Вы здесь:
 
 
E-mail Печать PDF
Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 

Анализ и оценка  эффективности вертикального ветрогенератора

На сегодняшний день наиболее распространены ветроэнергетические установки (ВЭУ) с горизонтальной осью вращения ветродвигателя. Применение таких ветроустановок в качестве малых ВЭУ для снабжения электроэнергией отдельных усадеб или хозяйств затруднено необходимостью установки на приусадебном участке башни достаточной высоты и выделения под ВЭУ немалого участка территории. Кроме того, пропеллеры таких ВЭУ весьма шумны (особенно на низких частотах звука) и создают для окружающих существенный дискомфорт, что может вызывать нарекания соседей.

В то же время, ВЭУ с вертикальной осью вращения (ВОВ) ветроротора (типа ротора - Дарье) небольшой мощности весьма компактны, малошумные и могут быть размещены на крышах зданий.

Можно перечислить дополнительно следующие преимущества таких ВЭУ:

  • независимость функционирования от направления ветрового потока;
  • возможность перехода от консольного крепления оси ветроротора к двух опорной схеме;
  • возможность размещения потребителя энергии (электрогенератор, насос) в основании ветроустановки, что снижает требования к высоте, прочности и жесткости опоры;
  • упрощение конструкции лопастей и снижение их материалоемкости, а значит и стоимости;
  • уменьшение шумности и площади земельного участка для размещении ВЭУ равной мощности и т.д.

Перспективность ветроустановок с ВОВ подтверждается даже тем, что на состоявшейся в Канаде в июне 2008 года 8-ой Всемирной конференции по ветроэнергетике в секции «Конструкция ветроустановок» все доклады (из США, Канады, Саудовской Аравии и др.) были посвящены именно таким ветроустановкам (аббревиатура VAWT в англоязычной литературе). Материалы конференции можно найти на сайте  www.wwec2008.com.

Производятся, как правило, ВЭУ с ветророторами, которые имеют прямые лопасти, более половины ветророторов имеют концевые пластины на лопастях.  Форма профиля лопасти не указывается никем из производителей, однако судя по имеющимся фотографиям ветророторов, в большинстве из них применены лопасти с несимметричным профилем. Удлинение лопастей λ = Н / В (где Н – высота лопасти, В – длина хорды профиля лопасти) составляет от 4-5 (Китай, Германия) до 8-10 (США, Китай).  Довольно постоянно у большинства предлагаемых ветророторов соотношение  Н / D (D=2R, где R – радиус вращения лопастей вокруг центральной оси ветроротора), которое составляет в среднем  (1,05 ÷ 1,15) ± 5% . Подавляющее число ветророторов имеют или 3 или 5 лопастей, очень редко встречаются ветророторы с 4-мя или 6-тью лопастями. Не найдено ни одного ветроротора с 2-мя лопастями, что объяснимо, так как такие ветророторы имеют большие трудности с самостартом. Лопасти в основном изготавливаются из полимерных материалов (наиболее часто “fiberglass’) или алюминия.

Вырабатываемая ВЭУ заявленная мощность в основном производится при номинальной скорости воздушного потока Vном = 12 м/сек, но есть образцы с заявленной номинальной скоростью в 8 м/сек (Китай) и 14 м/сек (Голландия). Работать большинство ветророторов начинают при скорости ветра 1,5 -2 м/сек. Как правило, начиная со скорости ветра в 6-8 м/сек выходная мощность ВЭУ остается постоянной .

К сожалению, небольшая часть производителей ВЭУ декларирует стоимость своих изделий. В основном это американские производители. На рис.1 показана зависимость стоимости 1 кВт установленной мощности ВЭУ в тысячах $ США от величины заявленной номинальной мощности ВЭУ для следующих американских фирм-производителей: 1- Calvert  Enterprises, 2- WePower, 3- Urban Green Energy,  и голландской фирмы “Turby”

Рис.1

Следует учесть, что объявленная цена не включает в себя стоимость мачты (башни), доставки агрегатов и монтажа ВЭУ. Также надо отметить, что в Украине стоимость 1 кВт установленной мощности как для ВЭУ с ВОВ так и для ВЭУ с горизонтальной осью вращения еще выше.

Следует отметить, что когда рассматриваются вопросы управления лопастями ветроротора с ВОВ, то речь идет о роторе с прямыми лопастями, продольная ось которых параллельна вертикальному валу. Расчеты с применением и импульсной и вихревой моделей показали что при равной величине рабочей площади (S=2RH, где Н – высота или длина лопасти и R – радиус ее вращения относительно центральной оси ветроротора) ветроротор с прямыми лопастями по отношению к классическому ротору Дарье с изогнутыми в диаметральной плоскости лопастями имеет на 15-20 % выше коэффициент использования энергии потока Ср, который в основном характеризует эффективность ветроротора .

В течение 7-8 последних лет в Институте гидромеханики НАНУ проводились экспериментальные исследования работы моделей ветроротора (НхD=0,3х0,175м) в гидролотке (в потоке воды) и полномасштабной модели (НхD=1,.95х1,.6м) в аэродинамической трубе. В обоих случаях использовался профиль лопасти NACA 0015.

На рис.2,а представлены зависимости величины коэффициента использования энергии потока модели ветроротора при использовании в качестве механизма управления лопастями диска с канавкой в виде окружности, который может передвигаться под нижней траверсой ветроротора вдоль направления набегающего на ветроротор потока на некоторое расстояние « е » (т.н. эксцентриситет), в результате чего лопасти при движении по окружности совершают некоторые угловые колебания относительно вертикальной оси, проходящей вдоль лопасти (на расстоянии 0,3b от носка профиля лопасти). Колебания лопасти возникают из-за того, что на нижнем торце лопасти имеется дополнительная ось, свободный конец которой (с подшипником качения) находится внутри канавки управляющего диска.

На рисунке хорошо видно,  что когда лопасти не колеблются, т.е. сдвиг управляющей окружности = 0 (и относительный эксцентриситет ε = e/R = 0), величины коэффициента Ср невелики и перемещение диска на некоторую оптимальную величину εopt  (например = 0,5 – 0,6) позволяет в два-три раза повысить отдачу мощности ветроротором (λр = 2πnR/V – коэффициент быстроходности ветроротора, n –число оборотов ветроротора в сек , R – радиус вращения лопасти ветроротора относительно его центральной оси, V – скорость ветра).

На рис.2,б  представлены результаты испытаний модели ветроротора в гидролотке с управлением лопастями путем поворота вокруг центральной оси модели управляющего диска, канавка в котором имеет вид не окружности, а замкнутой кривой определенной формы. Найдя оптимальную форму такой кривой можно заставить лопасть в каждой точке круговой траектории двигаться с углом атаки относительно набегающего на лопасть потока, необходимым для получения максимального крутящего момента на валу. Положительными значениями на графике показаны углы поворота диска в сторону вращения модели ветроротора, отрицательными – в сторону против вращения ветроротора. Если у данной модели ветроротора с жестко закрепленными относительно траверс лопастями мы получили при λр = 1,2 и скорости потока V=0,65-0,7 м/cек  величину Ср = 0,14, то при первом способе управления получили Ср = 0,22, а при втором - Ср = 0,27. В случае оптимальной формы управляющей кривой на диске величину Ср можно значительно повысить

              

                                               а)                                                                                                               б)

Рис. 2.  Зависимости коэффициента эффективности модели ветроротора Ср для различных механизмов управления лопастями: а – линейное перемещение управляющего диска с круговой канавкой; б – угловое перемещение управляющего диска с канавкой специальной формы.

В 2007 году были проведены испытания в аэродинамической трубе модели ветроротора с соотношением H/D = 1,22 при следующих параметрах: длина лопасти Н = 1,95м , длина хорды лопасти b = 0,41м , профиль лопасти NACA 0015, удлинение лопасти λ = 4,75 , радиус вращения лопасти R= 0,8м , диаметр управляющей окружности D1 =1,45м, площадь рабочего сечения S = 3,13м2 , коэффициент затенения , максимальная достигаемая величина относительного эксцентриситета управляющей окружности  (12%). Диапазон скоростей, при которых проводились исследования, находился в пределах от 5 до 13 м/сек.

Рис.4.  Зависимости величины вырабатываемой на валу ветроротора максимальной мощности Рmax [Ватт] от величины относительного эксцентриситета ε= e/R и величины нагрузочного момента М  при различных V

 

                                                                   

                                       Рис. 3. Общий вид модели  ветроротора в аэродинамической трубе

 При фиксированных значениях относительного эксцентриситета ε с увеличением рабочего момента на валу величина вырабатываемой ветроротором мощности Р быстро возрастает, достигая максимума при максимально возможном нагрузочном моменте на валу). Так, если при ε = 0 (т.е. лопасти ветроротора неуправляемы и закреплены на траверсах жестко) при V = 11 м/сек мы получили на валу максимальную мощность Рmax =150 Ватт, то при ε = 0,05 получили уже Рmax =500 Ватт, т.е. в три раза больше. Зависимости величин этой максимальной мощности Рmax на валу ветроротора от величины относительного эксцентриситета  ε  при различных скоростях набегающего потока V представлены на рис.4.

Пунктирными линиями 1 – 8 соединены точки с одинаковой величиной нагрузочного момента М=2,5 ; 10 ; 17,5 ; 25 ; 32,5; 40 ; 47,5 ; 55 Нм. Максимумы на кривых, соответствующих указанным на рисунке скоростям набегающего потока, лежат практически на одной линии Рopt , которая показывает, какой надо установить величину эксцентриситета, чтобы получить на этом ветророторе максимум мощности при заданной скорости ветрового потока.

Полученные нами характеристики полномасштабной модели трехлопастного ветроротора с механизмом управления лопастями можно сравнить с характеристиками близкого ему по геометрическим размерам двухлопастного ветроротора с жестко закрепленными лопастями со следующими геометрическими размерами: Н = 2,55м, В =0,4м, рабочая площадь ротора S =7,65 м2. Испытания этого ветроротора проводились в конце 80-х годов как в аэродинамической трубе ЦАГИ так и в натурных условиях, причем в последнем случае расстояние от нижней кромки лопасти до поверхности земли составляло лишь 2,8м. При скорости потока V=11 м/сек на таком ветророторе удалось получить 65 Вт с квадратного метра рабочего сечения в аэродинамической трубе, и 85 Вт – в натурных условиях. Соответствующий показатель для нашего ветроротора в аэродинамической трубе составил 170 Вт, т.е. в 2,5 раза больше. При скорости потока в трубе V=13м/сек мы получили 300 Вт с 1м2 рабочей площади ветроротора. Это позволяет сказать, что при скорости ветра в 11 м/сек можно получить более 200 Вт с 1м2 рабочего сечения при натурных испытаниях данного ветроротора.

К сожалению, из-за ряда конструктивных и технологических просчетов, допущенных при проектировании и изготовлении большого ветроротора на заводе-изготовителе, не удалось получить достаточно больших величин коэффициента использования энергии ветрового потока Ср. Прежде всего оказались очень тяжелыми и не приведенными к одному весу прямоугольные лопасти (вес колебался от 17,5 кг до 19,6 кг), не была выдержана форма профиля лопасти NACA-0015, что привело к значительному ухудшению аэродинамических характеристик как профиля, так и ветроротора в целом.. Отсутствие подшипников качения на осях крепления лопастей к траверсам привело к значительному моменту сопротивления при повороте лопастей относительно траверс, в результате чего пришлось срочно изготавливать дополнительные опоры с подшипниками для верхних траверс ветроротора.

При создании нового экспериментального образца ветроротора необходимо точно выдержать габариты новых лопастей (L=1800 мм, длина хорды В=200 мм, макс. толщина лопасти С=30 мм). Профиль NACA 0015, отклонения размеров по ординате не более чем 0,02% хорды. Вес одной лопасти не более 7-8 кг, разница в весе лопастей одна относительно другой не должна быть более 50 гр. Радиус вращения лопасти R=0,8м, расстояние между осями в нижней нервюре должно быть не более 0,15 R, или 120 мм. Передняя ось вращения лопасти должна отстоять от носка профиля лопасти не более чем на 10-15% длины хорды профиля. Лопасти изготовить каркасного типа либо с пенопластовым наполнителем и покрытием из стеклоткани с прослойкой из эпоксидной смолы, либо с покрытием из тонкого алюминиевого листа с креплением к нервюрам лопасти либо точечной сваркой, либо взрывными заклепками. На верхнем торце лопасти необходимо установить концевые горизонтальные пластины из материала Д16АТ толщиной 1 - 1,5 мм эллипсовидной формы в плане с размерами осей эллипса 250х100 мм.

При испытаниях ветророторов в аэродинамической трубе предусмотреть возможность удлинения центральной колонны ветроротора дополнительным валом для размещения на нем тормозных муфт.

Для испытаний в аэродинамической трубе на ветророторе должно быть предусмотрены конструктивно места для установки датчика углового перемещения механизма управления лопастями, датчика скорости вращения ветроротора , датчика скорости набегающего потока.

В связи с изменением концепции управления лопастями (по результатам модельных испытаний 2008-2009 гг.) удаляется одна технологическая цепочка - механизм линейного перемещения управляющей окружности. Управляющая окружность из круговой превращается по форме в близкую к эллиптической,  и вместо её линейного перемещения будет осуществляться только её поворот относительно центральной оси ветроротора, для чего необходимо разработать механизм для осуществления этого поворота и конструкцию опоры верхней пластины относительно нижней (пример механизма есть в патентах Украины № 16097 на полезную модель и №84319.

Траверсы должны быть эллиптического поперечного сечения либо необходимо ставить на них обтекатели из листового алюминия со специальной формой профиля. Центральную колонну необходимо значительно облегчить с установкой вращающейся части на опорный подшипник. Рационально было бы рассмотреть возможность опоры центральной вращающейся колонны на постоянный магнит, что позволит существенно снизить вредный момент сопротивления вращения ветроротора.

Анализ рынка электрогенераторов малой мощности для ВЭУ.

В настоящее время наблюдается тенденция повышения технических показателей генераторов, используемых для ВЭУ, за счет использования постоянных магнитов на основе редкоземельных магнитов NdFeB, которые имеют рабочие температуры до 150 градусов и остаточную магнитную индукцию Br = 1.2?1,45 Тл. В ВЭУ малой мощности применяются тихоходные многополюсные электрогенераторы на постоянных магнитах, которые соединяются с ветроколесом непосредственно (без редуктора), что существенно упрощает конструкцию и обеспечивает более длительный срок эксплуатации ВЭУ.  

К преимуществам электрогенераторов с постоянными магнитами следует также отнести:

  • возможность получения высоких значений продольной компоненты магнитной индукции в области электромеханического преобразования энергии (в рабочем зазоре);
  • отсутствие скользящих электрических контактов существенно повышает их ресурс и надежность по    сравнению с электрическими генераторами постоянного тока или синхронными генераторами с явно выраженной обмоткой на роторе;
  • высокий кпд преобразования механической  энергии в электрическую энергию;
  • высокие удельные показатели по развиваемой мощности на единицу активной массы и на единицу активного объёма;
  • большая перегрузочная способность по моменту (кратковременно кратность максимального момента равна 5 и более);
  • облегчённые условия работы подшипниковых узлов;

Исходя из вышеуказанного, можно сделать вывод о целесообразности применения постоянных магнитов в тихоходных электрогенераторах для ВЭУ.

Таким образом, применение электрогенераторов с постоянными магнитами для ВЭУ дает возможность решить основную задачу – генерацию электроэнергии без использования редукторов. Однако электрогенератор с постоянными магнитами должен быть рационально спроектирован, чтобы иметь минимальную массу и стоимость.

Результаты исследований электрогенератора с постоянными магнитами.

В Институте электродинамики НАН Украины в течение ряда лет активно проводятся исследования в области разработки и создания электромеханических преобразователей энергии (ЭМПЭ) c использованием постоянных магнитов, которые характеризуются улучшенным использованием активной части, снижением массы и габаритов, повышением кпд и удельной электромагнитной мощности, снижением уровня потерь, уменьшением шумов и вибраций. Такие преимущества позволяют применять ЭМПЭ нового типа в устройствах в широком диапазоне единичной мощности, в том числе, как в безредукторных электроприводах непосредственного действия, так и в таких областях приложения как машиностроение, транспорт, авиация, привод электромобилей и ветроустановки.        

В качестве иллюстрации приведем пример восьмиполюсного электрогенератора на постоянных магнитах для ВЭУ. Активная часть магнитной системы исследуемого электрогенератора приведена на рис. 5. Статор 1 имеет 36 пазов, наружный диаметр статора равен Da = 158 мм, внутренний – Di=104 мм, толщина зуба – hz = 3 мм, высота паза – h = 14,5 мм. Ротор состоит из восьми постоянных магнитов 2  размером - 100?25?10 мм, ферромагнитных концентраторов 3 и немагнитного вала 4. Наружный диаметр ротора равен da = 102 мм. Ферромагнитные концентраторы выполнены из конструкционной стали марки СТ20, статор выполнен шихтованным из электротехнической стали марки СТ2211. Длина активной части электрогенератора равна L = 100 мм. Для уменьшения пульсаций момента на роторе выполнены скосы.

Рис. 5.  Структура магнитной системы электрогенератора.

На рис. 6а представлены экспериментальные зависимости генерируемой мощности, напряжения, тока (выпрямленного) и крутящего момента, создаваемого электрогенератором, от скорости вращения ротора. Испытуемый электрогенератор через шкивы с ременной передачей приводился во вращение с помощью двигателя постоянного тока (ДПТ) мощностью 0,75 кВт, и номинальноой скоростью вращения - 2000 об/мин.

Скорость вращения приводного двигателя постоянного тока регулируется с помощью ЛАТРа. Обмотки электрогенератора с постоянными магнитами на роторе соединены в «звезду». Выводы обмоток подключены к трехфазному  выпрямителю (схема Ларионова). Для схемы Ларионова известны следующие соотношения: Uн =2,34Uф, Iн = 1,22Iф. В качестве нагрузки (Rн) использовался реостат с переменным сопротивлением. Экспериментальные данные получены для генераторного  при постоянном сопротивлении нагрузки (Rн = 60 Ом) и при различных скоростях вращения ротора.

Приводной двигатель и исследуемый электрогенератор соединялись шкивоременной передачей с передаточным числом равным 5. Таким образом было выполнено согласование номинальных скоростей ДПТ и исследуемого электрогенератора. Благодаря тому, что ДПТ имеет хорошую перегрузочную способность удалось испытать электрогенератор в режиме двукратной перегрузки. Следует отметить линейную зависимость крутящего момента от тока в обмотках статора. Также характерной является практически линейная зависимость крутящего момента и генерируемого напряжения от скорости вращения ротора.

На рис. 6б приведены экспериментальные зависимости генерируемой мощности от  момента на валу ветроротора и электрогенератора. Экспериментальные данные для электрогенератора получены  при постоянном сопротивлении нагрузки  равном 20 Ом.

Рис. 6 а. Экспериментальные данные электрогенератора и ветроротора.

 

Рис. 6 б. Экспериментальные данные электрогенератора и ветроротора.

Опираясь на данные, полученные экспериментальным путем, следует отметить, что электрогенератор обладает высокой перегрузочной способностью, а его характеристики согласуются с характеристиками экспериментального образца ветроротора.

 

Основные технические характеристики электрогенератора:

Мощность, Вт……………………………………1000

Наружный диаметр статора, мм………………..158

Наружный диаметр ротор, мм…………………..102

Число полюсов……………………………… …..8

Число фаз…………………………………… …..3

Масса постоянных магнитов, кг..…….…..........1,5

Масса электрогенератора, кг..…………...…….17,5

 

Авторы:

Каян Владимир Павлович, тел. 044-371-65-51  -  Институт гидромеханики НАНУ

Гребенников Виктор Владимирович, тел. 044-454-26-66 – Институт электродинамики НАНУ