статья "Роторные ветрогенераторы" в сборнике  научных трудов и инженерных разработок V Российской выставки "Изделия и технологии двойного назначения".

Москва,   2004 год

Роторные ветрогенераторы.

Болотов А.В., Болотов С.А., Стребков B.C.  

Эффективное использование энергии ветра для выработки электроэнергии и создание рентабельных ветроэлектростанций является важной задачей современной науки.

    Известен ряд типов ветроэлектрических станций (ВЭС) с горизонтальными и вертикальными осями роторов пропеллерного, барабанного и роторного типов (Дарье, ротор Савониуса). Производимые в мире пропеллерные ВЭС большой мощности по технико-экономическим показателям интенсивно совершенствуются в направлении новых конструктивных решений и применяемых материалов. По своей природе ветер это сложный источник энергии с непредсказуемыми показателями энергии связанными с частотной пульсацией порывов внутри ветрового потока и собственной «розой» ветров, определяющей смену направления ветра в течение временного интервала. В близи морских побережий существует наиболее благоприятная территория для размещения ветростанций. «Роза» ветров близка к двухвекторной схеме с ярко выраженными, стабильными течениями ветра в течение суток. К примеру, коэффициент использования ветрового потока пропеллерной ветростанции на побережье составляет порядка 20-25 % и в тоже время не превышает 10-15 % в континентальной части. Этот факт связан с многовекторными, порывистыми и нестабильными ветровыми потоками. В горной местности восходящие и нисходящие ветровые потоки также дезорентируют пропеллерные станции, делая их использование не эффективным.

    В настоящее время все большее внимание уделяется разработке ВЭС с вертикальным расположением ветровостпринимающих элементов и низким размещением генератора. Это объясняется значительным упрощением конструктивной схемы, удобством монтажа и обслуживания. Одно из главных достоинств таких ВЭС - возможность принятия одновременно ветровых течений разного направления и вообще отсутствие необходимости учитывать направление ветра при установке и эксплуатации.

Не вдаваясь в технические подробности обычных ветроэлектростанций, укажем на отличительные особенности разрабатываемых ветроэлектростанций роторного типа:

• рабочая скорость ветра от 3 м/с и выше без ограничений (испытана до 45 м/с);

• увеличение выдаваемой мощности адекватно росту скорости ветра;

• работа при ветрах любого направления без каких - либо настроечных операций;

• модульный принцип конструкции ветромеханической части;

• быстрый ввод в эксплуатацию;

• широкодоступные конструкционные материалы;

• «утилизирует» внезапные порывы и высокочастотные пульсации скорости ветра;

• вращение ротора начинается самостоятельно;

• работа при ветрах любого направления без каких-либо настроечных операций;

• увеличение устойчивости конструкции при повышении скорости вращения ротора за счет гироскопического эффекта;

• бесшумность (30 dB на расстоянии 5 м при скорости ветра 15 м/с);

• простота монтажа и технического обслуживания;

• высокие эксплуатационные свойства и устойчивость, поскольку генератор и другое оборудование находится на уровне земли, безопасность для птиц и животных;

• возможность создания многорядных ветроэнергетических плотин большой мощности;

• возможность автономной или параллельной работы с другими источниками постоянного и переменного тока, солнечными преобразователями, аккумуляторной  батареей, дизельными станциями или энергосистемой;

• электрический генератор и система автоматики оригинальной конструкции с высоким КПД, который согласован с ветромеханической частью ВЭС и соединен без редуктора непосредственно с валом ротора

•безопасность, обусловленная отсутствием вращающихся лопастей;

•высокая надежность конструкции

На Рис. изображен схематичный разрез роторного ветрогенератора с комплектующими элементами и состоящего из осесовмещённых вертикальных роторных модулей состоящих в свою очередь из кольцевых направляющих аппаратов, внутри которых на подшипниковых узлахустановлены роторы , выходной вал которых шлицевым соединением присоединен к валуэлектрогенераторов. Каждый модуль присоединен к соседнему при помощи жестких рам. Роторы по высоте могут иметь переменные параметры и снизу на высоте не менее 5-10 м от поверхности земли закреплены на башне, состоящей из верхнего (машинного) отделения, среднего и нижнего (жилых или производственных) помещений, установленных на фундаментных блоках . Сверху ВЭС закреплен шпиль молниеотвода.

    Направляющий аппарат забирает воздух из свободного потока, ускоряет его и организует течение, направляет на рабочие лопатки виндротора, обеспечивает активный выход отработанного воздуха из объема виндротора. Воздушный поток на лопатках виндротора реализует два своих параметра - динамический напор и скорость, чем определяются высокий момент, создающийся при трогании двигателя при низких скоростях ветра и высокая скорость набора нагрузки при росте скорости ветра.

   Благодаря 2-кратному изменению направления потока на лопатках роторов кинетическая энергия ветра с высоким КПД преобразуется в механическую энергию вращения вала роторов, которая электрогенератором преобразуется в электрическую.

Механическая энергия, поступающая на генератор в зависимости от скорости ветра изменяется по кубической зависимости с четким изменением ее крутизны на скорости ветра около V = 9-10 м/с.
 

   
На ВЭС имеется регулятор выдаваемой электрической мощности при произвольно меняющейся энергии ветрового потока, стабилизирующий в определенных пределах скорость вращения ротора и напряжения на шинах ВЭС. При автономной работе ВЭС регулятор дает команду на подключение или отключение потребителей электроэнергии, работающих в накопительном режиме:

• водяных насосов для закачки воды в напорный бак,

• обогрев воды и помещений,

• аккумуляторных установок,

• приводов дробилок кормов, мельниц и т.п.

  При работе на энергосистему выдаваемая мощносгь пропорциональна мощности ветрового потока.

  Применение роторных ВЭС малой 300 Вт- 1 кВт мощности резко расширяет круг потребителей энергии ветра делая доступным эксплуатацию электронного и другого оборудования в автономном режиме.

   Нами разработан многополюсной полирежимный генератор постоянного тока с выходным напряжением 12-1000 В зависимости от его мощности, снабженный системой автоматического включения возбуждения в диапазоне энергосодержащих скоростей ветра, обеспечивающий постоянство напряжения при изменяющейся в широких пределах скорости ветра. Выход в энергосистемы, а так же параллельная работа с генераторами других типов осуществляется через инвертор.

   Начиная с 1994 года, построены и эксплуатируются несколько роторных ВЭС различной установленной мощности в степных и высокогорных районах Казахстана.

Ветросиловая часть станции сконструирована таким образом, что позволяет преобразовать с высоким КПД, кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения вала и работоспособна в любом диапазоне встречающихся в природе ветров, включая штормовые.

   Ветросиловая часть принимает ветер с любой стороны автоматически, без каких либо настроечных операций и не требует разворота станции при изменении направления ветра.

   Ниже приведены технические характеристики ВЭС и расчетные данные выработки электроэнергии для среднегодовых скоростей ветра.

Техническая характеристика ВЭС 20 кВт 
Диаметр ротора, мм <600
Диаметр статора, мм < 1000
Скорость вращения вала ротора, об-мин <600
Количество модулей, шт. 6
Привод Без редуктора
Высота, м 20
Общий вес, т 3.1
Конструкционные материалы Сталь, оцинкованное железо аллюминий,
Рабочий диапазон скорости ветра, м/с 3-50
Электрическая комплектация автономной ВЭС 
Вентильный тихоходный генератор 20 кВт 1 шт.
Автоматика генератора 1 комплект
Инвертор 50 Гц, 220 В 1 шт.
 

Годовая расчетная выработка электроэнергии (кВт-ч) в зависимости от средегодовой скорости ветра (м/с) без учета энергии ветра в порывах. 
5 м/с 8240 кВт-ч 
6 м/с 17000 кВт-ч 
7 м/с 31600 кВт-ч 
8 м/с 54000 кВт-ч 
 

В дополненение к описанию ветромеханичесских характеристик, можно упомянуть факт, что среднее значение кубов скоростей различных составляющих потоков ветра, всегда больше куба средней скорости ветра. Причина этого явления в том, что усреднение скорости ветра приводит к игнорированию энергии ветров, которые пропорциональны кубу скорости ветра, выше и ниже среднего значения.
 

Комлектующее оборудование роторного ветрогенератора.

 Вентильный электрогенератор 20 кВт Вес 780 кг.
 

Преобразователь энергии- инвертор DC/AC 220 В, 50 Гц. Вес 7 кг.
 

Аккумуляторная батарея. Необслуживаемае АКБ