Лекция№5

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ)

Проблемы энергетики сегодня стоят очень остро во всем мире и затрагивают даже экономически сильно развитые страны. Традиционные направления развития энергетики на базе органического топлива, гидроэнергетики, атомной энергетики в силу своего влияния на экологию и безопасность жизнедеятельности человечества постепенно сдают свои позиции как основные и единственные источники энергии.

В настоящее время достигнуты большие успехи в развитии энергетики на базе использования солнечной энергии, ветровой, геотермальной, приливной и т.д.

Анализ литературных источников показывает, что в настоящее время распространены системы управления ветроэнергетической установкой (ВЭУ) пассивного и активного типов. В системах управления пассивного типа к лопастям ветроустановки конструктивно присоединяются дополнительные аэродинамические поверхности, положение которых относительно оси вращения определяется моментом инерции, что собственно и обуславливает регулировку угловой скорости вращения ротора ВЭУ.

Системы управления активного типа отличаются наличием аналогового или цифрового регулятора, позволяющего в зависимости от скорости ветра, нагрузки и угловой скорости вращения ротора (якоря) электрогенератора поддерживать постоянство скорости вращения ротора ВЭУ и тем самым обеспечивать высокое качество электрической энергии с точки зрения параметров напряжения и частоты.

Развитие ВЭУ идет по пути увеличения мощности, что связано в первую очередь с увеличением габаритов, с другой стороны - по пути усовершенствования самой конструкции ВЭУ, особенно это касается ВЭУ с вертикальной осью вращения, у которых основным недостатком является значительная нагрузка на нижнюю опору, что приводит к увеличению момента трения и как следствие к ее быстрому изнашиванию и частой замене. С целью исключения этого недостатка предлагается верхнюю и нижнюю опору выполнять поплавкового типа.

Данная ветроустановка представляет собой вертикальную опору с лопастями, верх и низ которой закреплены на своеобразных поплавках. Нижняя опора в виде поплавка находиться в жестко закрепленном полом цилиндре, заполненном жидкостью. Верхняя опора, в свою очередь, представляет собой аналогичный цилиндр с жидкостью, внутри которого располагается поплавок, непосредственно связанный с растяжками. Обе опоры позволяют ВЭУ свободно вращаться относительно вертикальной оси.

При соответствующем подборе плотности жидкости и средней плотности материала, из которого выполнены элементы ВЭУ, можно создать подъемную силу, уравновешивающую силу тяжести ВЭУ и тем самым исключить полностью сухое трение в опорах подвесов. С другой стороны такая конструкция опор позволяет демпфировать резкие порывы ветра и не допускать вследствие этого значительных ускорений конструкции ВЭУ. Следовательно, данная система подвесов обеспечивает значительную долговечность всей системы.

Остановимся на преобразовании энергии ветра в электрическую и более подробно рассмотрим особенности управления ВЭУ. Одним из возможных способов поддержания постоянства угловой скорости ротора ВЭУ является изменение угла поворота (угла атаки) лопасти относительно оси вращения. Известная система управления ВЭУ с поворотными лопастями, реализующая закон управления, который учитывает одновременно значения скорости ветра, нагрузки, угла и скорости поворота лопасти в данный момент времени

Особенностью данной системы является наличие в ней исполнительного двигателя для поворота лопастей относительно оси вращения на определенный угол в зависимости от параметров ветра. Это позволяет поддерживать постоянную скорость вращения ротора ВЭУ и тем самым – постоянную угловую скорость вращения электрогенератора, работающего на сеть. При максимальном значении скорости ветра двигатель переводит лопасти во флюгерное состояние, что способствует снижению нагрузки на всю конструкцию ВЭУ в целом. В свою очередь, закон управления, учитывающий также изменение нагрузки с учетом изменения скорости ветра, позволяет поддерживать с высокой степенью точности угловую скорость вращения ротора ВЭУ.