< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Вітроенергетичні установки середньої і великої потужності

В даний час у світовій вітроенергетиці застосовуються, розвиваються і вдосконалюються конструктивно-компонувальні схеми горизонтально-осьових вітроелектричних установок двох основних типів:

  • – традиційної (класичної) схеми ВЕУ з асинхронним генератором 1000.. .1500 об/хв і мультиплікатором (редуктором) (рис. 4.7, а);
  • – безмультиплікаторної схеми ВЕУ з тихохідним синхронним генератором і перетворювачем частоти електричного струму (рис. 4.7, б).

У нових зразках зарубіжних ВЕУ представлена і нова схема фірми WinWinD, що представляє щось середнє між першим і другим напрямами – вітрова установка з відносно тихохідним генератором 150...200 об/хв. і одноступінчастим планетарним мультиплікатором.

Основні конструктивно-компоновочні схеми потужних ВЕУ

Рисунок 4.7 – Основні конструктивно-компоновочні схеми потужних ВЕУ

Із збільшенням потужності вітроелектричних установок і відповідно зі збільшенням діаметра вітроколеса зменшуються обороти вітроколеса, що обумовлено обмеженням лінійної швидкості кінця лопатей, яка для установок малої потужності (до 10 кВт) не перевищує 135 м/с, а для вітроустановок середньої та великої потужності знаходиться на рівні 60...90 м/с. Для вітроустановок потужністю від 750 до 1000 кВт, діаметр вітроколеса яких знаходиться в межах від 50 до 60 м, обороти вітроколеса не повинні бути більше 34 об/хв. Для забезпечення оборотів вітроколеса від 28 до 34 об/хв. при використанні серійних генераторів необхідний мультиплікатор з передавальним відношенням від 35 до 55. Для ВЕУ потужністю від 800 до 1000 кВт вага генератора і мультиплікатора становить від 16 до 20 т.

Враховуючи те, що асинхронні і синхронні тихохідні генератори мають дуже велику вагу і габарити, в класичній схемі ВЕУ середньої і великої потужності на практиці застосовуються дворежимні генератори з оборотами від 1000 до 1500 об/хв. у поєднанні з мультиплікаторами. Довговічність і ресурс таких машин складає від 15 до 20 років. Додаткові труднощі виникають при роботі таких ВЕУ при мінусових температурах – необхідно спеціальне масло і його попередній підігрів.

Прогресивний крок у вдосконаленні ВЕУ зробила фірма "Епегсоп", яка створила ВЕУ потужністю 600, 1800, 4500 кВт з тихохідними синхронними генераторами з оборотами ротора 38, 22, 12 об/хв. відповідно, застосувавши для оптимальної роботи зі змінними оборотами вітроколеса перетворювач частоти. Вага і вартість таких генераторів у поєднанні з перетворювачем частоти значно вище, ніж у класичній схемі ВЕУ. Забезпечення прийнятної ваги тихохідного генератора досягається за рахунок діаметра генератора: для ВЕУ потужністю 600 кВт діаметр генератора становить 5 м, а для ВЕУ потужністю 4500 кВт – 12м.

На рис. 4.8 представлений класичний приклад компонування і розміщення устаткування в вітроенергетичній установці.

Склад і розміщення основних елементів конструкції вітроенергетичної установки

Рисунок 4.8 – Склад і розміщення основних елементів конструкції вітроенергетичної установки

Призначення елементів показаної конструкції:

Анемометр – необхідний для вимірювання швидкості вітру, передає дані контролеру.

Лопаті – повітряний потік проходячи повз лопатей приводить їх в рух, більшість турбін мають дві або три лопаті.

Гальмо – необхідне для гальмування ротора в критичних ситуаціях, зазвичай це дискове гальмо з механічним, електричним або гідравлічним приводом.

Контролер – здійснює управління турбіною, стежить за швидкістю вітру та запускає її при швидкості вітру відповідній стартовій та зупиняє при швидкості вітру, що перевищує допустиму для конкретної ВЕУ.

Мультиплікатор (редуктор) – виконує роль механічного з'єднання низькошвидкісного вала турбіни з високошвидкісним, збільшуючи швидкість обертання генератора до номінальної (зазвичай 750-1000-1500 об/хв, тобто швидкості достатньої для вироблення електроенергії.

Генератор – призначений для перетворення механічної енергії в електричну, тобто вироблення електроенергії.

Високошвидкісний вал – приводить в обертання генератор.

Низькошвидкісний вал – приводиться в обертання ротором вітродвигуна.

Гондола – встановлюється нагорі башти, всередині неї розташовані генератор, коробка передач, низько – і високошвидкісний вали, керуючий контролер і гальмо.

Флюгер – служить для визначення напрямку вітру, передає дані в керуючий контролер для правильної орієнтації на напрямок вітру.

Привод гондоли – використовується для установки і корекції напрямку ротора при змінах напрямку вітру.

Слід докладніше зупинитися на механізмі повороту гондоли. Гондола з лопатями, що представляє багатотонну конструкцію, повинна повертатися на вітер, напрям якого може змінюватися досить швидко. Вся ця конструкція спирається на опорну поверхню башти (плиту), яка спільно з поворотним кільцем кабіни і опорним кільцем башти є свого роду гігантським підшипником. Обертання башти здійснюється електричним двигуном через зубчату передачу. Число електродвигунів в залежності від потужності ВЕУ і різних конструкцій вузла повороту коливається від одного до восьми. Гнучкий електричний кабель, що передає електроенергію від генератора до розподільного щита, розташованого внизу башти, може закручуватися, якщо кабіна буде повертатися в одну сторону, що цілком можливо. Тому, коли число оборотів в одну сторону досягає розрахункового значення (2...4), система управління дає сигнал на припинення обертання кабіни в що сторону з подальшою розкруткою у зворотний бік. Зміна напрямку вітру фіксується флюгером, розташованим на даху кабіни, від нього імпульс передається в систему управління і надалі на пуск електродвигуна повороту. Щоб часто не смикати гондолу, при зміні напрямку вітру, система управління дає витримку (5-10 хв.). І тільки якщо сигнал продовжує повторюватися, дається імпульс на двигун повороту. Вузол повороту має також гальмівну систему, тому що необхідно фіксувати кабіну, що має велику енергію, в точці, де вектор швидкості вітру перпендикулярний площині вітроколеса.

У додатку 3 наведено приклади розташування обладнання в гондолі вітроустановок великої потужності провідних фірм світу: Siemens, потужністю 3,6 МВт (додаток 3.1 [39]); Tacke, Windtechnik потужністю 600 кВт (додаток 3.2 [38]); FuhrlSnder потужністю 2,5 МВт (додаток 3.3 [40]); Nordex потужністю 3.3 МВт (додаток 3.4 [42]); Gamesa потужністю 2,5 МВт (додаток 3.5 [41]).

В останні 10-15 років такі фірми як "Елегсоп", "Henesys", "Vensys" (Німеччина), "Jeumont Industrie" (Франція), MPTorres (Іспанія), "Lagerwey" (Нідерланди) та ін. зі складу ВЕУ виключили мультиплікатор, застосувавши багатополюсні синхронні генератори або генератори з постійними магнітами. Однак вага і вартість таких генераторів значно перевищує вагу і вартість мультиплікатора і швидкохідного генератора разом узяті. Так для вітротурбіни Е-112 фірми "Епегсоп" (потужність 6 МВт) генератор (n = 12 об/хв.) має діаметр 12 м і важить понад 200 т при вазі гондоли з ротором 500 т, тобто вага генератора складає майже 50% від ваги агрегатного блоку.

На рис. 4.9 представлено компонування гондоли ВЕУ Enercon Е-30, потужністю 300 кВт, типова для всієї серії ВЕУ цієї фірми, потужністю 600, 1000, 2000 і 4500 кВт. Це так звана безредукторна система, її основа – багатополюсний тихохідний генератор, необхідність створення якого піддавалася сумнівам ще 15 років тому, а зараз це призвело до створення нового типу вітроустановок. Ротор генератора що безпосередньо з'єднується із валом вітроколеса, тобто швидкість його обертання дорівнює швидкості обертання вітроколеса. Компонування гондоли різко спрощується: не потрібен редуктор, не потрібна система його змащення, тобто основна особливість вітрогенераторів Enercon – відсутність трансмісії і кільцевий генератор.

Компонування обладнання кабіни вітроустановки потужністю 7500 кВт фірми Enercon GmbH а – компонування; б – модель генератора 1 – гондола; 2 – привод повороту гондоли; 3 – статор генератора; 4 – привод установки кута лопаті 5 – вітроколесо; 6 – лопать вітроколеса

Рисунок 4.9 – Компонування обладнання кабіни вітроустановки потужністю 7500 кВт фірми Enercon GmbH а – компонування; б – модель генератора 1 – гондола; 2 – привод повороту гондоли; 3 – статор генератора; 4 – привод установки кута лопаті 5 – вітроколесо; 6 – лопать вітроколеса

У гондолі знаходиться також випрямляч, що перетворює змінний струм в постійний, інвертор, що перетворює постійний струм в змінний з частотою мережі; таким чином зникає необхідність у підтриманні на генераторі постійної частоти і рівня напруги, так як ці завдання виконуються інвертором.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >