Библиографическое описание:

Гаибов И. А., Чечулин В. Д., Демидова Н. Г., Бубенчикова Т. В. Применение генератора в ветроэнергетических установках малой мощности // Молодой ученый. — 2016. — №22.3. — С. 25-29.



Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16–08–00243 а

В данной статье рассмотрена возможность использования автомобильного электрогенератора в ВЭУ. Применение автомобильных генераторов повышает надежность, снижает стоимость и увеличивает срок службы установки. Приведены различные схемы расположения генератора в установке, а также наиболее оптимальная схема использования автомобильного генератора. Проанализировано большое количество типовых ВЭУ. Предоставлены способы решения неэффективного применения автомобильного генератора.

Ключевые слова: ВЭУ, автомобильный электрогенератор, аксиальный тип, момент страгивания.

Возобновляемая ветряная энергия является доступной и экологически чистой. Однако, проектируемые ветроэлектроустановки (ВЭУ) составляют незначительную конкуренцию традиционным источникам энергии, несмотря на то, что внедрение ВЭУ может заменить до 30–50 % невозобновляемого органического топлива [1]. Кроме того, преобразование механической энергии ветрогенераторами в электрическую энергию недостаточно исследовано в теоретическом и практическом аспектах. В связи с этим вопросы исследования и разработки более эффективных и безопасных, а также простых по конструкции ВЭУ являются актуальными.

При проектировании ВЭУ возникает проблема выбора электрогенератора. Ветряные колеса в основном относятся к тихоходным устройствам, а электрогенераторы обычно относятся к быстроходным устройствам. Для согласования хода колеса и электрогенератора, как правило, применяются мультипликаторы, которые приводят к снижению коэффициента полезного действия ВЭУ. В ветроустановках малой мощности со специальными генераторами на постоянных магнитах мультипликаторы не применяются, но это приводит к увеличению габаритов и массы, а значит и стоимости ВЭУ.

Одно из основных требований, которое предъявляется к ВЭУ — обеспечение малого момента страгивания, при котором имеется возможность вырабатывать электродвижущую силу (ЭДС) в условиях низких скоростей ветра (менее 5 м/с). Для того чтобы обеспечить малый момент страгивания необходимо: уменьшить инерционность вращающихся частей ВЭУ за счет снижения массы ротора и лопастей; минимизировать начальное трение в подшипниках; снизить магнитное тяжение ротора к статору. Так как в электрогенераторах довольно часто используются постоянные магниты со значительным остаточным потоком, то обычно наибольшую проблему создают магнитные силы. Наиболее перспективны для решения этой проблемы электрогенераторы дискового (аксиального) типа [7]. Высококоэрцитивные магниты в конструкции генератора позволяют убрать сердечник в обмотке за счет ее малой толщины, а это исключает силы магнитного тяжения и спрямления между статором и ротором и уменьшает момент страгивания ветроустановки. На рис. 1 представлена схема такого электрогенератора. Данная схема обеспечивает максимальную индукцию в обмотке, но удвоение количества магнитов ведет к высокой стоимости генератора.

C:\Users\Ritm\Desktop\бубенчиков\Магниты.gif

а) б)

Рис. 1. Схема электрогенератора на постоянных магнитах дискового (аксиального) типа:а) двухроторный вариант с неподвижными обмотками статора между магнитами; б) однороторный вариант с неподвижными обмотками статора между магнитами и полюсными наконечниками

Оптимальная стоимость достигается за счет применения схемы с одним слоем магнитов и полюсными наконечниками при замкнутой магнитной цепи. Для снижения стоимости магнитов типа «неодим-железо-бор», при значительной площади наконечника, полюс можно сделать мозаичным из магнитов малого размера (однородность магнитного поля в обмотке сохраняется) [7].

Лабиринт Низкооборотный (многополюсный) электрогенератор на постоянных магнитах с плоскими катушками статора без сердечников позволяет существенно снизить момент страгивания генератора и ветроустановки в целом. Минимизация момента страгивания позволит ВЭУ работать при низких скоростях ветра (менее 5 м/с), а также расширить географический и временной диапазон применения ветроустановок.

Условия работы электрогенераторов автомобилей и ВЭУ схожи (широкий диапазон частоты вращения; возникновение кратковременных перегрузок; изменение температуры окружающей среды при высокой относительной влажности). Несмотря на это, однако, имеются и различия, в частности, средняя скорость вращения вала генератора ВЭУ заметно меньше средней скорости вращения вала генератора автомобиля. Тем не менее, принимая во внимание то, что автомобильные генераторы, которые выпускаются серийно и большими партиями, недороги, использование их в составе ВЭУ повышает надежность, большой срок службы и снижение стоимости ветроэлектроустановок.

