10023

Рис. 1.3. Принципиальная схема промышленной трехлопастной ветроэнергетической установки с синхронным двигателем и горизонтальной осью вращения: 1 – лопасть; 2 – ступица; 3 – обтекатель; 4 – гондола (машинное отделение); 5 – редуктор; 6 – резервный тормоз; 7 – гидродинамическое соединение; 8 – генератор; 9 – измерительное оборудование; 10 – азимутальный тормоз; 11 – башня; 12 – поворотный механизм; 13 – азимутальный привод; 14 – тормоз; 15 – автоматический ввод резерва; 16 – фундамент башни; 17 – переключатель и предохранители; 18 – контроллер генератора; 19 – блок аккумуляторов; 20 – инвертор

10

новку при различных скоростях ветра. Однако, она имеет значительные недостатки, а именно: дополнительные капитальные затраты на её реали-

зацию и значительные потери электроэнергии на нужды инвертора (до

5…10 % от вырабатываемой мощности P, кВт). Промышленные ВЭУ, объ-

единяемые в концентрированные на ограниченном участке местности вет-

ряные фермы (они же ВЭС), одним из крупнейших примером которых яв-

ляется ферма «San Gorgonio Pass» в США (P = 615 МВт), имеют более сложные схемы передачи электрической энергии от генератора к конечно-

му потребителю и являются объектами уникального нетипового строи-

тельства.

1.1.2. Основные характеристики ветроприемного устройства ВЭУ

Основными характеристиками ветроприемного устройства (ветроко-

леса) являются коэффициент использования мощности Cp, коэффициент момента окружных сил Cм и быстроходность Z [2, 5].

Коэффициент использования мощности определяется по формуле:

где Nв – мощность ветроколеса, использованная ветроколесом в процессе его вращательного движения, Вт; Nветр – полная энергия набегающего вет-

рового потока, Вт; v1, v2 – скорость ветра до и после ветроколеса, м/c.

Максимальное значение коэффициента Cp достигается при соотно-

шении скоростей v2/v1 = 1/3 и составляет Cp = CБ = 0,593 (где CБ – критерий Бетца). Коэффициент полезного действия ветроколеса, исходя из данного критерия, определяется по формуле:

11

Быстроходность Z ветроколеса является отношением линейной ско-

рости конца лопасти к скорости набегающего ветрового потока и применя-

ется в качестве базовой характеристики ветроколеса. Быстроходность определяется по формуле:

где n – частота вращения, об/с; R – радиус ветроколеса, м.

Оптимальное значение быстроходности ветроколеса Zопт в зависимо-

сти от числа лопастей рассчитывается по формуле:

где nлоп – число лопастей, шт.

Коэффициент момента окружных сил равен:

где M – крутящий момент на валу ветроколеса, Н·м; pд – динамическое давление ветрового потока, Па; S – площадь, омываемая ветроколесом, м²;

D – диаметр ветроколеса, м.

Крутящий момент на валу ветроколеса M, Н·м, является отношением мощности ветроколеса к его угловой скорости ω, рад/с:

где ρ – плотности воздуха, кг/м3.

Быстроходность ветроколеса Z находится в следующей зависимости от коэффициента использования мощности Cp и коэффициента момента окружных сил Cм:

Cм

12

Мощность ветроколеса Nв, Вт, зависит от скорости ветра vветр и опре-

деляется по формуле:

В зависимости от режима работы ветроколеса различают следующие

пограничные скорости ветра (рис. 1.4) [5]. Скорость страгивания с места vc, м/с – скорость, при которой ветроколесо начинает вращаться без нагрузки, vc = 0…2,5 м/с. Минимальная рабочая скорость vмин, м/с – ско-

рость, которая обеспечивает вращение ротора с номинальной частотой вращения и нулевой производительностью, т.е. в режиме холостого хода, vмин = 4,5…6,0 м/с. Оптимальная скорость vопт, м/с – скорость, при которой ветроэнергетическая установка работает с оптимальным коэффициентом использования мощности Cоптp , vопт = 6…10 м/с. Расчетная скорость vрасч,

м/с – скорость, начиная с которой генератор развивает номинальную элек-

трическую мощность Pном, кВт, vрасч = 10…15 м/с. Максимальная рабочая скорость vмакс, м/с – скорость, при которой конструкция ВЭУ позволяет производить электроэнергию без повреждения её конструктивных элемен-

тов, vмакс = 20…34 м/с. Буревая скорость vб, м/с – максимальная скорость ветра, которую может выдержать остановленный ВЭУ без его разрушения,

Для промышленных ветроэлектрогенераторов с номинальной мощ-

ностью Pном = 0,5…3 МВт существует эмпирическая зависимость опреде-

13

Рис. 1.4. Зависимость коэффициента использования мощности ветроколеса Сp и мощности P ветрогенератора от скорости ветра vветр: 1 – Сp = f(vветр); 2 – P = f(vветр)

1.1.3. Принцип работы и основные характеристики генератора ВЭУ

В качестве современных генераторов ВЭУ, как правило, используют синхронные генераторы с возбуждением постоянными магнитами или электромагнитным возбуждением.

Синхронный генератор постоянного тока [6] (рис. 1.5) – это электри-

ческая машина постоянного тока, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую энергию постоянного тока. При вращении ротора 2 генератора в постоянном магнитном поле, образован-

ном обмоткой возбуждения в обмотке якоря 1, в соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС (электродвижущая сила).

Максимальное значение ЭДС имеет место при расположении катушки под магнитным полюсом (рис. 1.6 а), при пересечении же обмотки якоря оси геометрической нейтрали ЭДС равна нулю (рис. 1.6 б), а при дальнейшем повороте ротора ЭДС изменяет знак на противоположный. В обмотке яко-

ря возникает переменный электрический ток, для выпрямления которого используются выпрямители (коллекторы).

14

Значение ЭДС синхронного генератора E, В, определяется по фор-

муле [6, 7]:

где c – постоянный коэффициент, учитывающий конструктивные особен-

ности генератора; n – частота вращения ротора ветроколеса, об/мин;

Ф – основной магнитный поток, Вб.

Таким образом, ЭДС генератора пропорциональна основному маг-

нитному потоку генератора, при этом напряжение U, В, на зажимах гене-

ратора меньше ЭДС на величину внутреннего падения напряжения [7, 8]:

где Iобм – ток в обмотке якоря, А; Rобм – полное сопротивление одной фазы обмотки якоря, Ом.

При подключении обмотки якоря генератора ВЭУ к активной нагрузке c сопротивлением нагрузки R, Ом, развиваемая синхронным ге-

Активная составляющая тока нагрузки генератора при этом создает тормозной электромагнитный момент якоря Mя, Н·м, приложенный к валу ветроколеса, приводящего во вращение ротор генератора.

Мощность P, вырабатываемая реальным генератором ветроэлектро-

генератора малой мощности, при увеличении скорости ветрового потока vветр будет сначала увеличиваться до номинального значения Pном, а при дальнейшем увеличении скорости ветра vветр будет уменьшаться, как пока-

зано на примере зависимости мощности реального ветроэлектрогенератора

«EuroWind 20» от скорости ветра vветр (рис. 1.7). Это явление связано с ис-

пользованием в их работе stahl-регулирования (применение неповоротных лопастей, аэродинамические свойства которых обеспечивают стабилиза-

цию мощности при скоростях выше расчетных значений vрасч [5]) или от-

сутствием регулирования. Для достижения стабилизации мощности, как показано на рисунке 1.4, используется pitch-регулирование – изменение угла поворота лопастей относительно направления ветрового потока с по-

мощью гидропривода или электропривода.

P, кВт

28

Рис. 1.7. Зависимость мощности P от скорости набегающего ветрового потока vветр генератора ВЭУ «EuroWind 20»

16

1.2. Описание лабораторной установки

Лабораторные работы проводятся на лабораторной установке «Не-

традиционная электроэнергетика – Натурная модель ветроэлектрогенера-

тора» [10]. Общий вид и схема лабораторной установки приведены на ри-

сунках В.1. и 1.8, соответственно.

Рис. 1.8. Схема лабораторной установки: 1 – блок нагрузки и измерения; 2 – подставка для фототахометра; 3 – лабораторный стол; 4 – фототахометр; 5 – ветроэлектрогенератор; 6 – напольный вентилятор; 7 – термоанемометр

Лабораторная установка состоит из следующих элементов (рис. 1.8): 1. Блок нагрузки и измерения, предназначенный для изменения со-

противления нагрузки ветроэлектрогенератора и измерения его напряже-

ния и тока, а также развиваемой активной мощности.

2.Подставка для фототахометра.

3.Лабораторный стол для размещения лабораторного оборудования.

17

4.Фототахометр «DT 2234B», используемый для измерения числа оборотов ветроколеса ветроэлектрогенератора.

5.Ветроэлектрогенератор «WindPitch Education Kit», представляю-

щий из себя трехфазный синхронный генератор с постоянными магнитами и выходным выпрямителем, на валу которого установлено ветроколесо с лопастями в комплекте с музыкальным модулем.

6.Напольный бытовой трехскоростной вентилятор для создания имитации ветрового потока с различной скоростью.

7.Термоанемометр «DT-318», используемый для измерения скорости ветра vветр, м/с, создаваемой напольным вентилятором.

Цифровой фототахометр «DT 2234B» – это устройство, предназна-

ченное для измерения частоты вращения без соприкосновения с объектом измерения (рис. 1.9). Измерение частоты вращения проводится в следую-

щем порядке. Отрезается кусок клейкой ленты в виде квадрата со стороной не менее a = 12 мм и прикрепляется к вращающемуся объекту. При этом неотражающая область объекта всегда должна быть больше отражающей.

Нажимается кнопка запуска измерений 4 и совмещается направление све-

тового луча 2 с прикрепленной меткой 1. Каждые 0,8 секунды на дисплее высвечивается показание частоты вращения n. Для просмотра последнего,

максимального и минимального измеренных значений частоты вращения n, нажимается кнопка обращения к памяти 5. На дисплее последовательно выводятся максимальное (со значком «UP»), минимальное («DN») и по-

следнее («LA») значения частоты вращения n, измеренные за последний сеанс испытаний.

Термоанемометр «DT-318» предназначен для измерения температу-

ры и скорости перемещаемого потока воздуха (рис. 1.10) в помещениях жилого и производственного назначения, оборудованных системами вен-

тиляции и кондиционирования воздуха. Работа с прибором проводится в

18

следующей последовательности. Прибор включается нажатием кнопки 4.

Для включения таймера автоматического выключения прибора через 15

минут после включения, при включении вместе с кнопкой 4 нажимается кнопка 7. Для включения/выключения функции фиксации показаний на дисплее 3 нажимается кнопка 5. Включение режима вывода максимально-

го, минимального и текущего значений проводится нажатием кнопки 6.

Для обнуления данного режима кнопка 6 удерживается три секунды. Пере-

ключение единицы измерения скорости воздушного потока (м/с, фут/мин,

км/ч, миль/ч, узел) проводится путем нажатия кнопки 7. Выбор единицы измерения температуры (°C или °F) реализуется путем удержания кнопки 7

не менее трех секунд. Подсветка дисплея включается нажатием кнопки 5.