости ветра, а также ометаемой площади и находится по формуле:

где - скорость ветра, м/с;  - плотность воздуха, кг/м³,  - ометаемая площадь, м².

Ветродвигатели, совершающие только круговое вращательное рабочее движение, иначе называются ветротурбинами. У таких ветродвигателей устройством, которое непосредственно воспринимает аэродинамические нагрузки от ветрового потока и преобразует энергию ветра в механическую энергию рабочего кругового вращательного движения, является лопастная система, называемая ветроколесом.

2.1 Промышленная ветряная установка. Назначение основных компонентов

Рисунок 2.1 - Промышленная ветряная установка

Промышленная ветряная установка включает в свой состав:

1. Фундамент;

2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления;

3. Башня;

4. Лестница;

5. Поворотный механизм;

6. Гондола;

7. Электрический генератор;

8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр);

9. Тормозная система;

10. Трансмиссия;

11. Лопасти;

12. Система изменения угла атаки лопасти;

13. Обтекатель.

Некоторые ветряные установки снабжаются дополнительными системами, которые обеспечивают высокую надежность работы и защиту в экстренных ситуациях. К таким системам относятся:

1. Система пожаротушения;

2. Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора;

3. Система молниезащиты;

4. Привод питча (привод поворота лопастей).

Основные компоненты ветряной установки выполняют следующие функции:

1. Генератор. Необходим для заряда аккумуляторных батарей. От его мощности зависит, насколько быстро будут заряжаться аккумуляторы. Генератор вырабатывает трехфазный переменный ток с частотой от 0 до 60 Гц. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра.

2. Лопасти. Приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.

3. Мачта – вертикально стоящая конструкция, может поддерживаться растяжками. Обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует: чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот:  

-  Мачты с растяжками  - это наиболее дешевый вид мачт, позволяющий самостоятельно опускать и поднимать ветроустановку за счет применения автомобиля или лебедки. Недостаток таких мачт заключается в том, что требуется много места для размещения креплений под тросовые растяжки мачты, каждая растяжка должна крепиться на расстоянии равном половине длины мачты от ее основания [6]. 

Рисунок 2.2 - Размещение мачты и растяжек относительно друг друга

Рисунок 2.3 - Сборка мачты с растяжками и подъем с помощью лебедки и блоков

Рисунок 2.4 - Подъем мачты с растяжками с помощью тяговой техники

Конические мачты - цельносварные мачты, устанавливаемые краном. Обслуживание мачт данного вида также требует применения спецмашин.

Рисунок 2.5 - Размеры конических мачт

- Гидравлические мачты - сборные или цельносварные конструкции (рисунок 2.6), имеющие в основании шарнирный узел, позволяющий поднимать и опускать установку за счет гидроцилиндра. Насосы для создания давления в гидроцилиндре бывают ручными или с электрическим двигателем.

Рисунок 2.6 – Цельная трубчатая мачта с гидравлическим подъемником

- Сборные мачты-фермы - сварные или сборные конструкции, требующие применения спецтехники, и отличающиеся высокой ценой. Пример сборной мачты-фермы приведен на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Сборная мачта ферма на трех опорах

Дополнительные элементы ветряной установки предназначены для выполнения следующих функций:

4. Контроллер. В полностью автоматизированных ветроустановках контролер управляет многими процессами ветроустановки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором, в постоянный, пригодный для заряда аккумуляторных батарей.

5. Аккумуляторные батареи подбираются по напряжению и общей емкости, рекомендованными производителем ветряка, и составляют аккумуляторную станцию для накапливании электроэнергии и ее последующего использования. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им, получается стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре.

6. Анемометр (анемоскоп) или датчик направления ветра. Отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности.

7. АВР – автоматический переключатель источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку, общественную электросеть, дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. АВР не позволяет работать одному объекту одновременно от двух разных источников питания.

8. Инвертор преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторной станции, в переменный, который потребляет большинство электроприборов. Инверторы бывают разных типов:

- Модифицированная синусоида (квадратная синусоида). Данный вид инверторов преобразовывает ток в переменный с напряжением 220 В с модифицированной синусоидой. Пригоден только для оборудования, которое не чувствительно к частотным характеристикам: освещение, нагревательные, зарядные устройства и т.п.