Самым оптимальным сочетанием при использовании автомобильных генераторов в ветроустановках является применение следующей схемы: ветроколесо — автомобильный электрогенератор — аккумуляторная батарея (АБ) — инвертор — нагрузка (рис. 2) [1].

C:\Users\Ritm\Desktop\бубенчиков\2.png

Рис. 2. Структурная схема ВЭУ с автомобильным генератором электрической энергии:1 — ветроколесо; 2 — автомобильный генератор; 3 — аккумуляторная батарея; 4 — инвертор; 5 — нагрузка

Автомобильные генераторы и аккумуляторные батареи производятся, как правило, на напряжения 12 и 24 В. Необходимо отметить, что для того, чтобы получить напряжение для зарядки АБ на12 или 24 В при снижении частоты вращения вала генератора ток возбуждения приходится увеличивать. Требуемая мощность возбуждения при этом получается равной полезной выходной мощности, а использование автомобильных электрогенераторов в ВЭУ становится нецелесообразным. Избежать подобной ситуации позволяют следующие методы [1]:

1. Использование многоступенчатого мультипликатора.

2. Применение генератора на напряжение 24 В при зарядке АБ на 12 В. Ротор генератора на 24 В необходимо заменить на ротор генератора на 12 В. При этом обмотка статора полученного генератора будет на 24 В, а обмотка возбуждения на 12 В. Данная конструкция электрогенератора позволяет получить достаточный ток возбуждения при напряжении 12 В (т. к. сопротивление обмотки возбуждения генератора на 12 В меньше сопротивления обмотки возбуждения генератора на 24 В).

3. Установка двух генераторов, приводимых во вращение от одного выходного вала мультипликатора с последовательно соединенными клеммами. При такой конструкции при выходном напряжении каждого генератора по 7 В можно заряжать аккумуляторную батарею на 12 В.

4. При использовании двух генераторов по пункту 3 в сочетании статора и ротора по пункту 2 можно заряжать АБ на 24 В одновременно.

Из экспериментальных исследований следует, что автомобильные генераторы могут быть использованы для создания ВЭУ малой мощности, если скорость вращения вала генератора не меньше 2000 об/мин, но и не больше 7000 об/мин [4].

Возможность потребления большой электрической мощности зависит от инвертора. Инвертор преобразует напряжение аккумуляторной батареи в переменное напряжение 220 В с частотой 50 Гц. При повышении выходной мощности входная мощность также должна возрастать. Из-за этой причины необходимо применять электрогенераторы с более высоким выходным напряжением.

Для ВЭУ с горизонтальной осью колеса повышение мощности происходит за счет: удлинения длины лопастей; применения различных концентраторов воздушного потока; подбора местности с большим ветроэнергопотенциалом. Для ветроустановок с вертикальной осью ветроколеса мощность повышается за счет: применения модульного принципа сборки роторов ветрогенераторов (рис.3); входного параллельного соединения роторов и последовательного соединения выходов электрогенераторов [3].

Лабиринт C:\Users\Ritm\Desktop\бубенчиков\Блоки.png

Рис. 3. Модульная конструкция ВЭУ:1. — стойка; 2. — модуль; 3 — растяжка; 4 — муфты; 5 — вал привода генераторов; 6 — генераторы

Любая установка с горизонтальным расположением оси ветроколеса состоит из блоков (элементов): колесо с лопастями; повышающий редуктор; ветрогенератор; мачта (башня); тормозная система. На базе этих основных элементов разработаны некоторые принципиальные схемы ВЭУ, которые отличаются лишь положением генератора (рис. 4).

Положение генератора может быть вертикальным и горизонтальным. Горизонтальное положение в свою очередь разделяется на верхнее и нижнее. Применение той или иной схемы зависит от различных факторов. Разные компоновки отличаются добавлением или исключением отдельных узлов, которые соответственно влияют на стоимость изготовления, на массогабаритные размеры и на требования к прочности отдельных элементов установки.

C:\Users\Ritm\Desktop\бубенчиков\Башни.gif

а) б) в)

Рис 4. Основные структурные схемы компоновки узлов ветроустановки с горизонтальным расположением оси ветроколеса: а) нижнее расположение генератора; б) нижнее вертикальное расположение генератора; в) верхнее расположение генератора. Р — редуктор; ТУ — тормозное устройство; Г — генератор

В ВЭУ с горизонтальным нижним расположением генератора ветряное колесо соединяется с генератором через повышающий редуктор, карданные валы, нижний угловой редуктор, также имеется тормоз и муфта. Нижний угловой автомобильный редуктор не рассчитан на нагрузку, которую воспринимает от веса карданного вала. Трансмиссия, передающая вращение от ветроколеса к генератору, требует установки дополнительных подшипниковых опор. Подшипниковые опоры при интенсивной работе изнашиваются, а это ведет к колебаниям установки в целом. Шлицевые карданные валы, из которых состоит трансмиссия, необходимо периодически смазывать, что требует некоторой разборки конструкции. Чтобы опустить башню во время обслуживания и ремонта, необходимо отсоединить генератор.

Генератор выступает в качестве противовеса в схеме с его горизонтальным верхним расположением. Явное преимущество схемы выражено в отсутствии карданных валов и дополнительного редуктора. Исключается вероятность их поломки, в то время как неисправности этих частей трансмиссии характерные для ВЭУ с нижним расположением генератора являются наиболее частыми.

В схеме с вертикальным расположением генератора возникает необходимость в дополнительной опоре, а тип генератора должен быть предусмотрен для работы в вертикальном положении.

Для оптимизации ветроустановки кроме основных элементов могут быть и другие механизмы, и системы. Коробки передач используются для более равномерного вращения вала генератора (при низких скоростях ветра). Механические (дисковые) и аэродинамические тормозные системы используются для уменьшения частоты вращения ветроколеса и для полной его остановки. Механический тормоз может быть установлен в башне между ветряным колесом и редуктором при схеме с верхним расположением генератора. Для стабильной подачи электроэнергии в буфере с инвертором работает аккумулятор, который подает напряжение в сеть при отсутствии ветра. В более мощных установках (несколько мегаватт) в башню ставят трансформатор для связи с высоковольтной линией.

Анализ большого количества типовых вариантов ВЭУ показал, что [6]:

1. Самая распространенная схема — схема с верхним расположением генератора.

Лабиринт 2. Дисковый фрикционный тормоз с гидравлическим или электрическим приводом наиболее часто используется в качестве рабочей тормозной системы.

3. Во всех современных ветроустановках кроме механической тормозной системы используется принцип регулирования частоты вращения ветряного колеса с помощью углового поворота лопастей.

4. Для преобразования частоты вращения чаще всего применяются планетарные редукторы; в некоторых ВЭУ иностранных изготовителей можно встретить двух или трех скоростные коробки передач.

Литература:

  1. Анчугова А. Ф., Галиев Р. М., Галимов Н. С. и др. Особенности применения автомобильных генераторов в перспективных конструкциях ветроэнергоустановок// Научно-технический вестник Поволжья – 2015. – № 3. – С. 82–85.
  2. Бубенчиков А. А.,Дайчман Р. А., Артамонова Е. Ю. и др. Выбор оптимального генератора для ветроустановки // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 10. — С 18–22.
  3. Галимов Н. С., Иванов В. А., Фатыхов К. З. Автоматическое управление включением обмотки возбуждения генератора переменного тока ветродвигателя // Научно-технический вестник Поволжья — 2014. — № 2. — С. 124–126.
  4. Ильясов Р. Ш., Сущикова А. Н. Оптимизация систем управления ВЭС // Проектирование и исследование технических систем. — 2007. — № 11. — С. 28–32.
  5. Квитко А. В., Семенов Я. А., Отмахов Г. С. Автономные ветроэлектрические установки и системы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. — 2015. — № 112. — С 1003–1015.
  6. Папушин Э. А., Былеев А. С. Повышение эффективности работы ветроэнергетической установки ВЭУ-16/30 // Технология и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. — 2016. — № 88. — С. 78–89.
  7. Ряполов С. А., Янченко А. В. Электрогенератор для ветроустановки в условиях низкоэнергетических ветровых потоков // Научно-техническое творчество аспирантов и студентов: материалы 46-ой научно-технической конференции студентов и аспирантов. — Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВО КнАГТУ,2016. — С. 516–518.
Основные термины (генерируются автоматически): вращения вала генератора, расположением генератора, обмотки возбуждения генератора, верхним расположением генератора, частоты вращения, нижним расположением генератора, расположение генератора, Применение генератора, автомобильного генератора, вала генератора ВЭУ, момент страгивания, расположением генератора ветряное, вала генератора ток, вертикальным расположением генератора, схемы расположения генератора, горизонтальным расположением оси, скорость вращения вала, применения автомобильного генератора, момент страгивания генератора, вала генератора автомобиля.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос