Многоагрегатная ветроэнергетическая установка для районов с низким ветровым потенциалом

Введение. В сельском хозяйстве имеется много рассредоточенных объектов, удаленных от линий электропередач мощностью от 1 до 10 кВт (водопойные пункты на пастбищах отгонного животноводства в засушливых районах, отдаленные фермы, пастбища, небольшие орошаемые участки овощных культур, установки для осушения и дренажа и т.п.). Централизованное питание этих объектов электрической энергией от сетей нерентабельно. Существующие ветроэнергетические станции мощностью до 20 кВт эффективно работают при среднепериодических скоростях ветра 6,5-7 м/с, т.к. ветроприемные устройства (ВПУ) рассчитаны на узкий диапазон скоростей ветра. Большая часть территории России находится в местах со среднепериодическими скоростями ветра менее 4-5 м/с [1]. В связи с этим, разработка устройств, работающих на низкопотенциальной энергии ветра, актуальна.

Для разработки модуля энергоснабжения необходимо расширить диапазон используемых скоростей ветра, т.к. около 80% времени скорость ветра составляет менее 5 м/с.

Материалы и методы.

При моделировании ветровой станции необходимо в первую очередь оценить потенциал ветровой энергии. Основной характеристикой потенциала ветровой энергии является среднегодовая скорость ветра. Разложение спектра скоростей ветра с использованием распределения Вейбулла или Рэлея позволяет оценить потенциал каждой отдельной скорости [2].

Особое внимание следует уделить тому, что ветровая энергия преобразуется в механическую с переменной эффективностью по скоростям ветра. Из-за этого возникает проблема выбора ветроколеса, которое по своей характеристике должно подходить к ветровому спектру конкретного региона.

Сведения о максимальных скоростях ветра являются важной составной частью ветроэнергетического кадастра. Они необходимы для выполнения расчетов на прочность отдельных узлов и элементов ВЭУ (башни, лопастей, устройств ориентации на ветер и др.). Определение максимальной скорости базируется на результатах наблюдений за прошлое время и представляет собой по сути прогноз на будущее. В прикладной климатологии о максимальной скорости ветра принято говорить как о скорости, возможной один раз в заданное число лет [3].

Скорость ветра является нерегулярной, поэтому необходимость аккумулирования энергии приобретает все большее значение. Наряду с электрохимическим аккумулированием, которое является относительно дорогостоящим, уже существуют предложения, осуществлять аккумулирование энергии в виде механической энергии, например, в так называемых гидроаккумулирующих электростанциях или пневмоаккумулирующих электростанциях. Пневмоаккумулирующие электростанции имеют относительно низкие коэффициенты полезного действия и таким образом незначительную энергетическую эффективность.

Для выравнивания непостоянной во времени энергии ветра можно использовать следующие виды аккумулирования:

• □    гидравлическое;

• □    пневматическое;

• □    кинетическое;

• □    электролитическое;

• □    тепловое;

• □    теплохимическое;

• □    электромеханическое;

При гидравлическом аккумулировании аккумулирование энергии происходит за счет подъема воды в насосном режиме с помощью ветрового двигателя, соединенного с водоподъемным устройством через редуктор, из нижнего аккумулирующего бассейна в верхний, срабатывание ее затем в турбинном режиме в часы пика нагрузки [4].

Предлагается добавить в конструкцию ВЭУ с классической схемой промежуточное звено в виде гидромодуля, состоящего из гидронасосов, гидросумматора, гидрогенератора и гидроаккумулятора, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Лабораторный стенд гидромодуля: 1, 2, 3 – входы для ВПУ, 4- гидронасосы, 5 – гидроаккумулятор, 6 – гидромотор.

Обеспечение максимальной выработки А Ʃ энергии при работе ветроагрегата происходит с максимальной КИЭВ. Максимальный КИЭВ обеспечивается при условии Z=Z Н =const. Z и Z Н соответственно текущая и нормальная быстроходность ветроприемного устройства ВПУ[5].

Приближенная формула для определения мощности ветроагрегата при идеальной нагрузке Р_тах = ^D ^^^Н v³ [5], D- диаметр ВПУ, М_н - нормальный момент, v - скорость ветра. Минимальная скорость ветра, при которой развивается номинальная мощность назывется расчетной скоростью ветра – V p .

В режимах V˃Vp мощность ветроагрегата резко снижается. Нижний предел скорости, при которой еще возможна производительная работа, называется минимальной скоростью ветра Vmin.

Из формулы быстроходности Z = ^ видно, что при изменении скорости ветра меняется и быстроходность. Для обеспечения максимального КИЭВ при разных скоростях ветра V обеспечиваем постоянный Z, меняя скорость вращения шН. Генератор выдает номинальную мощность при расчетном числе оборотов. Поэтому при скоростях ветра больше установленной быстроходность уменьшается, т.к. число оборотов необходимо сохранять в пределах установленного значения, соответственно угловая скорость тоже остается постоянной, а угол атаки меняется. И т.к. наилучший режим работы крыльчатого ветродвигателя будет только при определенных углах атаки, мощность постепенно уменьшается.

Ветроприемные устройства рассчитаны на узкий диапазон скоростей ветра.

Для того, чтобы быстроходный ветрогенератор вырабатывал условный киловатт электроэнергии с расчетным числом оборотов 450-500 об/мин. с максимальным КИЭВ, необходимо, чтобы расчетная скорость ветра составляла 9-11 м/с. Т.к. большая часть территории РФ находится в зоне со среднепериодическими скоростями ветра менее 5 м/с, наиболее эффективны быстроходные ВЭУ работают примерно 200-300 часов в году.

Важным показателем, характеризующим ветер с энергетической стороны, является его повторяемость. Достаточно пристальное внимание повторяемости уделяется в работах М.М. Поморцева, Гуллена и Г.А. Гриневич. Эти исследователи, применяя метод математической статистики к отысканию зависимостей для выравнивания распределений повторяемости скоростей ветра, дали уравнения к выравниванию эмпирических распределений, которые, будучи построены применительно к режиму ветра того или иного района, отличаются друг от друга основными статистическими характеристиками данного распределения [6].

Таким образом, при скоростях ветра меньше расчетной, ВПУ вращается медленнее, КПД генератора падает. В таблице 1 представлены характеристики ветрогенераторов с разными параметрами ВПУ при разных скоростях ветра. Т.е. при скорости ветра 4м/с, характерный для рассматриваемой зоны 1500 ч в год, число оборотов составляет порядка 180 об/мин, что составляет всего 40% из необходимых 450 об/мин.

При скоростях ветра больше установленной скорости ветра мощность падает из-за изменения быстроходности и, соответственно, КИЭВ, при сохранении номинального числа оборотов.

Для разработки модуля энергоснабжения необходимо расширить диапазон используемых скоростей ветра, т.к. около 80% времени скорость ветра составляет менее 5 м/с.

Результаты и обсуждение.

Для повышения эффективности работы ВЭУ в расширенном диапазоне скоростей ветра ведутся разработки в области регулирования лопастей, частоты вращения ветроколеса [7]. Однако механические системы управления частотой вращения ветроколеса сложны и дороги. Также возможно управлять частотой вращения ветроколеса изменением нагрузки генератора. Но использование редукторов (мультипликаторов) ведет к удорожанию ветроэнергетической установки и снижению ее надежности. Возможно применение прямоприводных тихоходных многополюсных генераторов. Но они громоздки и отличаются высоким расходом материалов и массой [8].

В настоящее время выполняется разработка многоагрегатной ВЭУ, работающей в аддитивном режиме в условиях дефицита мощности одного из ВПУ. Рассматривается возможность совместить ВПУ с разными параметрами с генератором с помощью аддитивного блока. Предлагается повысить эффективность выработки электроэнергии ветроагрегатом при скоростях ветра до 7 м/с с помощью многоагрегатной модульной ветроэнергетической установки (ВЭУ), состоящей из нескольких ВПУ с разными параметрами.

Рисунок 2- Экспериментальная установка на ветрополигоне в Истринском районе Московской обл.

На ветрополигоне ФГБНУ Федеральный агроинженерный центр “ВИМ” в г. Истра Московской области проводились исследования работы ВЭУ разных параметров. Наблюдения велись за работой 3-, 6-, 9-лопастных горизонтально-осевых и 6-лопастной вертикально-осевой ВЭУ с диаметрами ветроколес 2, 3, 3.9, 4.15 м соответственно, с И⁴⁸ Агротехника и энергообеспечение. - 2021. - № 2 (31)

номинальной мощностью генератора 1кВт. Фиксировали одновременно вырабатываемую ВЭУ мощность на валу генератора и число оборотов ветроприемного устройства (ВПУ) в зависимости от скорости ветра. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты расчетов P, M, n для ВПУ с разными параметрами при скоростях ветра от 4 до 14 м/с.

	3 - лопастной ГО			6 -лопастной ГО			9-лопастной ГО			6 -лопастной ВО
D, м	2,15			3,41			5,67			6,94
Z	5			4			1			0,6
КИЭВ	0,45			0,35			0,3			0,2
v, м/с	P, кВт	M, кгм	n, об/м ин	P, кВт	M, кгм	n, об/м ин	P, кВт	M, кгм	n, об/ мин	P, кВт	M, кгм	n, об/м ин	P , Вт МАВЭУ	ƩP , Вт ВЭУ
4	0,064	3,582	178	0,125	14,587	85	0,296	182,115	16	0,296	446,204	7	0,696	0,235
5	0,125	5,597	222	0,244	22,793	107	0,579	284,555	20	0,579	697,193	8	1,359	0,458
6	0,216	8,060	267	0,422	32,822	128	1,000	409,759	24	1,000	1003,958	10	2,348	0,792
7	0,343	10,970	311	0,670	44,674	149	1,588	669,273	24	1,350	1393,829	10	3,517	3,517
8	0,512	14,328	356	1,000	58,349	170	2,134	874,152	24	1,541	1392,156	10	4,616	4,616
9	0,729	18,134	400	1,424	70,557	200	2,250	921,957	24	1,519	1355,344	10	5,271	5,271
10	1,000	22,388	444	1,674	83,148	200	2,315	956,104	24				4,441	4,441
11	1,213	26,788	450	1,634	80,248	200	2,054	914,491	24				4,362	4,362
12	1,344	29,373	450										1,196	1,196
13	1,367	29,428	450										1,217	1,217
14	1,220	26,816	450										1,085	1,085

Полученные данные сгруппированы по показателям скорости ветра от 4 до 14 м/с, проведена счетная обработка данных по группам - найдены среднегодовые значения вырабатываемых мощностей.

Используя полученные данные, проведены расчеты мощности многоагрегатной ветроэнергетической установки (МАВЭУ).

Мощность на выходе из ветроколеса P [Вт] рассчитываем по формуле 1:

pv2S p=fp— где ξ – коэффициент использования энергии ветра;

ρ – плотность воздуха 1,225 кг/м³;

S –ометаемая площадь ветроколеса, м²;

V – скорость ветра, м/с.

nD2

S=— где D –диаметр ветроколеса, м.

Мощность на выходе из генератора P г (Вт):

Рг = P X л г где P – мощность на выходе из ветроколеса, Вт;

ηг – КПД генератора, %.

Мощность на выходе из генератора многоагрегатной ВЭУ P м (Вт):

Рм = ^ P x л гн X л гм x л г где P – мощность на выходе из ветроколеса, Вт;

ηг – КПД генератора, %;

ηгн – КПД гидронасоса, %;

ηгм – КПД гидромотора, %.

Число оборотов ветроколеса n [об/мин] рассчитываем по формуле:

vZ60 и = —-- 2uR где Z – коэффициент быстроходности ветроколеса;

R –радиус ветроколеса, м²;

V – скорость ветра, м/с.

Наряду с этим проведены расчеты часов работы в году МАВЭУ и отдельных ВЭУ на полную мощность, т.е. вырабатывать 1кВт электроэнергии. Известно, что в году 8760ч., при среднепериодической скорости ветра 4м/с, в Истринском районе Московской области, где проводились испытания, согласно таблице повторяемости ветров М. М. Поморцева [9] 5062 ч. в году скорость ветра меньше 5 м/с, 1445ч. скорость ветра равна 5 м/с, 1070ч. скорость ветра равна 6 м/с, 640ч - 7м/с, 315ч. - 8 м/с, 152ч. - 9м/с, 52ч. -10 м/с и в течение 26ч. в году скорость ветра равна 11м/с.

Проведены вычисления аккумулирования излишков энергии. В случае МАВЭУ аккумулирование гидравлическое, механическая энергия вращения ветроколеса преобразует гидравлическую энергию жидкости с помощью гидронасосов в гидрогенератор, где происходит суммирование энергий с нескольких ВЭУ, излишки энергии сохраняются в гидрогенераторе. Накопление и хранение излишков энергии ветроэнергетических установок с отдельными генераторами, электрическое, с помощью аккумуляторных батарей.

Потери МАВЭУ равны 15%, 5% на гидроузле и 10% на генераторе, т.к. на генератор передается суммированная в аддитивном блоке энергия. До 6 м/с генератор МАВЭУ также не работает на полную мощность, поэтому КПД принят 70-80%. На выходе генератора, в случае МАВЭУ, при скоростях ветра 4-5 м/с мощности хотя и не доходят до номинального значения, однако более чем в 2 раза больше, чем в ВЭУ с отдельными генераторами, при скоростях ветра до 7 м/с мощность многоагрегатной ВЭУ примерно в 2-3 раза больше, чем сумма мощностей отдельных ВЭУ.

Заключение.

По итогам выполненного исследования можно сделать следующие выводы: