Умные крылья энергии: электрогенераторы
- Мегабашни Башня, огромные лопасти, генератор а также ступица ветроколеса (на схеме слева) — все в современных мегаваттных ветрогенераторах создаёт чувство нечеловеческих масштабов. Размеры — дань эффективности
Мультипликаторы Внизу — схема ветроустановки с многоступенчатым мультипликатором (самый распространенная Сейчас). Вверху — схема, применяющая одноступенчатую среднеоборотный генератор и планетарную передачу.
- Второй вариант имеет более несложную и надежную конструкцию и предъявляет меньшие требования к разработкам производства
Конструирование ветроустановки требует тщательных математического моделирования и расчётов. При огромных габаритах ВЭУ мегаваттного класса «продуть» ее в аэродинамической трубе фактически нереально, так что вся надежда на практичную теорию и опыт
- Большую роль в современных ветроустановках играется совокупность управления углом атаки (pitch control), разрешающая варьировать подъемную силу на лопасти и избегать нерасчетных нагрузок при сильных порывах ветра
Против ветра Ветроустановка находится под сильнейшей ветровой нагрузкой, исходя из этого небольшие недочёты в проектировании, постройке либо обслуживании смогут привести к ее обрушению. За последние десять лет в мире случилось около 80 аналогичных аварий.
- Известны кроме этого случаи отрыва лопастей
В лопасти помещается более твёрдый каркас с прямоугольным сечением, а внешняя оболочка снабжает нужный профиль крыла, созданный специально для действия в воздушных потоках с низкими скоростями
Простота базисного принципа не всегда означает технологическую простоту, в особенности в случае если из конструкции нужно «выжать» большую эффективность. В теории самолет очень несложен, и братья Райт, создавая собственный «Флайер-1», в полной мере обошлись подручными индустриальными технологиями и материалами гаражного класса. Но, как мы знаем, первенец всемирный авиации улетел не дальше размаха крыльев «Боинга-747», чуть подняв в атмосферу Орвилла Райта в качестве нужной нагрузки.
Современные лайнеры пересекают континенты и океаны, поднимают в небо десятки а также много тысячь киллограм груза. Наряду с этим они практически напичканы хайтеком, что снабжает высочайшую функциональность, безопасность эксплуатации и экономическую эффективность. Воплощая в судьбу примитивную схему «ветровое колесо плюс электрогенератор», конструкторы нынешних ветроэнергоустановок мощностью в пара милионов ватт вынуждены кроме этого опираться на последние успехи наукоемких производств и науки.
Фактически, у ветроэнергетики и авиации много неспециализированного. И в том месте и в том месте употребляется подъемная сила, образующаяся при сотрудничестве крыла с набегающим потоком воздуха. Но в случае если для образования подъемной силы под крылом самолета приходится тратить энергию на создание тяги, то ветряк применяет естественное перемещение воздушных потоков, чтобы забрать у них энергию и преобразовать ее в электричество.
Еще одно принципиальное отличие ВЭУ от авиационных конструкций содержится в том, что их ресурс безостановочной работы образовывает годы.
Необходимо худеть
До тех пор пока размах ветрового колеса мал, а мощность генератора измеряется в десятках либо сотнях кВт, никаких особых разработок не нужно, но современная ветроэнергетика ориентируется на воистину огромные сооружения: на 100−120-метровых башнях устанавливаются имеющие вес в десятки тысячь киллограм гондолы, а размах лопастей ветрового колеса достигает 130 м. Чем выше башня и чем больше диаметр ротора, тем больше применяемый ветропотенциал. Но при повышении линейного размера ветроэнергетической установки (ВЭУ) ее мощность растет в квадратной пропорции, а вес — в кубической.
Как раз исходя из этого, как и в авиации, борьба с избыточным весом всей конструкции — один из наиболее значимых приоритетов. Вторая важная задача — обеспечение устойчивости всей конструкции. ВЭУ представляет собой могучую «голову» на узкой ножке и подвергается сильнейшему ветровому давлению, раскачивается, вибрирует, и, дабы ветряк не разрушился и не опрокинулся, требуются сложные расчеты и нестандартные технические ответы.
Ветроэнергетический хайтек начинается прямо с роторов — в окружности самых громадных из них нормально умещается футбольное поле.
Чем идеальнее аэродинамический профиль лопастей ветрового колеса, тем выше его КПД. Наряду с этим лопасти должны быть прочными и упругими, в противном случае высотные ветры сломают их как спички. Лопасти кроме этого должны иметь минимальный вес, поскольку увеличение массы увеличивает нагрузки на конструкцию в целом и ее цену.
В производстве лопастей для ротора, как и в авиапроме, ставка делается на неметаллические композитные материалы при главной роли стеклопластика, что именно и совмещает в себе все требуемые особенности. В лопасти помещается более твёрдый каркас с прямоугольным сечением, а внешняя оболочка снабжает нужный профиль крыла, созданный специально для работы в воздушных потоках с низкими скоростями.
Но оптимальный вес вкупе с аэродинамическими качествами — это еще не все. Ветровое колесо должно владеть долгим рабочим ресурсом. Помогать ВЭУ предстоит два десятилетия, и чем меньше на это время придется регламентных и ремонтных работ, тем дешевле обойдется эксплуатация.
Крылом по ветру
Не напрасно на протяжении бури на корабле спускают паруса — применять энергию ветра на благо вероятно только до какого-либо предела. В то время, когда дует через чур очень сильно, приходится защищаться — начинают расти нагрузки на лопасти, на башню, на корпус гондолы. До эры мегаваттных ВЭУ неприятность защиты ветряка от сильных порывов ветра решалась за счет более массивных башен и более прочных лопастей.
Профиль крыльев конструировался так, что при достижении определенной скорости потока воздуха от финиша лопасти вниз шло нарастание срыва потока и появлялась утрата подъемной силы. Так получалось предохранить генератор от вращения на нерасчетных оборотах, что привело бы к его поломке.
Но воистину революционным ответом, разрешившим современным ветроустановкам достигнуть мегаваттных мощностей, стало введение в конструкцию ВЭУ совокупности управления углом атаки лопастей (pitch control). Эта интеллектуальная совокупность отслеживает количество энергии, поступающей на ветроколесо, и поддерживает оптимальные обороты за счет поворота лопастей около продольной изменения и оси подъемной силы. Изменение угла атаки выполняется посредством особых приводов в ступице, поворачивающих лопасти.
Совокупность pitch control разрешает не только поддерживать вращение ротора в заданном диапазоне скоростей, но и оказывает помощь решить проблему безопасности всей ВЭУ — остановить ветроколесо при буревом ветре и избежать резонансного раскачивания башни. Дело в том, что ветрогенератор может попасть в резонанс от некоторых нагрузок — как от пульсации самого воздуха, так и от толчков, каковые появляются, в то время, когда лопасть проходит мимо башни.
В случае если наблюдать с далека, данный эффект фактически незаметен, но в случае если подняться близко к башне, он в полной мере ощутим. Сейчас представим себе, что частота этих толчков попала в резонанс с собственной резонансной частотой колебания башни. Результат нетрудно угадать — ВЭУ разрушится. Само собой разумеется, бороться с этим эффектом возможно, повышая частоту колебаний башни, другими словами утолщая и утяжеляя ее. Это скажется на стоимости материалов и монтажа.
А возможно покинуть ее красивой, но посредством совокупности управления углом атаки вынудить ветроколесо скоро проходить страшный режим.
15 тысячь киллограм как часы
не меньше высокотехнологично и содержимое гондолы ветрогенератора. В большинстве действующих сейчас ВЭУ мегаваттного класса употребляется мультипликатор — 3−4-ступенчатая совокупность зубчатых передач, которая разрешает повысить обороты с 15 об/мин на валу ветроколеса до 1500 об/мин на валу электрогенератора. И хоть зубчатыми передачами мир в далеком прошлом не поразишь, мультипликатор ВЭУ — случай особенный. Современный мультипликатор — это махина весом в 12−15 т, которая имеет КПД не ниже 97%.
Это, с одной стороны, очень габаритная, а с другой — в высшей степени прецизионная механика. Для изготовления мультипликатора требуются отличные сплавы, сверхточная обработка поверхности. Особенно это относится высокооборотной ступени — той, что ближе к генератору. Требуются особые масла, каковые облегчают движение механизма и отводят в совокупность воздушного охлаждения те самые 3% утрат, каковые преобразуются в тепло.
Лишь так возможно обеспечить низкий вес мультипликатора, большой КПД и высокую износоустойчивость конструкции для долгого ресурса механизма.
И мозги понадобятся
Создатели ВЭУ непрерывно борются за увеличение энергетической и экономической эффективности установок, повышая КПД компонентов (ветроколеса, мультипликатора, преобразователя и генератора), улучшая надежность конструкций и снижая их цену и массу. Борьба идет за пара процентов (1−3) а также за их доли. Сильнейший фактор в борьбе за энергетическую эффективность ВЭУ — совокупность управления (СУ) и ПО (ПО).
Современная СУ, снабженная ПО, максимально учитывающим особенности характеристики и ветров потребителей энергии, может дать увеличение энергоотдачи на 10 и более процентов.
Собственные высокотехнологические изюминки имеют, очевидно, и генератор, и совокупность электрических тормозов, и конструкция обтекателя гондолы. Так может ли подобная наукоемкая продукция производиться в Российской Федерации?
Как приобрести черенок от лопаты
В статье «Кинем надежды на ветер», размещённой в декабрьском номере «ПМ» за 2009 год, отечественным собеседником была высказана очень категоричная точка зрения — в Российской Федерации ветрогенераторы мегаваттного класса делать не могут, и в случае если ответ о создании замечательных ветропарков будет у нас принято, оборудование нужно будет покупать у грандов индустрии из Германии, Дании и США. Дабы выслушать другую точку зрения, мы пригласили в редакцию начальников проекта «Новый ветер» Вениамина Нырковского и Андрея Кулакова. Основная задача этого проекта — интеграция отечественных научных и промышленных возможностей для производства русских моделей ВЭУ.
«Цель отечественного проекта — развитие русском ветроэнергетики как независимой отрасли машиностроения, — говорит Андрей Кулаков, — но к этому выводу мы пришли не сходу. Предварительные расчеты показывают: дабы Российская Федерация в первой половине 20-ых годов XXI века имела 4,5% ‘зеленой электричества’, нужно будет выстроить ветропарки неспециализированной мощностью 8−10 ГВт. Где забрать эти 5000 ВЭУ, в случае если машиностроительные мощности Европы, Китая и Индии загружены ‘внутренним’ заказом?
Ответ очевиден. Нужно обучиться создавать тут, в Российской Федерации.
Мощности для этого имеется. Да и компетенции хватает. С металлом, а ВЭУ все-таки железная конструкция, отечественные мастера трудятся в далеком прошлом и в качестве не уступают чужестранцам.
Лицензия? Мы проездили фактически всю Европу — от Южной Австрии до Голландии — и осознали, что приобрести лицензию на удачных для нас условиях попросту не окажется. Во-первых, предлагаются морально устаревшие конструкции минимум десятилетней давности, а прогресс в данной отрасли таковой стремительный, что десять лет — это целая эра.
Во-вторых, по условиям лицензии мы возьмём, образно выражаясь, не лопату, а черенок от лопаты. Нам ограничат рынок сбыта, и собственную продукцию мы не сможем реализовывать нигде, не считая России. Нам навяжут производителей генераторов, мультипликаторов, лопастей, совокупности управления, подшипников. Как раз в данной продукции ‘зашит’ основной хайтек, но в лицензию она не входит, составляя наряду с этим более 50% цены всей ВЭУ. Нам остаются башня, ступица и корпус гондолы.
За это с нас попросят не меньше? 10 млн. Имеется ли в этом суть?»
Середина золотая и дешёвая
«Вопреки скептическому точке зрения о возможностях отечественной промышленности и науки мы заключили , что в Российской Федерации современные замечательные ВЭУ создавать возможно, — продолжает тему Вениамин Нырковский.- Единственное, что мы разумеется ‘не потянем’, — это многоступенчатый мультипликатор с его прецизионной механикой. Таких производств у нас нет, а их создание потребует млд дол. Но обстановка не безнадёжная.
на данный момент порядка 17% представленных на рынке ветряков трудятся по совокупности direct drive, другими словами обходятся по большому счету без мультипликатора. У данной схемы имеется один большой плюс — наличие минимума движущихся частей, что додаёт конструкции надежности и сокращает утраты энергии. Но имеется и громадный минус: генератор, вал которого вращается со скоростью ветроколеса, должен быть большим.
Для двухмегаваттной ВЭУ, трудящейся с многоступенчатой коробкой передач (мультипликатором), генератор будет иметь диаметр около 1,5 м и вес около 10 т. В установке совокупности direct drive той же мощности его диаметр составит более семи метров, а вес- около 60 т. Кстати, Российская Федерация — одна из немногих государств, где такие огромные генераторы делать могут. Действительно, они предназначены для ГЭС и условия их эксплуатации резко отличаются из-за различия динамики колебания энергии. Помимо этого, 60-тонный генератор очень непросто транспортировать, в особенности в труднодоступные районы, и весьма сложно монтировать на башне — нужна особая крановая техника, которую перевозить кроме этого весьма сложно.
Но имеется и «золотая середина» — среднеоборотные генераторы, трудящиеся по совокупности multibrid. В этом варианте между валом ветроколеса и валом генератора ставится одноступенчатый планетарный мультипликатор, что передает на вал генератора вращение со скоростью не 1500, а 150 об/мин, наряду с этим получается единый конструктивный моноблок ‘мультипликатор-генератор’ (ММГ). Причем среднеоборотный генератор имеет уже в полной мере приемлемые габариты.
При той же мощности 2 МВт он будет иметь диаметр 2,5−3 м и вес порядка 30 т. Сделать таковой генератор и одноступенчатую передачу к нему в Российской Федерации смогут, а также не на одном предприятии. Само собой разумеется, что-то нужно будет покупать — к примеру, технологии и оборудование, которые связаны с производством лопастей, но эти затраты окажутся очевидно меньше, чем плата за лицензию на ‘черенок от лопаты’. Другое — гондола, ступица, башня — не воображает для отечественной индустрии никаких неприятностей».
Ностальгия по Королеву
В подготовке проекта двухмегаваттного генератора, созданного экспертами «Нового ветра», принимали участие всего около двух десятков человек. Это обосновывает, что кроме того такие масштабные инициативы по плечу верно подобранной команде экспертов. «В ходе работы над проектом, — говорит Нырковский, — нам неоднократно говорили: ‘Вы сами не справитесь, тут необходимы целые университеты!’ А мы отвечаем: ‘Нет, нам необходимы не университеты, нам необходимы отдельные эксперты, каковые занимаются, скажем, в ЦАГИ аэродинамикой низких скоростей.
Либо проблемами механики, динамики, прочности материалов в других университетах и КБ’. Для производства ВЭУ у нас имеется теоретическая база, имеется конструкция, имеется потенциальная производственная база. Чего у нас нет — так это экспертов по эксплуатации и строительству ветропарков.
Но мы решим данный вопрос так же — к себе на работу умелых инженеров из западных компаний. Наймем отдельных людей, вместо того дабы подряжать целые корпорации. И трансфер мозгов вместо трансфера разработок обойдется, поверьте, существенно дешевле. Мне по большому счету думается, — завершает собственный монолог Вениамин Иванович, — что технический прогресс в Российской Федерации не идет не из-за отсутствия денег.
Деньги помой-му где-то ходят, но или идут не в том направлении, или тратятся не на то что нужно. А все от того, что организацию производственных проектов берут на себя только экономисты, мыслящие на уровне биржевых котировок и корпоративного управления. Наряду с этим громадные конструкторские проекты с высокой степенью интеграции мы разучились доверять тем, кто понимает суть процессов создания организации и техники ее производства. И где нам забрать Королевых и новых Туполевых вместо ‘менеджеров широкого профиля’?»
сети и Ветер
Ветер — величина непостоянная. Преобразование непостоянной ветряной энергии в условно-постоянную электрическую и подача ее в сеть — одна из наиболее значимых неприятностей ветроэнергетики. В ветряках, использовавшихся до 2000 года, по большей части употреблялись асинхронные генераторы (в них скорость вращения вала и скорость вращения магнитного поля, создаваемого током в обмотке ротора, неодинаковы).
Асинхронный генератор машинально синхронизируется потоком энергии, приходящей из сети, и конкретно собственными обмотками связан с сетью. Наряду с этим старались держать скорость ветроколеса постоянной. Недочёты таковой совокупности заключаются в том, что, во-первых, в случае если в совокупности генерации имеется асинхронные их количество и генераторы приближается к 25%, сеть начинает вести себя нестабильно — в первый раз с данной проблемой столкнулась Германия.
Во-вторых, удержание ветроколеса на постоянной скорости снижает его КПД. В современных ВЭУ скорость в ходе работы может изменяться в 2−3 раза. Было нужно перейти на синхронные генераторы, но они с сетью не синхронизируются и подают в том направлении «плавающие» напряжение и частоту, отражая колебания скорости вала ротора.
Вопрос удалось решить с развитием силовой электроники — показались тиристоры и мощные транзисторы, талантливые прокачивать через себя мегаватты энергии. Ток с обмотки генератора поступает в преобразователь, собранный на базе аналогичных электронных компонентов, а уже оттуда уходит в сеть, имея постоянные напряжение и частоту.
Ветроэнергетика в Российской Федерации: для чего и как?
В Российской Федерации вероятно строительство как ветропарков, подключенных к общенациональной сети, так и ветроэнергетических комплексов для районов, не соединенных с сетью либо удаленных от центров генерации. В Российской Федерации в таких населенных пунктах живёт порядка 11−12 млн человек.
на данный момент основной источник электричества для отдаленных районов — дизельный генератора. Завоз горючего в эти края поднимается в копеечку — время от времени оно доставляется кроме того на вертолетах. Себестоимость энергии наряду с этим образовывает более 20 руб. за кВт•ч. Население же платит всего 2−3 руб.
Отличие ложится грузом на региональный и бюджеты страны, исходя из этого любое техническое ответ, которое даст энергию дешевле 20 руб., должно приветствоваться.
Ветрогенераторы способны производить энергию по себестоимости 5−10 руб. за 1 кВт•ч. Но до тех пор пока ветроэнергетика в Российской Федерации находится на уровне НИОКР и точечных проектов (Воркута, Чукотка, Камчатка, Калмыкия, Башкирия, Владивосток), каковые осуществляются силами отдельных корпораций и энтузиастов типа «РусГидро».
В 2008 году принято дополнение к Закону об электроэнергетике, в котором имеется раздел, посвященный возобновляемой электроэнергетике (ветер, солнце, биомасса, геотермальные и приливные станции, малые ГЭС). 8 января прошлого года подписано распоряжение Правительства РФ № 1, в котором обозначены цели: к 2020 году 4,5% национальной генерации должны быть «зелеными».
Ожидается распоряжение правительства РФ о стимулировании этих видов генерации через совокупность надбавок. «Зеленый» генератор будет трудиться на оптовом либо розничном рынке, реализовывая энергию по рыночной цене, но за любой кВт•ч его обладатель будет получать надбавку в виде компенсации отличия между низкой ценой производителя и рыночной ценой. На вопрос о том, будут ли эти средства выделяться из бюджета либо компенсацию оплатит конечный потребитель (это приведет к увеличению цены на 2−3%), на момент подписания номера в печать ответа еще не было.
Кроме этого для развития ветроэнергетики в Российской Федерации требуются нормативные акты, стимулирующие приоритетное подключение генерирующих мощностей, трудящихся на возобновляемых ресурсах, к подстанциям сетевых компаний.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№91, май 2010).
<
h4>