Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

Способы регулирования мощности горизонтально осевой ветроэнергетической установки

По способу регулирования мощности все ветроустановки делятся на два типа, которые характеризуются короткими английскими терминами: Pitch и Stall.

Pitch (ставить) регулирование - это изменение угла атаки лопасти в соответствии со скоростью ветра.

Stall (застревать) - это когда угол атаки лопасти неизменной, но профиль лопасти по длине делается таким образом, что эффективность отдельных участков лопасти падает при росте скорости ветра, в результате после достижения номинальной мощности при увеличении скорости ветра рост мощности ВЭУ не происходит или происходит, но незначительно.

В случае применения нескольких ветроустановок важно наличие систем, которые служат для автоматического регулирования выходной мощности в зависимости от скорости и силы ветра. В принципе можно говорить об активном регулировании, которое заключается в вынужденном изменении угла установки лопастей ротора и направления установки гондолы в зависимости от силы и направления ветра. Эти процедуры направлены прежде всего на поддержание постоянного уровня мощности и необходимых качественных характеристик электрической энергии, отдается в электрическую сеть.

Регулирование изменением угла установки лопастей ротора (англ. Pitch regulation) заключается в изменении угла атаки ветра на лопасти ротора. Это позволяет поддерживать постоянную скорость вращения ротора. Устройство автоматического регулирования на основании информации о скорости ветра и величины мощности, генерируемой осуществляет с помощью сервомеханизмов, изменение угла установки лопастей ротора относительно направления атаки ветра. Благодаря тому, что поддерживается постоянная скорость вращения ротора, это напрямую влияет на стабильность и эффективность работы ветроэнергетической установки, а также на уменьшение уровня шума. Дополнительно, в случае возникновения очень большой скорости ветра угрожающей уничтожением ветроустановки, существует возможность аэродинамического торможения через установку лопастей в так называемый флажок. Узел регулирования угла установки лопастей находится в ступице ротора. Каждая из лопастей регулируется с помощью отдельного гидравлического привода.

Регулирование изменением угла установки лопастей ротора влияет на значение сил, действующих на отдельные лопасти. Ее существенным изъяном, по сравнению с другими методами регулирования, является значительное число движущихся частей в конструкции ветротурбины, что приводит к снижению ее надежности.

Регулирование этого типа также применяется в ветроустановках с генераторами с переменной частотой вращения. В таком случае регулирования заключается в применении узла, одновременно следит за изменением скорости вращения ротора, скорости генератора, а также угла установки лопастей ротора. В случае резкого увеличения скорости ветра узел увеличивает скорость вращения генератора и в то же время уменьшает угол установки лопастей, что в результате приводит к уменьшению скорости вращения ротора. Следствием этих процедур есть исключения колебаний мощности и поддержание хороших параметров качества энергии, отдается в сеть, а также существенное ограничение конструкционной перегруженности ротора.

Регулировка через так называемое разрежение (англ, stall regulation) заключается в использовании аэродинамической характеристики лопастей ротора, то есть относится к простейшим пассивных методов. При определенной скорости ветра за лопастями ротора начинает создаваться турбулентность и наступает так называемое разрежение лопастей. Крутящий момент, передаваемый генератору ротором ветродвигателя уменьшается, что в свою очередь позволяет поддерживать относительно постоянной выходной мощностью ветроэнергетической установки. Лопасти имеют соответствующую форму и постоянно закреплены в ступице ротора.

Основным преимуществом этого вида регулирования является отсутствие многих дополнительных элементов и деталей систем, связанных с управлением и регулировка угла установки лопастей ротора, что значительно упрощает конструкцию ветроэнергетической установки. К основному недостатку рассматриваемого вида регулирования следует считать сравнительно меньшую эффективность преобразования энергии ветра, нестабильность выходной мощности при возникновении турбулентности, а также ухудшение параметров качества производимой электроэнергии. Такое регулирование обычно применяется в ветроустановках малой мощности с индукционными генераторами и постоянной скоростью вращения.

Регулирование изменением установки гондолы по ветру (англ, yaw conrol) заключается в автоматически регулируемой положение всей гондолы, и тем самым, изменении положения оси вращения ротора по отношению к направлению ветра (до перпендикулярного). Это регулирование может быть реализовано с помощью следящего устройства и дополнительного приводного двигателя. Активное регулирование положения гондолы применяется главным образом в мощных ветроустановках, где в соответствии управляемый двигатель устанавливает гондолу в необходимое положение относительно направления ветра. Таким образом можно держать на постоянном уровне выходную мощность ветроустановки. Пассивное регулирования, с помощью специального направляющего флажка, применяется в ветроустановках меньшей мощности.

Регулирования ветродвигателя введением дополнительного сопротивления на роторе. Современные ветроустановки большой мощности регулируются методом заранее рассчитанного (при увеличении скорости ветра и соответственно при увеличении угла атаки) срыва потока с определенных участков лопасти, прочно закрепленной на роторе. Для реализации этого метода регулирования необходим специальный профиль лопасти, который должен обладать следующим свойством: при увеличении скорости ветра срыв потока из профиля лопасти должен начинаться с комля профиля, а затем область срыва должна постепенно увеличиваться и продвигаться к передней части профиля. В результате зависимость коэффициента подъемной силы c L от угла атаки а будет иметь вид кривой 1 на рис. 6.5.

Прекращение роста коэффициента c L с ростом угла атаки а ограничивает рост мощности ветродвигателя и сохраняет его значение на достаточно постоянном уровне. В традиционных крыльевых профилей зависимость c L от а подобная кривой 2 на рис. 6.5, что приводит к снижению мощности с ростом скорости ветра в случае их использования для аэродинамического саморегулирования.

Зависимость коэффициента подъемной силы cL, от угла атаки а: 1 - профиль, используемый для регулирования срывом потока;  2 - традиционный Крылов профиль

Рисунок 6.5 - Зависимость коэффициента подъемной силы c L, от угла атаки а: 1 - профиль, используемый для регулирования срывом потока; 2 - традиционный Крылов профиль

Следует отметить, что регулирование срывом потока с лопасти применяется на ВЭУ большой мощности с асинхронным генератором. Частота вращения электрогенератора определяется зависимостью крутящего момента электрогенератора от оборотов.

На двигателях малой мощности можно встретить регулирования с помощью установки на конце лопасти нескольких небольших тормозных поверхностей (Открылки), аэродинамически тормозят ветродвигатель за счет их поворота от действия центробежного механизма, размещенного внутри лопасти.

Регулирование изменением сопротивления обмотки ротора (англ, load control) заключается в изменении сопротивления обмотки ротора генератора. Таким образом при работе ветротурбины происходит переход с одной внешней характеристики на другую, более выгодную при конкретных условиях. Изменение сопротивления может быть выполнено за счет включения в цепь ротора генератора дополнительного сопротивления. С целью изменения сопротивления могут быть также использованы полупроводниковые преобразователи, которые также должны быть включены в цепь ротора.

Энергия ветрового потока, наряду с преимуществами обладает и рядом недостатков. Во-первых, использование энергии ветра требует больших габаритов ветродвигателя при стремлении получения большей мощности. Во-вторых, энергия ветра отличается большой нестабильностью. Если скорость ветра меняется в течение секунды в 2-3 раза, то энергия при этом изменяется в 8-27 раз.

Учитывая пульсирующего характера энергии ветра большие ВЭУ должны работать в режиме фиксированной частоты вращения неподвижны. Ветродвигатель должен регулироваться, то есть давать при необходимой мощности постоянное число оборотов, независимо от скорости ветра.

Существующие способы регулирования частоты вращения ветродвигателя, применяемые на практике, подразделяются на следующие основные группы:

- Регулирование отводом ротора от направления ветра;

- Регулировка угла установки лопастей ротора;

- Регулирование воздушным тормозом.

Регулирования отводом ротора от направления ветра заключается в том, что при косом набегании ветра на ротор через него протекает меньшее количество воздуха; кроме того, из-за изменения при этом угла атаки на лопастях уменьшается подъемная сила.

Мощность ветродвигателя при отклонениях ротора от прямого потока изменяется пропорционально кубу косинуса угла отклонения

(6.5)

где - мощность ветродвигателя при .

Автоматическая регулировка выводом ротора из-под ветра носит название "Система Эклипс" и применяется в маломощных ветродвигателей. Регулировка по этой системе осуществляется двумя способами:

- С помощью боковой лопасти укрепляется на головке ветродвигателя за ротором с правой или левой стороны его оси вращения;

- Размещение оси вращения ротора на некотором расстоянии (50 ... 100 мм) влево или вправо от вертикальной оси поворота головки неподвижны.

В первом случае ротор выводится из-под ветра давлением ветра на лопату (рис. 6.6).

Регулирования отводом ротора от направления ветра лопатой

Рисунок 6.6 - Регулировка отводом ротора от направления ветра лопатой

Во втором случае отклонения ротора происходит благодаря момента лобовой силы давления ветра на ротор относительно вертикальной оси (с плечом, равным рис. 6.7).

В первом и во втором случаях сила, действующая с избытком на одну сторону вертикальной оси, уравновешивается пружиной, прикрепи

Регулирования отводом ротора от направления ветра с помощью эксцентриситета

Рисунок 6.7 - Регулировка отводом ротора от направления ветра с помощью эксцентриситета

ленной одним концом к хвосту ветроагрегата, а другим - к рычагу, укрепленного на опорно-двигательном устройства ветроагрегата.

Регулирование изменением угла установки лопастей ротора. По этому способу регулирования угла ветродвигатели делятся на:

- нерегулируемая

- Регулируемые;

- Частично регулируемые;

- Саморегулирующиеся.

Ветродвигатели с нерегулируемым углом установки лопасти имеют определенный фиксированный угол и оптимально работают в узком диапазоне скоростей ветрового потока.

Регулирования углом установки лопасти существенно расширяет диапазон работы ВЭУ. Угол установки лопасти может изменяться от 0 до 90 ° (рис. 6.8).

Размещение лопасти при регулировании

Рисунок 6.8 - Размещение лопасти при регулировании

На рис. 6.8, а показано положение лопасти, когда угол атаки равен нулю, такое состояние называют флюгерные. При этом на противоположных плоскостях лопасти создается равенство давлений воздушного потока, удерживает лопасть в этом положении.

На рис. 6.8, б показан поток воздуха, когда угол атаки α> 10 °, обтекая лопасть и создавая оборачивающую силу. При этом происходит медленное вращение неподвижны.

На рис. 6.8, в показано положение лопасти, когда при определенной скорости ветра угол атаки достаточный для создания крутящего момента, необходимого для разгона ротора генератора к синхронной частоты вращения и выше в допустимых пределах.

Максимальная эффективность достигается только при малых углах установки. Поворот лопасти дает возможность эффективно работать с меньшим углом установки, при этом обеспечивается поддержание оптимальных характеристик даже при значительном изменении скорости ветрового потока.

Принципиально возможно создание лопастей с частичным регулированием угла установки. В этом случае коренная часть лопасти имеет фиксированный угол установки, а конечная - изменяемый. Такой способ регулирования позволяет существенно снизить расходы на узлы крепления лопасти к ступице, что имеет большое значение для ВЭУ большой мощности. Кроме того, мощность привода регулирования по сравнению с предыдущим случаем значительно уменьшается. Однако, частичное регулирование не обеспечивает эффективного преобразования энергии ветрового потока в электрическую, поскольку не устанавливает оптимальный угол атаки по всей длине лопасти, а стык между регулируемой и нерегулируемой частями лопасти в процессе работы оказывает отрицательное влияние на характер обтекания лопасти ветровой потоком.

Создание саморегулируемых ветродвигателей предполагает, в основном, использование избыточной силы давления ветрового потока и центробежной силы, действующей на лопасть. В этом случае поворот лопасти у оси маху (продольная ось лопасти) совершается непосредственным действием ветра на лопасть, которая, будучи свободно посажена с некоторым ексцентрисететом по оси маха, стремится вернуться в направлении ветра и, удерживаясь с помощью груза в равновесии, допускает возможность регулирования количества обороты.

В мощных ветроэнергетических установок поворот лопастей осуществляется с помощью специального механизма с электромеханическим или гидравлическим приводом.

Регулирования воздушным тормозом. Во время работы ротора на его лопастях возникает подъемная сила, одна из составляющих которой вращает ротор, и сила сопротивления, тормозит это вращение. Если мы тем или иным устройством будем в состоянии так менять силу сопротивления, чтобы она воспрепятствовала увеличению числа оборотов, то такое тормозное устройство обеспечит регулирования.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 
Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее