Схеми і конструктивні елементи вітроенергетичної установки з горизонтальною віссю обертання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схеми і конструктивні елементи ВЕУ з горизонтальною віссю обертання

Загальний вигляд конструктивного компонування вітроенергетичної установки з горизонтальною віссю обертання вітроколеса показаний на рис. 1.

Основними функціональними елементами вітрових електроустановок є (рис. 2): вітровий двигун, електрогенератор, механічна (є також системи без передачі) передача, пристрої автоматичного управління та регулювання, допоміжні пристрої.

Вітровий двигун є проточним двигуном, що перетворює кінетичну енергію вітру в механічну. Вітровий двигун з горизонтальною віссю складається з:

Рисунок 1. - Конструктивна схема вітроенергетичного агрегату з горизонтальною віссю обертання

- ротора, сформованого з комплексу закріплених променевих лопатей в маточині розташованого на горизонтальному валу;

- основного корпусу (башти або гондоли), розташованого на рухомому (обертовому) наконечнику на вежі або щоглі відповідної висоти;

- направляючих пристроїв, що призначенні для підстроювання ротору під вітер, тобто віссю паралельно до напряму вітру;

- регулювальних і керуючих пристроїв;

- комплексу зняття і видачі електричної енергії.

Рисунок 2. - Основні елементи вітрової електроенергетичної установки: а) функціональна схема, б) розріз; 1 - вітровий двигун, 2 - електрогенератор, 3 - механічна передача, 4 - пристрої автоматичного регулювання і управлення, 5 - допоміжні пристрої

Вітровий двигун характеризується через коефіцієнт швидкохідності, який виражено залежністю

(1)

де: - окружна (обводова) швидкість кінців лопатей [м/с], v - швидкість вітру [м/с], R - відстань від кінця лопаті до вісі обертання ротора [м], щ - кутова швидкість ротора [хв-1].

В залежності від значення коефіцієнта швидкохідності, вітрові двигуни поділяють на: - тихохідні, що називають також вітровими турбінами, з коефіцієнтом швидкохідності Ж<1.5; вони мають ротор з великою кількістю лопатей (12...40) і відрізняються великим пусковим моментом;

- з середньою швидкістю, коефіцієнтом швидкохідності: 1.5<Z<3.5 з 4...7 лопатями;

- швидкохідні з Z>3.5, що мають ротори у вигляді авіаційного пропелера з трьома, двома або однією лопаттю; вони мають найбільшу аеродинамічну підготовленість, але невеликий пусковий момент.

Найбільшого поширення в даний час має поки ще класична схема ВЕУ, що має в своєму складі ротор, мультиплікатор з передавальним відношенням від 50 до 100 і швидкохідний генератор з частотою обертання 1000...1500 об/хв. Крім цього для забезпечення високого коефіцієнта корисної дії (ККД) ротора практично для всіх ВЕУ мегаватного класу застосовується інвертор (перетворювач частоти), що забезпечує можливість роботи ротора з оптимальними змінними оборотами залежно від швидкості вітру. Вартість мультиплікатора становить 12...15% вартості ВЕУ, а ціна перетворювача частоти складає ~ 20% від вартості ВЕУ.

Вітротурбіни з горизонтальною віссю обертання можуть використовувати для перетворення енергії вітру підйомну силу або силу опору (рис. 3.). Вони можуть бути виконані з різним числом лопатей: від однолопатевих пристроїв з контрвантажами до багатолопатевих.

Рисунок 3. - Вітроприймальні пристрої з горизонтальною віссю обертання: 1 - однолопатеве вітроколесо; 2 - дволопатеве; 3 - трилопатеве; 4 - багато лопатеве; 5 - багатолопатеве велосипедного типу

Система, на якій укріплена вітротурбіна, виконується поворотною, яка за напрямком вітру за допомогою хвостового оперення або віндрози. Для обмеження частоти обертання вітроколеса при великій швидкості вітру застосовується спосіб установки лопатей у флюгерне положення, а також пристрої для виведення вітроколеса з-під вітру. Лопаті можуть бути безпосередньо закріплені на валу вітроколеса або ж обертовий момент може передаватися від його обода через вторинний вал до генератора або іншій робочій машині. Вітроприймальні пристрої 1 - З використовують для своєї роботи підйомну силу профілів, а 4,5 - силу опору.

В основному у горизонтально-осьових ВЕУ вітрове колесо має крилоподібну форму і обертається у вертикальній площині, перпендикулярно напрямку вітру, а вісь вітроколеса паралельна потоку. Основною обертальною силою у коліс цього типу є підйомна сила лопатей.

Однолопатеві вітродвигуни характеризуються високою швидкістю обертання і економічністю. Однак, незважаючи на те, що такі вітродвигуни забезпечують найвищу віддачу на лопать, залишається відкритою проблема забезпечення статичного балансу конструкції, що не кажучи вже про динамічний. Використання балансувального вантажу призводить до появи значного шуму і зниження аеродинамічних характеристик внаслідок аеродинамічного опору.

Використання двох лопатей забезпечує статичний механічний баланс, однак, наявність великої асиметрії моменту інерції не дає зберегти динамічний баланс. Багатолопатеві вітродвигуни характеризуються великим коефіцієнтом заповнення і, внаслідок цього, значною величиною коефіцієнта осьового гальмування вітрового потоку і моменту інерції, що суттєво позначається на значені коефіцієнта використання енергії вітру. Крім того, застосування багатолопатевих вітродвигунів у якості привода електричного генератора призводить також до зниження економічних показників ефективності ВЕУ із-за збільшення загальної вартості лопатей і зростання витрат на мультиплікатор, оскільки швидкість обертання таких вітродвигунів невелика. За способом регулювання кута установки лопатей вітродвигуни поділяють на регульовані і нерегульовані. Кут ц між хордою профілю і площиною обертання називається кутом установки або заклинювання лопаті (рис. 4.). Крім представлених на рис. 3 основних конструкцій вітроприймальних пристроїв можливі на їх основі різні модифікації вітроколіс, наприклад, з дифузором або концентратором. Проте з'явилися розробки роторів з горизонтальною віссю обертання оригінальних конструкцій, до яких можна віднести спіралевидний ротор типу Spiralfluger SFIOTepMaimn і ротор Оніпка (рис. 5.).

Рисунок 4. - Аеродинамічна форма І кут установки лопаті вітроприймального пристрою з горизонтальною віссю обертання

вітровий електроенергетичний установка двигун

Рисунок 5. - Загальний вигляд оригінальних вітроприймальних пристроїв: а) - у вигляді спіралі; б) - ротор Оніпка

Показані на рис. 5. конструкції вітроколіс ВЕУ заслуговують детального вивчення як з точки зору аеродинамічних характеристик, так і режимів роботи застосовуваних з ними генераторів підвищеної частоти при широкому діапазоні зміни частоти обертання. При передньому щодо вишки розташуванні вітроколеса вітротурбіна повинна мати аеродинамічний стабілізатор для утримання її в робочому положенні. При задньому розташуванні башта частково затінює вітроколесо і турбулізує набігаючий на нього потік. При роботі колеса в таких умовах виникають циклічні навантаження, підвищений шум і флуктуації вихідних параметрів вітроустановки.

У загальному випадку для горизонтально-осьової ВЕУ принципово можливі два варіанти розміщення машинного відділення:

- безпосередньо на вершині опори з прямою передачею обертального моменту вітродвигуна;

- в основі - з передачею обертального моменту під прямим кутом.

Дослідження фахівцями переваг і недоліків цих варіантів дозволило зробити наступний висновок: незважаючи на зручність обслуговування і зниження матеріаломісткості, розміщення його в основі опори недоцільно, оскільки це призводить до збільшення довжини і маси трансмісії (що для ВЕУ середньої та великої потужності практично неможливо), до зменшення ефективності за рахунок використання передачі під прямим кутом і зниження надійності. Тому найбільш прийнятним вважається розміщення машинного відділення для горизонтально-осьової ВЕУ будь-якої потужності безпосередньо на вершині опори.

Размещено на Allbest.ru