Способи регулювання потужності горизонтально-осьової вітроенергетичної установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Способи регулювання потужності горизонтально-осьової вітроенергетичної установки

За способом регулювання потужності всі вітроустановки діляться на два типи, які характеризуються короткими англійськими термінами: Pitch і Stall.

Pitch (ставити) регулювання - це зміна кута атаки лопаті у відповідності зі швидкістю вітру.

Stall (застрявати) - це коли кут атаки лопаті незмінний, але профіль лопаті по довжині робиться таким чином, що ефективність окремих ділянок лопаті падає при зростанні швидкості вітру, в результаті після досягнення номінальної потужності при збільшенні швидкості вітру зростання потужності ВЕУ не відбувається або відбувається, але незначно.

У разі застосування декількох вітроустановок важливим є наявність систем, які служать для автоматичного регулювання вихідної потужності залежно від швидкості і сили вітру. У принципі можна говорити про активне регулюванні, яке полягає в вимушеній зміні кута установки лопатей ротора і напрямки установки гондоли залежно від сили і напряму вітру. Ці процедури спрямовані насамперед на підтримування постійного рівня потужності і необхідних якісних характеристик електричної енергії, яка віддається в електричну мережу.

Регулювання зміною кута установки лопатей ротора (англ. Pitch regulation) полягає у зміні кута атаки вітру на лопаті ротора. Це дозволяє підтримувати постійну швидкість обертання ротора. Пристрій автоматичного регулювання на підставі інформації про швидкість вітру та величини потужності, яка генерується, здійснює, за допомогою сервомеханізмів, зміна кута установки лопатей ротора щодо направлення атаки вітру. Завдяки тому що підтримується постійна швидкість обертання ротора, це безпосередньо впливає на стабільність та ефективність роботи вітроенергетичної установки, а також на зменшення рівня шуму. Додатково, у разі виникнення дуже великій швидкості вітру загрозливою знищенням вітроустановки, існує можливість аеродинамічного гальмування через установку лопатей в так званий прапорець. Вузол регулювання кута установки лопатей знаходиться в ступиці ротора. Кожна з лопатей регулюється за допомогою окремого гідравлічного приводу.

Регулювання зміною кута установки лопатей ротора впливає на значення сил, що діють на окремі лопаті. Її істотною вадою, в порівнянні з іншими методами регулювання, є значне число рухомих частин в конструкції вітротурбіни, що призводить до зниження її надійності.

Регулювання цього типу також застосовується в вітроустановках з генераторами із змінною частотою обертання. У такому випадку регулювання полягає у застосуванні вузла, одночасно стежить за зміною швидкості обертання ротора, швидкості генератора, а також кута установки лопатей ротора. У разі різкого збільшення швидкості вітру вузол збільшує швидкість обертання генератора і в той же час зменшує кут установки лопатей, що в результаті призводить до зменшення швидкості обертання ротора. Наслідком цих процедур є виключення коливань потужності і підтримування хороших параметрів якості енергії, яка віддається в мережу, а також істотне обмеження конструкційної перевантаженості ротора.

Регулювання через так зване розрідження (англ, stall regulation) полягає у використанні аеродинамічній характеристики лопатей ротора, тобто належить до найпростішим пасивних методів. При певній швидкості вітру за лопатями ротора починає створюватися турбуленція і настає так зване розрідження лопатей. Обертаючий момент, переданий генератору ротором вітродвигуна зменшується, що в свою чергу дозволяє підтримувати відносно постійною вихідну потужність вітроенергетичної установки. Лопаті мають відповідну форму і постійно закріплені в ступиці ротора.

Основною перевагою цього виду регулювання є відсутність багатьох додаткових елементів і деталей систем, пов'язаних з управлінням та регулювання кута установки лопатей ротора, що значно спрощує конструкцію вітроенергетичної установки. До основного недоліку розглянутого виду регулювання слід вважати порівняно меншу ефективність перетворення енергії вітру, нестабільність вихідної потужності під час виникнення турбулентності, а також погіршення параметрів якості вироблюваної електричної енергії. Таке регулювання зазвичай застосовується в вітроустановках малої потужності з індукційними генераторами і постійною швидкістю обертання.

Регулювання зміною установки гондоли в напрямку вітру (англ, yaw conrol) полягає в автоматично регульованому положення всієї гондоли, і тим самим, зміні положення осі обертання ротора по відношенню до напрямку вітру (аж до перпендикулярного). Це регулювання може бути реалізовано за допомогою слідкувального пристрою і додаткового приводного двигуна. Активне регулювання положення гондоли застосовується головним чином в потужних вітроустановках, де відповідно керований двигун встановлює гондолу в необхідне положення щодо напрямку вітру. Таким чином можна тримати на постійному рівні вихідну потужність вітроустановки. Пасивне регулювання, за допомогою спеціального направляючого прапорця, застосовується в вітроустановках меншої потужності.

Регулювання вітродвигуна введенням додаткового опору на роторі. Сучасні вітроустановки великої потужності регулюються методом заздалегідь розрахованого (при збільшенні швидкості вітру і відповідно при збільшенні кута атаки) зриву потоку з певних ділянок лопаті, міцно закріпленої на роторі. Для реалізації цього методу регулювання необхідний спеціальний профіль лопаті, який повинен володіти наступною властивістю: при збільшенні швидкості вітру зрив потоку з профілю лопаті повинен починатися з комля профілю, а потім область зриву повинна поступово збільшуватися і просуватися до передньої частини профілю. У результаті залежність коефіцієнта підйомної сили cL від кута атаки а буде мати вигляд кривої 1 на рис. 6.5.

Припинення зростання коефіцієнта cL із зростанням кута атаки а обмежує зростання потужності вітродвигуна і зберігає його значення на досить постійному рівні. У традиційних крилевих профілів залежність cL від а подібна кривої 2 на рис. 6.5, що призводить до зниження потужності із зростанням швидкості вітру у разі їх використання для аеродинамічного саморегулювання.

Рисунок 6.5 - Залежність коефіцієнта підйомної сили cL, від кута атаки а: 1 - профіль, використаний для регулювання зривом потоку; 2 - традиційний криловий профіль

Слід зазначити, що регулювання зривом потоку з лопаті застосовується на ВЕУ великої потужності з асинхронним генератором. Частота обертання електрогенератора визначається залежністю крутного моменту електрогенератора від оборотів.

На двигунах малої потужності можна зустріти регулювання за допомогою установки на кінці лопаті декількох невеликих гальмівних поверхонь (відкрилків), аеродинамічно гальмують вітродвигун за рахунок їх повороту від дії відцентрового механізму, розміщеного всередині лопаті.

Регулювання зміною опору обмотки ротора (англ, load control) полягає в зміні опору обмотки ротора генератора. Таким чином при роботі вітротурбіни відбувається перехід з однієї зовнішньої характеристики на іншу, більш вигідну при конкретних умовах. Зміна опору може бути виконано через включення в коло ротора генератора додаткового опору. З метою зміни опору можуть бути також використані напівпровідникові перетворювачі, які також повинні бути включені в коло ротора.

Енергія вітрового потоку, поряд з перевагами має і низкою недоліків. По-перше, використання енергії вітру вимагає великих габаритів вітродвигуна при прагненні отримання більшої потужності. По- друге, енергія вітру відрізняється великою непостійністю. Якщо швидкість вітру змінюється протягом секунди в 2-3 рази, то енергія при цьому змінюється в 8-27 разів.

Зважаючи пульсуючого характеру енергії вітру великі ВЕУ повинні працювати в режимі фіксованої частоти обертання вітродвигуна. Вітродвигун повинен регулюватися, тобто давати при необхідної потужності постійне число обертів, незалежно від швидкості вітру.

Існуючі способи регулювання частоти обертання вітродвигуна, застосовувані на практиці, поділяються на такі основні групи:

- регулювання відведенням ротора від напрямку вітру;

- регулювання кута установки лопатей ротора;

- регулювання повітряним гальмом.

Регулювання відведенням ротора від напрямку вітру полягає в тому, що при косому набіганні вітру на ротор через нього протікає меншу кількість повітря; крім того, через зміни при цьому кута атаки на лопатях зменшується підйомна сила.

Потужність вітродвигуна при відхиленнях ротора від прямого потоку змінюється пропорційно кубу косинуса кута відхилення

(6.5)

де - потужність вітродвигуна при .

Автоматичне регулювання виведенням ротора з-під вітру носить назву "Система Екліпс" і застосовується у малопотужних вітродвигунів. Регулювання за цією системою здійснюється двома способами:

- за допомогою бічної лопати, що зміцнюється на голівці вітродвигуна за ротором з правого або лівого боку його осі обертання;

- розміщення осі обертання ротора на деякій відстані (50... 100 мм) вліво або вправо від вертикальної осі повороту головки вітродвигуна.

У першому випадку ротор виводиться з-під вітру тиском вітру на лопату (рис. 6.6).

Рисунок 6.6 - Регулювання відведенням ротора від напрямку вітру лопатою

У другому випадку відхилення ротора відбувається завдяки моменту лобовій сили тиску вітру на ротор щодо вертикальної осі (з плечем, рівним рис. 6.7).

У першому і в другому випадках сила, що діє з надлишком на одну сторону вертикальної осі, врівноважується пружиною, прикріп

вітроустановка ротор вітродвигун гальмо

Рисунок 6.7 - Регулювання відведенням ротора від напрямку вітру за допомогою ексцентриситету

Регулювання зміною кута установки лопатей ротора. За цим способом регулювання кута вітродвигуни поділяються на:

- нерегульована

- регульовані;

- частково регульовані;

- саморегульовані.

Вітродвигуни з нерегульованим кутом установки лопаті мають певний фіксований кут і оптимально працюють у вузькому діапазоні швидкостей вітрового потоку.

Регулювання кутом установки лопаті істотно розширює діапазон роботи ВЕУ. Кут установки лопаті може змінюватися від 0 до 90° (рис. 6.8).

Рисунок 6.8 - Розміщення лопаті під час регулювання

На рис. 6.8, а показано положення лопаті, коли кут атаки дорівнює нулю, такий стан називають флюгерним. При цьому на протилежних площинах лопасті створюється рівність тисків повітряного потоку, що утримує лопасть в цьому положенні.

На рис. 6.8, б показаний потік повітря, коли кут атаки б >10°, обтікаючий лопать та створюючи обертаючу силу. При цьому відбувається повільне обертання вітродвигуна.

На рис. 6.8, в показано положення лопаті, коли при певній швидкості вітру кут атаки достатній для створення крутного моменту, необхідного для розгону ротора генератора до синхронної частоти обертання і вище в допустимих межах.

Максимальна ефективність досягається тільки при малих кутах установки. Поворот лопаті дає можливість ефективно працювати з меншим кутом установки, при цьому забезпечується підтримання оптимальних характеристик навіть при значній зміні швидкості вітрового потоку.

Принципово можливе створення лопатей з частковим регулюванням кута установки. У цьому випадку корінна частина лопаті має фіксований кут установки, а кінцева - змінюваний. Такий спосіб регулювання дозволяє істотно знизити витрати на вузли кріплення лопаті до маточини, що має велике значення для ВЕУ великої потужності. Крім того, потужність приводу регулювання в порівнянні з попереднім випадком значно зменшується. Однак, часткове регулювання не забезпечує ефективного перетворення енергії вітрового потоку в електричну, оскільки не встановлює оптимальний кут атаки по всій довжині лопаті, а стик між регульованою і нерегульованої частинами лопаті в процесі роботи чинить негативний вплив на характер обтікання лопаті вітровим потоком.

Створення саморегулюючих вітродвигунів передбачає, в основному, використання надлишкової сили тиску вітрового потоку і відцентрової сили, що діє на лопать. У цьому випадку поворот лопаті біля осі маху (поздовжня вісь лопаті) вчиняється безпосередньою дією вітру на лопать, яка, будучи вільно посаджена з деяким ексцентрісететом щодо осі маха, прагне повернутися в напрямку вітру і, утримуючись за допомогою вантажу в рівновазі, допускає можливість регулювання кількості обертів.

У потужних вітроенергетичних установок поворот лопатей здійснюється за допомогою спеціального механізму з електромеханічним або з гідравлічним приводом.

Регулювання повітряним гальмом. Під час роботи ротора на його лопатях виникає підйомна сила, одна зі складових якої обертає ротор, і сила опору, що гальмує це обертання. Якщо ми тим чи іншим пристроєм будемо в змозі так змінювати силу опору, щоб вона стала на перешкоді збільшенню числа обертів, то таке гальмівний пристрій забезпечить регулювання.

Размещено на Allbest.ru