Одним из перспективных направлений развития ветроэнергетики является ветроэнергетика малых и сверхмалых мощностей, к которым относятся, согласно международной классификации IEC 61400, ветроустановки с ометаемой поверхностью площадью до 200 м², с выходным напряжением до 1000 В по переменному току, до 1500 В по постоянному и выходной мощностью до 50 кВт (в некоторых странах выходная мощность — до 100 кВт, в Канаде — до 300 кВт [1]).
Основное соотношение между параметрами горизонтально-осевой ветроустановки и выходной мощностью определяется формулой [2]:
здесь P — мощность горизонтально-осевой ветроэнергетической установки; v — скорость воздушного потока (ветра), м/с; Cp — коэффициент преобразования энергии ветра; η = ηгенηмульт, где ηген — коэффициент полезного действия генератора, ηмульт — КПД мультипликатора (при его отсутствии ηмульт = 1,0); ρ — удельная плотность воздуха при температуре 18°C, ρ = 1,225 кг/м³; Sом — площадь максимального сечения и ротора, м²; R — радиус ветроколеса (ВК).
Между коэффициентом использования энергии ветра Cp, быстроходностью Z и относительным моментом М′, развиваемым ветродвигателем, существует следующее соотношение:
Cp = М′Z. (2)
Момент, развиваемый ветродвигателем, определяется выражением:
где ω — угловая скорость вращения ветроколеса [рад/с], ω = πn/30; n — частота вращения ветроколеса, мин-1.
Быстроходность ветроколеса Z определяется выражением:
Z = ωR/v. (4)
где v — скорость ветра, м/с; R — радиус ветроколеса.
Анализируя формулы (1)-(4) можно отметить, что мощность, развиваемая ВЭУ, не зависит от числа лопастей, а определяется лишь площадью ометаемой поверхности ветроколеса. Для уменьшения массы ВЭУ мощностью до 10–20 кВт они должны иметь прямой привод генератора от ветроколеса и иметь максимальную быстроходность до 8–12.
Величина быстроходности Z определяется коэффициентом заполнения суммарной площади лопастей, отнесённой к ометаемой поверхности ветроколеса:
где Si — площадь лопасти, м²; m — число лопастей, шт.
От величины быстроходности зависит величина порождаемого лопастями и генератором акустического шума, поэтому установки, стоящие вблизи жилых строений, должны иметь малую быстроходность, не превышающую Z = 2–5. Частоты вращения ветроколес таких ВЭУ (мощностью 5–10 кВт), как правило, не превышают 150 мин-1.
При таких малых частотах вращения ветроколеса ВЭУ имеют сравнительно большую массу и стоимость, главным образом за счёт большей материалоёмкости и стоимости генератора.
В случае, когда к массе ВЭУ предъявляются жёсткие требования по снижению массы, невзирая на некоторое увеличение излучаемого шума, то ВЭУ должна быть быстроходной. Величина быстроходности в таких ВЭУ может достигать значений Z = 8–12. Некоторое увеличение шума от таких ВЭУ будет определяться качеством ветроколеса и генератора. Как показывает практика их разработки и испытаний, величина генерируемого лопастями шума до начала регулирования ветроколеса, которое начинается после достижения расчётной скорости ветра vрасч (vрасч составляет 9–12 м/с в зависимости от типа ВЭУ), не превышает 45–50 дБ(А). При скорости ветра больше расчётного значения общий фоновый шум ветра уже значителен, и повышенный шум ветроколеса становится менее заметным.
Быстроходные ветровые установки имеют kзап ≤ 0,15. К ним могут относиться ВЭУ, имеющие от одной до трёх лопастей. Лопасти двухи трёхлопастных ВЭУ получаются довольно узкими, и их прочность зачастую недостаточна, о чём говорят примеры изготовления таких ВЭУ. Например, работа установки «ВЭУ-01» мощностью 100 Вт, изготавливаемой Воронежским авиационным заводом, сопровождалась навиванием лопасти на мачту. Поэтому быстроходные ВЭУ должны иметь одну, но более прочную лопасть.
Применение однолопастных ВЭУ, к сожалению, не нашло широкого применения, что связано со сложностью их запуска и регулирования частоты вращения. Вопросы запуска решаются за счёт применения косого кардана [3], обеспечивающего надёжный запуск ВЭУ даже при низких скоростях ветра от 2 м/с. В данной статье рассматриваются вопросы регулирования частоты вращения ветроколеса однолопастных ВЭУ.
Способы регулирования частоты вращения ветроколес однолопастных ВЭУ
Наиболее перспективным способом регулирования частоты вращения ветроколеса однолопастных ВЭУ, обеспечивающим их работу в широком диапазоне скоростей ветра (от 2 до 55–60 м/с), является аэродинамический способ, при котором изменяется угол установки лопасти. Для регулирования частоты вращения ВК возможно два режима изменения положения лопасти: «флюгерное» и «антифлюгерное».
Рис. 1. Положения лопасти однолопастной ВЭУ в различных режимах работы ВЭУ (а — ветроколесо находится в режиме разгона, угол установки лопасти φ = φ1 оптимальный, скорость ветра v меньше расчётной; б — антифлюгерный режим регулирования частоты вращения ветроколеса, предельный угол установки лопасти φ = φ2 отрицательный, скорость ветра v = v2 значительно больше расчётной; в — флюгерный режим регулирования частоты вращения ветроколеса, угол установки лопасти φ = φ3 положительный, скорость ветра v = v2 больше расчётной)
На рис. 1 представлены положения лопасти ветроколеса при антифлюгерном и флюгерном способах регулирования частоты вращения ветроколеса. При скорости ветра более 2 м/с ветроколесо начинает разгоняться по естественной характеристике — участок а-b скоростной характеристики изменения частоты вращения ветроколеса n(v) (рис. 2). Угол установки лопасти φ = φ1 (рис. 1а) является оптимальным для разбега ветроколеса до расчётной частоты вращения, при которой выходная мощность ветроустановки достигнет расчётной величины (точка b скоростной характеристики).
При антифлюгерном регулировании лопасть перемещается в сторону отрицательных углов (рис. 1б), подъёмная сила лопасти уменьшается, и частота вращения стабилизируется — это участок b-c скоростной характеристики (рис. 2) однолопастной ВЭУ «Виндэк ВЭУ-02» мощностью 200 Вт. При увеличении скорости ветра необходимо уменьшать подъёмную силу, действующую на лопасть.
Рис. 2. Скоростная n(v) и мощностная P(v) характеристики ветроустановки «Виндэк ВЭУ-200»
Это реализуется следующим образом: при увеличении скорости ветра частота вращения начинает увеличиваться, при этом рейка центробежного груза под действием пары центробежных сил F1-F2 стремится занять положение в плоскости вращения ветроколеса, то есть переместиться в плоскость, перпендикулярную оси вращения O-O′, угол установки лопасти становится ещё более отрицательным, подъёмная сила уменьшается, и частота вращения снижается.
Каждой скорости ветра будет соответствовать определённая величина подъёмной силы, для чего должно соблюдаться условие равновесия моментов сил, действующих на рейку центробежного регулятора, жёстко связанную с лопастью, и противодействующей силы пружины:
где F1 и F2 — пара сил, действующих на рейку центробежного груза; l1 и l2 — расстояния от оси вращения до точек приложения сил F1 и F2; Fпр(φ) — противодействующая сила пружины; Dпр — диаметр пружины; dпр — диаметр проволоки пружины.
Другим возможным способом регулирования частоты вращения ветроколеса является флюгерный способ регулирования, при котором положение лопасти изменяется в сторону положительных углов φ = φ3 (рис. 1в), и в пределе лопасть могла бы занять положение «вдоль ветра», то есть пропуская через себя весь поток воздуха, но с центробежным регулятором максимальный угол может составлять не более (φ1 + 45°).
Проведённые эксперименты показали, что при флюгерном регулировании выходная характеристика имеет отрицательный статизм, то есть с увеличением скорости ветра будет расти и частота вращения, что является крайне нежелательным из-за возможного разрушения лопасти. Поэтому вариант флюгерного регулирования в дальнейшем рассматриваться не будет.
ВЭУ-0,8 производства ООО «НИЦ «Виндэк»
Конструкции и принцип действия центробежных регуляторов однолопастных ВЭУ
Реализовать рассмотренный способ регулирования частоты вращения ветроколеса возможно с помощью разработанного центробежного двухступенчатого регулятора, ближайшим аналогом которого может быть центробежный регулятор двухлопастной ветроэнергетической установки [6].
Рис. 3. Конструкция ветроколеса однолопастной ВЭУ с двухступенчатым центробежным регулятором частоты вращения ветроколеса (1 — корпус регулятора; 2 — косой кардан; 3 — пружина кручения; 4 — мах лопасти; 5 — лопасть; 6 — рейка центробежного регулятора; 7 — подшипники скольжения кардана; 8 — подшипники качения маха; 9 — балансировочный груз; 10 — контрящая груз гайка)
Конструкция двухступенчатого центробежного регулятора частоты вращения однолопастной ВЭУ, представленная на рис. 3, состоит из следующих деталей и узлов: корпус регулятора 1, в качестве которого может быть как корпус генератора (поз. 1), так и специальный корпус регулятора, который будет присоединяться к корпусу генератора с помощью фланцевого соединения; в специально сделанных стойках корпуса 1 размещены медно-графитовые подшипники скольжения 7, в которых крепится и может поворачиваться на небольшой угол -α сам регулятор, состоящий из косого кардана 2, в двух подшипниках качения 3 которого вращается вал регулятора 4.
На одном конце вала регулятора 4 крепится через переходник (он на рис. 3 не показан) лопасть 5, рейка регулятора 6, противодействующая пружина 3, которая одним концом упирается в тело кардана, а другим — в рейку центробежного регулятора 6. На другом конце вала регулятора 4 размещён навинчивающийся по резьбе балансирующий груз 9 с контрящей гайкой 10. Корпус генератора 1 приводится во вращение однолопастным ветроколесом с лопастью 5, который под действием ветра вращается с угловой скоростью ω по часовой стрелке.
Регулятор имеет два режима работы — режим пуска и режим ограничения частоты вращения ветроколеса.
1. Режим пуска. Первоначальное положение лопасти 5 со стержнем 4 и грузом 9 может быть любым. Допустим, что все они занимают положение, показанное на рис. 3б, то есть по оси a-b, перпендикулярной оси вращения ветроколеса O-O′. Под действием ветра, имеющего скорость v, лопасть 5 вместе с валом 4, пружиной 3, уравновешивающим грузом 9, контрящей гайкой 10 и карданом 2 (ось a-b) отклоняются в положение оси c-d, при этом угол наклона лопасти в силу свойств косого кардана увеличивается — ветроколесо начинает раскручиваться, и его ось под действием центробежных сил занимает положение a-b, перпендикулярное оси вращения корпуса генератора O-O′.
2. Режим разгона. Ветроколесо начинает раскручиваться по естественной характеристике (рис. 2, участок a-b). Плоскость вращения ветроколеса перпендикулярна оси вращения генератора O-O′. Угол установки лопасти φ = φ1 оптимальный для разбега.
3. Режим ограничения частоты вращения — режим работы центробежного регулятора.
При достижении ветроколесом расчётной скорости (точка b на скоростной характеристике, рис. 2) величина пары сил F1-F1, действующей на рейку центробежного регулятора, становится больше противодействующей силы пружины, работающей на кручение, и рейка начнёт перемещаться в сторону уменьшения угла γ, отсюда угол установки лопасти φ будет уменьшаться. В зависимости от частоты вращения ветроколеса, величин пары сил F1-F1, приложенных к рейке регулятора, и величины противодействующей силы пружины Fпр(φ), рейка центробежного груза изменяет своё угловое положение от угла γ1 до угла γ2 (предельное значение), при этом угловое положение лопасти меняется от угла φ1 до угла φ2, обеспечивая тем самым ограничение частоты вращения ветроколеса.
От величины жёсткости пружины зависит статизм как скоростной, так и выходной характеристик ветроэнергетической установки. Жёсткость пружины определяет и устойчивость работы ветроколеса. С уменьшением жёсткости пружины статизм характеристики увеличивается, и, как показали исследования работы регулятора, возможно уменьшение мощности и снижение устойчивости работы, возникновение вибрационного режима работы регулятора.
Начало работы регулятора определяется предварительным угловым натягом пружины Fпр(φ1)0:
а) ветроколесо находится в режиме разгона, угол установки лопасти φ = φ1 оптимальный, скорость ветра v < vрасч;
б) антифлюгерный режим регулирования частоты вращения ветроколеса, угол установки лопасти φ = φ2 < φ1 и уменьшается в сторону отрицательных значений углов, скорость ветра v = v2 > vрасч;
в) антифлюгерный режим регулирования частоты вращения ветроколеса, угол установки лопасти становится ещё более отрицательным, достигая предельной отрицательной величины φ = φ3 = −10°, скорость ветра v = v3 > vрасч.
Рис. 4. Режимы антифлюгерного регулирования частоты вращения ветроколеса однолопастной ВЭУ центробежным регулятором
На рис. 4 представлены эпюры сил, действующих на рейку центробежного регулятора при:
а) разгоне ветроколеса;
б) при работе регулятора в диапазоне скоростей ветра от vрасч до vпред;
в) при предельном угле регулирования положения лопасти φ = φ3 = −10°,
На рис. 4 также обозначены: F1-F1 — пара сил, зависящих от частоты вращения ветроколеса ω; Fпр(γ) — сила, развиваемая пружиной, противодействующей повороту рейки центробежного регулятора; Fпр(φ1)0 — сила предварительного натяжения пружины. Особенности режимов работы центробежного регулятора в антифлюгерном и флюгерном режимах описаны в табл. 1.
Конструкционное исполнение регуляторов ВЭУ мощностью 200 и 500 Вт с симметричной рейкой представлено на рис. 5, а мощностью 1 кВт с несимметричной рейкой — на рис. 6. На рис. 5 и 6 на регуляторах для понимания принципа действия сделаны соответствующие разметки для осей А-B и a-b, углов поворота рейки регулятора γ, а на рис. 6а показан оптимальный угол установки лопасти φ. В отличие от ранее рассмотренной конструкции рис. 3, на рис. 5 и 6 рейка центробежного регулятора перенесена на другой конец вала — к уравновешивающему грузу, что сразу позволяет немного снизить массу данного груза.
Рис. 5. Центробежные регуляторы однолопастных ветроустановок [а — «Виндэк ВЭУ-05» (500 Вт), б — «Виндэк ВЭУ-02» (200 Вт)]
Рис. 6. Центробежный регулятор однолопастной ветроэнергетической установки «Виндэк ВЭУ-01» мощностью 1 кВт
Выводы
1. Мощность горизонтально-осевых ветроустановок не зависит от числа лопастей и определяется площадью ометаемой поверхности ветроколеса (то есть его диаметром), коэффициентом преобразования энергии ветра (то есть качеством профиля лопасти), плотностью воздуха, КПД генератора (при прямом приводе генератора от ветрового колеса) и кубом скорости ветра.
2. Возможны два способа регулирования частоты вращения ветроколеса за счёт изменения угла установки лопасти (антифлюгерный и флюгерный).
3. При антифлюгерном регулировании ветроколесо не идёт «вразнос» (внешняя характеристика имеет положительный статизм).
4. Угол положения лопасти ветроколеса при антифлюгерном регулировании меняется в диапазоне −15°…-10°.
5. При флюгерном регулировании угол изменения положения лопасти изменяется относительно первоначального угла положения лопасти до +45° (ветроколесо может пойти «вразнос» при увеличении скорости ветра).
6. Разработаны и рассмотрены конструкции центробежных регуляторов частоты вращения для однолопастных ветроустановок, имеющих мощность 200 Вт, 500 Вт и 1,0 кВт.
