Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 176.

Ветроустановка с наклонной осью

С Сергеем Владимировичем Жарковым из Иркутска наши читатели уже знакомы: в январском номере приложения «Новые промышленные технологии» мы опубликовали его статью «Как заставить ветер работать на тепловые электростанции» (См. выпуск 160 настоящей рассылки). Предлагалось использовать энергию ветра на тепловых электростанциях, особенно для децентрализованного электроснабжения в удаленных районах страны.

Рекомендуем ознакомиться еще c одной работой автора. Она посвящена новому виду ветроэлектрических установок, значительно превосходящему по эффективности и рентабельности все остальные.

Среди многообразия конструктивных схем ветроэлектрических установок (ВЭУ) выделяют два основных типа: горизонтально-осевые (ГОВЭУ), которые составляют более 90% современного парка ВЭУ, и вертикально-осевые (ВОВЭУ).

Преимущества вертикально-осевых установок – нечувствительность к направлению ветра и простота конструкции за счет исключения поворотной головки и системы ориентации ветроколеса, а также размещение генератора и мультипликатора (повышающего редуктора) в основании установки, что облегчает ее монтаж и эксплуатацию. В результате экономия затрат достигает 30 процентов.

Недостатками вертикально-осевых установок являются неоптимальность углов атаки ветра в разных положениях лопасти и аэродинамическое затенение лопастей друг другом и башней. Следствие этого – повышенная неравномерность крутящего момента на генераторе и пульсирующие аэродинамические нагрузки на элементы конструкции, снижающие надежность ее работы.

В то же время горизонтально-осевые установки могут быть более конкурентоспособны за счет применения упругоподвешенных (подрессоренных) лопастей. Это позволит повысить коэффициент полезного использования ветра, а также увеличит надежность и ресурс установки, поскольку такие лопасти амортизируют удары ветра. Упрощается также и система регулирования мощности.

Реализация этой технологии позволила компании Wind Turbine (США) сделать ветротурбину на 40% легче, обеспечив при этом прочность, достаточную для противостояния сильным штормам. В итоге ВЭУ нового поколения получилась дешевле своих предшественников на 20-25%.



Как совместить достоинства ветроустановок

Предпринята попытка совместить достоинства обоих типов ВЭУ в одной конструкции, взяв за основу горизонтально-осевые установки.

На рисунке изображена предлагаемая наклонно-осевая ветроэлектрическая установка (НОВЭУ). Установка содержит лопасти, упруго подвешенные с помощью торсионов (или пружин) на махах. Махи закреплены на ступице (как в ГОВЭУ и ВОВЭУ). Вспомогательные опоры поддерживают полую опору под углом 45о к горизонтали. Каждая лопасть может поворачиваться на махе вокруг оси, делящей ее на лобовую и хвостовую части так, что площадь хвостовой больше, чем лобовой. В нейтральном положении острая кромка хвостовой части направлена против вращения ветроколеса, а чтобы повернуть лопасть, нужно преодолеть сопротивление торсиона, сила упругости которого пропорциональна величине угла отклонения лопасти от нейтрали.

Изменение упругости торсиона плавное и рассчитывается в диапазоне изменения угла поворота:
– от 0о до 45о – на движение лопасти против ветра под углом в 45о; при этом угол атаки должен соответствовать максимальному выигрышу в тянущей силе от разности возникающей подъемной силы и лобового сопротивления лопасти (по аналогии с парусником, идущим против ветра);
– от 0о до 90о – на движение поперек ветрового потока, когда тянущее усилие определяется исключительно подъемной силой;
– от 45о до 135о – на движение по ветру под углом в 45о; при этом должны удовлетворяться условия максимальной эффективности отбора энергии за счет совместного использования подъемной силы и силы лобового сопротивления лопасти, а также демпфирования воздействия порывов ветра и саморегулирования крутящего момента и лобового сопротивления лопасти за счет изменения угла атаки под действием набегающего воздушного потока.

Благодаря упругой подвеске лопасти наклонно-осевая ветроустановка будет развивать тянущее усилие во всех точках траектории движения, поскольку в каждой из них лопасти будут отклонены от нейтрального положения на угол, при котором достигается динамическое равновесие между аэродинамическими силами, действующими на лопасти, и силами упругости торсионов.

На основе анализа модели такой установки можно сделать следующие выводы: 1) при запуске обеспечивается большой крутящий момент; 2) при движении лопасти по ветру результирующая сила совпадает по направлению с движением элемента лопасти, при скорости его в горизонтальной плоскости, равной примерно половине значения скорости ветра; 3) нет видимых препятствий для увеличения скорости элемента лопасти путем повышения частоты вращения (либо удлинения лопасти) при той же частоте; 4) аэродинамическое качество лопасти должно быть переменным – возрастать от корня к концу лопасти, параллельно должен уменьшаться угол установки лопасти.

При движении лопасти по ветру угол атаки должен быть близок к критическому при скорости ветра ниже или равной расчетной скорости ветра (при которой достигается номинальная мощность ВЭУ) и уменьшаться при превышении ее. Для работы ВЭУ при слабом ветре могут быть предусмотрены режимы с углом атаки больше критического с целью максимизации крутящего момента за счет лобового сопротивления лопасти – по аналогии с карусельными ветроустановками (КВУ).

Вращающий момент, развиваемый лопастями через ступицу и вал, проходящий внутри полой опоры (как в ВОВЭУ), выводится в машинное отделение, где используется для привода электрогенератора или насоса. Причем установка может работать и при обратном направлении ветра: лопасти отклоняются в противоположную (от нейтрали) сторону так, что острая кромка лопасти, движущейся по ветру, направлена вверх (под углом).

При других направлениях ветра установка работает в режимах, промежуточных рассмотренным.



Преимущества НОВЭУ

Наклонно-осевая ветроэлектрическая установка обладает следующими преимуществами

Перед вертикально-осевыми установками:
– надежный самозапуск: неподвижные лопасти развивают большой крутящий момент (как в КВУ). Большинство же вертикально-осевых установок нуждается в посторонних источниках энергии для запуска и разгона ротора;
– возможность применения упруго подвешенных лопастей для повышения эффективности и надежности установки, снижения требований к прочности лопастей и ступицы, расширения диапазона рабочих скоростей ветра и снижения шума;
– высокая плавность хода ветроколеса, так как лопасти не затеняют друг друга (даже если их четыре или восемь) на всей траектории движения и создают тянущие усилия, колебания значений которых происходят в противофазе (лопасти в нижней части траектории находятся на небольшой высоте, где скорость ветра наименьшая). Причем угол установки каждой лопасти автоматически и плавно изменяется в зависимости от направления движения лопасти относительно ветрового потока. Как следствие, динамические нагрузки на лопасти и трансмиссию относительно низкие;
– меньшая подверженность автоколебательным процессам;
– инерционные нагрузки направлены вдоль лопасти, то есть наиболее выгодным образом.

Перед горизонтально-осевыми установками:
– отсутствие поворотной головки;
– генератор и редуктор расположены внизу, вследствие чего облегчается их монтаж и эксплуатация, упрощается передача вырабатываемой электроэнергии, снижаются требования к прочности опоры и, соответственно, ее массивность и аэродинамическое сопротивление;
– не ограничиваются массо-габаритные показатели, и, следовательно, во-первых, возможно создание установок большой единичной мощности и невысокой удельной стоимости, во-вторых, возможен отказ от использования редуктора за счет увеличения диаметра генератора (что снижает стоимость оборудования ВЭУ на 15-30%, и также повышает надежность его работы, так как уменьшает число критических узлов). Так, например, безредукторный генератор Windformer мощностью 3 МВт с многополюсным ротором на постоянных магнитах диаметром 6 метров имеет рабочую частоту около 18 об. / мин, выдавая ток в 5-10 Гц напряжением 20 кВ;
– ометаемая ветроколесом поверхность в горизонтальном направлении имеет форму эллипса (вместо окружности), вследствие чего снижается влияние возрастания скорости ветра при увеличении высоты (что вызывает при работе ГОВЭУ пульсирующие нагрузки в материале лопастей и трансмиссии).

Перед обоими типами ВЭУ:
– тихоходность и, следовательно, экологичность (малая шумность и безопасность для птиц). Уменьшается также воздействие гравитационных сил, вызывающих пульсирующие нагрузки на лопасти и трансмиссию мощных ВЭУ с длинными лопастями (учитывая, например, что диаметр ротора горизонтально-осевой установки мощностью 5 МВт составляет 150 м);
– экономия в затратах на фундамент, так как конструкция наклонно-осевой установки устойчива к опрокидыванию и раскачиванию. При этом ветровое давление на ветроколесо не трансформируется, как в ГОВЭУ и ВОВЭУ, в изгибающую нагрузку на башню, поэтому опоры не будут массивными и их аэродинамическое сопротивление будет невелико;
– монтаж установки может производиться без мощных подъемных кранов (в то время как, например, вес гондолы ГОВЭУ мощностью 4,5 МВт с тремя 20-тонными лопастями по 52 метра составляет 500 тонн при высоте башни 120 м). В наклонно-осевых установках опоры на земле собираются в Л- образную конструкцию, сверху (на подставке) собирается полая опора со ступицей и лопастями, затем последняя методом «падающей стрелы» приподнимается, тем же методом приподнимаются опоры и присоединяются к полой опоре посредством специально подготовленного узла, например выполненного в виде замка. После этого монтируется генератор и закрепляются основания опор;
– возможность осуществления регулирования упругости подвески лопастей, что позволит, во-первых, работать ВЭУ как при слабом ветре, так и при очень сильном ветре, во-вторых, оптимизировать зависимость изменения упругости подвески лопастей от силы ветра с целью максимизации годовой выработки энергии, в-третьих, осуществлять останов ВЭУ путем обнуления жесткости подвески лопастей;
– возможность совместного использования подъемной силы и силы лобового сопротивления лопасти (при движении по ветру). Причем при слабом ветре в основном используется сила лобового сопротивления (как в КВУ), а при сильном – подъемная (как в ГОВЭУ и ВОВЭУ), то есть обеспечивается оптимальный режим отбора энергии;
– ввиду тихоходности ветроколеса и использования в значительной мере силы лобового сопротивления лопастей последние могут не обладать высоким аэродинамическим качеством. В наиболее простом варианте исполнения НОВЭУ лопасти можно выполнить плоскими и свободно вращающимися с ограничением поворота лопастей в крайнем положении. При движении против ветра лопасти будут находиться во флюгерном положении (как в КВУ);
– возможность обеспечения крутки лопастей, которая будет плавно изменяться по длине лопасти в зависимости от направления движения лопасти относительно ветрового потока, путем выполнения лопастей упругими на скрутку (парусными, из эластичных композиционных материалов или в виде упругой пластины) и подпружинив один (внешний) конец (или жестко ограничив его поворот), оставив другой свободно вращающимся. Постоянное изменение крутки лопастей предотвратит их возможное обледенение.



Область применения наклонно-осевых ветроэлектроустановок

Основной недостаток наклонно-осевых ветроустановок – неспособность ориентирования на ветер. Наибольшую эффективность установка имеет при направлениях ветра, параллельных вертикальной плоскости, проходящей через ось опоры, или близких к ним. Представляется, что этого достаточно для высокой общей эффективности установки без применения поворотной системы, так как в наиболее благоприятных для развития ветроэнергетики районах (в частности, прибрежных), как правило, имеется преобладающее направление ветра (прямое и обратное), на которое и должна быть сориентирована установка. Для усреднения выработки электроэнергии ветроэлектростанций при различных направлениях ветра входящие в их состав НОВЭУ должны быть сориентированы «веером» (с учетом двусторонности их работы), охватывая основные направления розы ветров.

Вышеотмеченные особенности установки позволяют развивать направление ветро­энергетики вне области высоких технологий, что необходимо применительно к условиям РФ, учитывая экстремальные климатические условия и трудность обеспечения высокого уровня культуры эксплуатации в районах, перспективных для развития ветроэнергетики. Изготовление установок в наиболее простых вариантах исполнения и применения (например, для подъема воды) возможно на местах, что может способствовать широкому распространению ветроэнергетики.

Наклонно-осевые ветроэлектрические установки наиболее подходят для работы в комплексе с газотурбинными и паротурбинными установками (ГТУ и ПТУ), поскольку не требуют оперативного управления и поэтому могут быть постоянно подключены к локальной сети нестабилизированной электроэнергии. При этом практически полностью исключаются режимы торможения, останова и повторного запуска, а также возникающие при этом динамические нагрузки на элементы ВЭУ. Максимально упрощается система управления, функцией которой является лишь изменение упругости подвески лопастей.

Следует отметить, что в последнее время все чаще ветроэлектроустановки строятся на морском шельфе с глубиной до 10-30 метров, несмотря на то что их стоимость при этом возрастает на 35-65% – до 1700 долл. / кВт. Это объясняется как дороговизной земли на побережье, так и более высокой (в среднем на 20%) среднегодовой скоростью ветра над морем.

В настоящее время в Европе реализуются проекты шельфовых ВЭУ общей мощностью несколько ГВт. В США, где площади прибрежного мелководья невелики, рассматриваются также проекты ветроэлектроустановок на плавучих платформах, закрепляемых на глубоководных участках прибрежья.



Понтонные НОВЭУ

Представляется, что низко-оборотистые НОВЭУ можно выполнять и в понтонном варианте заводской готовности – у них низкие изгибающие нагрузки на лопасти и ступицы ветроколес (из-за смещений оси ветроколеса при колебаниях понтона на волнах) вследствие значительно меньшего гироскопического эффекта, чем у быстроходных ВОВЭУ и ГОВЭУ.

Крупная наклонно-осевая ветроэлектроустановка может быть выполнена на трех опорных понтонах, способных пропускать через себя крупные волны. При этом понтоны с поплавками обеспечивают плавучесть конструкции на заданном уровне. Такая установка устойчива к опрокидыванию, поскольку наиболее тяжелый элемент – генератор (который обычно комплектуется редуктором) расположен в основании тетраэдрической конструкции, присущей НОВЭУ.

Ориентирование плавучих наклонно-осевых ветроэлектроустановок может осуществляться поворотом понтонов, в том числе самопроизвольным – за счет использования ветрового давления на установку, поставленную на якорь за два передних понтона, на которых стоят опоры, либо за понтон, в котором размещен генератор. Подводный электрический кабель от генератора проходит вдоль якорной цепи и выводится на берег. При этом лопасти плавучей ветроэлектроустановки проектируются для работы с одним направлением ветра. Следовательно, понтонные НОВЭУ наиболее привлекательны по сравнению как с сухопутными наклонно-осевыми установками, так и с понтонными ВЭУ других типов.

Таким образом, НОВЭУ обладает потенциалом улучшения (относительно схем, применяемых в настоящее время) некоторых характеристик ВЭУ. В частности, наиболее важной для работы в удаленных районах – надежности, а также снижения стоимости изготовления, монтажа и эксплуатации.

Это происходит благодаря таким качествам наклонно-осевых установок, как простота конструкции (которая совмещает основные достоинства ГОВЭУ, ВОВЭУ и КВУ) и системы управления, нетребовательность к аэродинамическому качеству лопастей и массивности фундамента, возможность монтажа без мощных подъемных кранов, экологичность, надежный самозапуск и авторегулировка мощности, широкий рабочий диапазон скоростей ветра, низкий уровень динамических нагрузок (которые вызывают усталостное разрушение элементов ВЭУ, с чем и связаны основные конструктивные проблемы современных ветроэлектрических установок) и возможность монтажа крупных плавучих НОВЭУ на верфях с отбуксировкой их к месту работы вместо строительства дорогих шельфовых ВЭУ.

Наклонно-осевые установки особенно перспективны для развивающихся стран: только в Индии в настоящее время действуют около 5 млн. дизельных водяных насосов мощностью в среднем 3,5 кВт каждый, причем для тех широт характерны пассаты (ветры одного направления) и океанские муссоны. Ветро­энергетический же потенциал, например, Китая оценивается в 1-3 тыс. ГВт.

Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева СО РАН, к. т. н. С. В. ЖАРКОВ

В 177 выпуске читайте: Газотурбинные установки для малой энергетики