- Чистая синусоида. Этот вид инверторов преобразовывает ток в переменный с напряжением 220 В с чистой синусоидой. Такой инвертор необходим при использовании оборудования, оснащенного асинхронными электродвигателями: холодильники, насосы, кондиционеры и др.

9. Привод питча - привод поворота лопастей. В ветроустановках, оснащенных такой системой, применен способ управления, заключающийся в том, что при штормовом ветре лопасти по сигналу системы управления поворачиваются во флюгерное положение [7].

Принцип действия ветроустановки заключается в преобразовании кинетической энергии ветра в механическую энергию с последующим ее преобразованием при помощи генератора в электрическую. Набегающий поток воздуха воздействует на лопасти ротора, создавая крутящий момент, который передается на ротор электрического генератора. Выработанная генератором электроэнергия выпрямляется при помощи инвертора и поступает, например, на источник бесперебойного питания ИБП либо к другому виду потребителей.

Рисунок 2.8 – Общий вид ветроустановки типа ВЭУ-08

Рисунок 2.9 - Конструкция ветроустановки типа ВЭУ-08

Конструкция ветроустановки ВЭУ-08 показана на рисунке 2.9. Основные агрегаты соединены между собой центральной рамой, состоящей из пластин (21). Непосредственно на раме крепятся ось поворотного устройства (28), ось генератора (15), хвостовая балка (23), тормозной рычаг (18) и выпрямитель (19).

Генератор представляет собой торцевую трехфазную многополюсную электрическую машину на постоянных магнитах. Статор, состоящий из магнитопровода с обмотками (12) и корпуса (13), неподвижно закреплен на оси (15). Ротор состоит из магнитопровода (10), магнитов (11) и корпуса (9) и (14). Он вращается вокруг оси (15) на подшипниках и может смещаться вместе с подшипниками вдоль оси под действием тормозного рычага (18) и возвращаться под действием магнитных сил.

Турбина ветроустановки ВЭУ-08 – трехлопастная быстроходная ветротурбина с аэромеханической системой стабилизации частоты вращения и системой флюгирования.

Турбина состоит из лопастей (8), ступицы, объединенной с корпусом ротора генератора (9) и синхронизатора. Турбина управляется путем изменения шага, для чего лопасти поворачиваются вокруг осей (6), зафиксированных в ступице с помощью фиксаторов (3). Управляющие силы создаются закрылками и грузами (7). Синхронизация поворота лопастей осуществляется с помощью секторов (5) и шестерни (4) с системой выбора люфта в зубчатом зацеплении.

Для остановки турбины нужно создать усилие на тросе (20), который отклоняет рычаг (17). Рычаг через втулку (15) смещает ротор генератора со ступицей и синхронизатором. Звено (1) синхронизатора прижимается к тормозному диску (2). Сектора (5) обкатываются по шестерне (4) и переводят лопасти во флюгерное положение (по ветру). Пока трос (20) натянут, это положение остается устойчивым. При отпускании троса корпус генератора со ступицей возвращается в исходное положение под действием магнитных сил. Синхронизатор освобождается, и лопасти переводятся в стартовое положение антифлюгерной пружиной.

Опорно-поворотное устройство служит для закрепления ветроустановки на мачте, обеспечения ориентации ее по ветру и передачи электроэнергии с поворачивающейся ветроустановки на неподвижную мачту.

Оно состоит из корпуса (27), оси (28), установленной в корпусе на подшипниках и токосъемника (26). Сквозь полую ось (27) пропускается тормозной трос.

Выпрямитель (19) служит для выпрямления вырабатываемого генератором тока. Он выполнен по схеме Ларионова и состоит из изоляционной пластины, 3-х клемм, к которым подключены провода от генератора, 6-ти диодов и 2-х радиаторов, на которых выполнены зажимы для подключения проводов токосъемника.

Киль служит для поворота ветроустановки по направлению ветра вокруг вертикальной оси. Он состоит из хвостовой балки (23) закрепленной 4-мя болтами на центральной раме и пластикового «пера».

Кожуха закрывают узлы ветроустановки от прямых осадков, пыли и солнечных лучей.

Передний кожух (24) (кок) закрывает ступицу турбины. Он опирается на корпус генератора (9). Задний кожух (25) закрывает центральную раму, тормозной рычаг, выпрямитель и токосъемник. Он опирается на диафрагмы (16) и (23).