ветроустановка ротор дарье осевой
Рис.2. Ветроустановка «ЭСО-0020»
Рис.3. Ветроустановка «ЭСО-0420»
Проведенные испытания показали, что динамические и прочностные характеристики конструкции обеспечивают надежную работоспособность ветроуста- новки в рабочем диапазоне ветров и достаточную прочность при буревом воздействии, энергетические характеристики ветроустановки на 10-14% выше расчетных, коэффициент мощности ветроустановки во всем рабочем диапазоне ветров составляет 0,4-0,43 [18], ресурс ветровой турбины равен 18,9 лет, а ресурс опорной конструкции - 23 года [5], коэффициент установленной мощности для районов со средним ветровым потенциалом составляет не менее 0,28. По результатам сертификационных испытаний ветроустановка «ЭСО-0020» получила сертификат Госстандарта России [19].
Ветроустановки «ЭСО-0020» были построены в России (Приморский край, Таймырский автономный округ) и Украине (Харьков, Днепропетровск, Одесса, Луганск, Евпатория) для электроснабжения промышленных и бытовых потребителей.
Днепропетровск, ООО «Фалвест». Ветроустановка с автономной электрогенерирующей системой использовалась разработчиками в качестве опытного образца для отработки конструкции и алгоритма управления. В целях упрощения испытаний ветроустановка не имела дополнительной аккумуляторной батареи и устройств преобразования электроэнергии. В данной комплектации она могла обеспечить электропитание только тех потребителей, которые не зависели от произвольного графика выработки энергии, изменений вырабатываемой мощности в диапазоне от 0 до 20 кВт и колебаний частоты выдаваемого переменного тока в диапазоне от 45 до 90 Гц в условиях постоянно изменяющихся ветровых характеристик. Поэтому ветроустановка применялась для освещения (лампы накаливания) и отопления (водонагревательные ТЭНы) производственных помещений. 24 Харьков, Харьковский завод электромонтажного оборудования. Ветроу- становка с автономной электрогенерирующей системой в комплектации с преобразователем частоты выдавала электроэнергию с изменяющейся, в зависимости от скорости ветра, мощностью и стандартной частотой 60 Гц для питания осветительных и нагревательных приборов. Из-за отсутствия аккумуляторной батареи подача энергии потребителям осуществлялась только при наличии ветра в диапазоне от 5 до 20 м/с.
Евпатория. Предприятие электрических сетей. Учитывая высокий ветро- потенциал Крыма и специализацию заказчика, на Евпаторийском ПЭС проводились испытания, отработка и последующая эксплуатация ветроустановки с сетевой электрогенерирующей системой с выдачей выработанной электроэнергии в централизованную сеть Крымэнерго.
Владивосток, ОАО «Приморскнефтепродукт». При поставке, по требованию заказчика, были рассмотрены несколько вариантов электрогенерирующей системы ветроустановки, предназначенной для электроснабжения автозаправочной станции. В целях экономии средств заказчик предложил отказаться от аккумуляторной батареи для накопления электроэнергии и преобразователя частоты и оснастить ветроустановку только источником бесперебойного питания мощностью 2 кВА. Ветроустановка в такой комплектации имела ряд недостатков. Во- первых, не могла обеспечивать электроснабжение потребителей в безветренные периоды и устойчивое генерирование электроэнергии при низких скоростях ветра из-за отсутствия буферной аккумуляторной батареи, а во-вторых, из-за отсутствия преобразователя частоты не могла обеспечивать электроснабжения всех насосов бензоколонок, устройств автоматики и оргтехники АЗС при скорости ветра свыше 7 м/с. Разработчик предложил два варианта электрогенерирующей системы: автономный и сетевой. Автономная ветроустановка для гарантированного электроснабжения всех потребителей АЗС должна комплектоваться аккумуляторной батареей, накапливающей энергию на несколько часов работы, и преобразователем частоты с суммарной мощностью всего оборудования АЗС. Сетевой вариант предусматривал подачу вырабатываемой энергии в энергосистему, а расчет с «Дальэнерго» производить по разности поданной в сеть и потребленной из сети АЗС электроэнергии. Последний вариант был принят к реализации как имевший минимальный срок исполнения и стоимость.
Луганская область, Алмазная, ООО «Экина». Автономная ветроустановка с аккумуляторной батареей и преобразователем частоты предназначена для освещения производственных помещений и нагрева воды для бытовых нужд.
Одесская область, Вилково, порт Усть-Дунайск. При штатном режиме работы порта, расположенном на острове в дельте Дуная, для его электроснабжения применяется дизельгенераторная установка мощностью 240 кВт. В условиях дежурного режима потребление электроэнергии портом резко сокращается и не превышает 10-15 кВт. Автономная ветроустановка с аккумуляторной батареей и преобразователем частоты позволяет в ветреные периоды накапливать электроэнергию в аккумуляторах и при дежурном режиме работы порта обеспечивать его электроснабжение, что экономит дизельное топливо и ресурс работы дизельгене- раторной установки.
Таймырский автономный округ, пос. Левинские пески. В 1999 году после паводка, разрушившего пос. Левинские пески, расположенный на левом берегу Енисея в 10 км от Дудинки, было принято решение о строительстве в поселке ве- тродизельной электростанции, состоящей из пяти ветроустановок и резервной дизельгенераторной установки. Автономная вертикально-осевая ветроустановка мощностью 20 кВт оказалась предпочтительнее других в экстремальных климатических условиях (низкая температура, вечная мерзлота) Заполярья, благодаря таким основным особенностям, как высокая эффективность и надежность, простота и удобство технического обслуживания, низкая стоимость, простота фундаментов и монтаж оборудования с помощью обычных подъемных механизмов, возможность привлечения местных предприятий для выполнения проектных, строительных, монтажных работ и эксплуатации ветроустановок. Кроме того, комплектование ветростанции пятью ветроустановками единичной мощностью 20 кВт вместо одной, мощностью 100 кВт повышает надежность станции, т.к. при выходе из строя одного или двух агрегатов ветростанция продолжает функционировать. В состав ветродизельной электростанции входило следующее оборудование: пять ветроустановок «Січ-20» (модификация «ЭСО-0020» для условий Севера) общей мощностью 100 кВт, два выпрямительно-зарядных устройства для заряда аккумуляторной батареи от ветроустановок и дизельгенераторной установки, инвертор мощностью 138 кВА, аккумуляторная батарея из 120 элементов 2 В/1000 Ач, коммутирующее устройство, шкаф управления ветродизельной электростанцией, блок балластных резисторов, дизель-электрическая установка мощностью 100 кВт. Ветродизельная электростанция обеспечивает электроснабжение поселка в двух режимах. В инверторном режиме электроснабжение осуществляется от ветроустановок при наличии ветра, а при отсутствии ветра - от аккумуляторной батареи. Дизельгенераторный режим включается в случае отсутствия ветра и разряда аккумуляторной батареи. Станция работает в автоматическом режиме, и дежурный персонал осуществляет только контролирующие функции [7].
Параллельно с автономной ветроустановкой «ЭСО-0020» в 1994 году началась разработка сетевой вертикально-осевой ветроэлектрической установки с Н-ротором мощностью 420 кВт - «ЭСО-0420» (рис.4), которая предназначалась для параллельной работы с энергосистемой [11]. В разработке и изготовлении узлов и систем ветроустановки принимали участие организации и предприятия Министерства машиностроительной промышленности и Министерства энергетики Украины: завод «АВИАНТ», г. Киев - изготовитель ветровой турбины; ЦКБ «Шхуна», г. Киев - разработчик опорно-трансмиссионной системы, машинного и электротехнического модулей; завод «Ленинская кузница», г. Киев - изготовитель опорно-трансмиссионной системы; НПО ХЭМЗ, г. Харьков - разработчик и изготовитель системы генерирования, изготовитель электротехнического модуля; завод «Харэлектромаш», г. Харьков - разработчик и изготовитель электрической машины; ПО «Заря», г. Николаев - изготовитель мультипликатора; Киевский судостроительный-судоремонтный завод - изготовитель машинного модуля и контейнера электротехнического модуля; институт «Укргидропроект», г. Харьков - разработчик электрической части ветроустановки; ГКБ «Днепровское», г. Днепропетровск - разработчик и изготовитель системы управления; завод металлоконструкций им. Бабушкина, г. Днепропетровск - изготовитель опорной башни и др. Заказчиком ветроустановки выступил медицинский центр «Медики- Чернобылю» Министерства здравоохранения Украины в г. Евпатория. В связи с тяжелой ситуацией, которая сложилась в эти годы в экономике и промышленности Украины, разработка ветроустановки растянулась на несколько лет. Средства на создание «ЭСО-0420» изыскивались из самых различных источников. Финансирование проекта производилось за счет средств разработчика ветроустановки - предприятия «ЭСО», Государственного инновационного фонда, МЦ «Медики- Чернобылю», Комитета по энергосбережению, средств «Государственной программы строительства ветровых электростанций Украины». Общая стоимость проектирования, разработки документации и строительства в МЦ «Медики- Чернобылю» первого образца ветроустановки составила около 1,5 млн долларов США. И только к концу 2002 года ветроустановка была готова к сдаче рабочей комиссии в опытную эксплуатацию. Однако дальнейшие работы были остановлены из-за разрушения опорно-подшипникового узла ветроустановки. Экспертиза дефектного сварного шва, проведенная Институтом электросварки им. Е.О. Пато- на НАН Украины, показала, что причиной разрушения опорно-подшипникового узла ветроустановки явилось крайне низкое качество сварного соединения конусной оболочки узла с фланцем, которое было выполнено с грубыми нарушениями требований нормативной документации [23]. При утверждении экспертного заключения заместитель директора института, академик НАН Украины Л. М. Лобанов заметил, что так плохо выполнить сварку мог только ученик, впервые взявший в руки сварочную горелку.
С 2004 года работы по вертикально-осевым ветроустановкам с Н-ротором Дарье с широким диапазоном мощностей проводятся Институтом транспортных систем и технологий НАН Украины «Трансмаг», г. Днепропетровск в рамках пилотного инновационного проекта Международной научно-промышленной корпорации «ВЕСТА» «Разработка и производство новейших автономных интегрированных систем электроснабжения с использованием солнечных электрических систем, ветроэнергоустановок и энергонакопителей», принятого Постановлением Кабинета Министров Украины от 27 августа 2002 года №1244. Специалисты института «Трансмаг» занимаются исследованиями вопросов аэродинамики, прочности, динамики, управления и разработкой методик расчетов характеристик и проектирования вертикально-осевых ветроустановок с Н-ротором Дарье. Отдельным направлением деятельности института «Транс- маг» являются теоретические и экспериментальные исследования и разработка вертикально-осевых ветроустановок с ротором на магнитном подвесе. Институт разрабатывает несколько перспективных вертикально-осевых ветроустано- вок различных классов мощности. Ветроустановка малой мощности с ротором Савониуса на магнитном подвесе отличается конструктивной простотой и повышенными характеристиками за счет применения принципа магнитной левитации ротора. Ветроустановка «WESTA-20» мощностью 20 кВт является более эффективной модификацией модели «ЭСО-0020» за счет принципиально новой системы генерирования электроэнергии и конструктивного исполнения ротора. Новая ветроустановка «WESTA-30» мощностью 30 кВт разработана с учетом недостатков модели «ЭСО-0020», выявленных при более чем 10-летней ее эксплуатации в различных условиях, что позволило в 1,5 раза уменьшить стоимость 1 кВт установленной мощности. Ветроустановка мегаваттного класса разрабатывается с применением новых технических решений, позволяющих в полной мере реализовать достоинства схемы Н-ротора Дарье. Отдельным направлением работ института является исследования в области создания на базе автономного вертикально-осевого ветроагрегата «WESTA-20» специализированных промышленных установок для опреснения воды, сбора и переработки водорослей рек и озер, плавающей автономной ветро-солнечной системы электроснабжения.
На предприятии «ВЕСТА-Днепр», Днепропетровск, установлен опытнопромышленный образец ветроагрегата «WESTA-20», на котором проводятся исследования аэродинамики ротора, прочности и динамики конструкции, электрогенерирующей системы, а также испытания новых технических решений вертикально-осевых ветроустановок с ротором Дарье с прямыми лопастями. В производственном процессе ветроустановка применяется для зарядки аккумуляторов парка электрокар предприятия «ВЕСТА-Днепр».
Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара (в то время еще Днепропетровский государственный университет) в середине 1980-х годов одним из первых в Украине начал заниматься исследованиями вертикальноосевых роторов Дарье. В это время была издана монография по аэродинамике ветродвигателей, в которой были рассмотрены основные известные в то время методы аэродинамического расчета вертикально-осевого ротора Дарье [1]. В начале 1990-х годов кафедра аэрогидромеханики активно включилася в расчетнотеоретический анализ параметров Н-ротора Дарье для вертикально-осевой ветро- установки «ВТО 1250Б» КБ «Южное». В ДНУ им. О. Гончара были разработаны инженерные методики расчета проектных параметров вертикально-осевой ветро- установки с ротором Дарье, основанные на методе дискретных вихрей и двухдисковой импульсной теории, проведены исследования характеристик траверс и аэродинамических тормозных устройств. В последние годы основные усилия специалистов ДНУ были направлены на разработку способов повышения эффективности использования ветроустановок применительно к локальным ветровым условиям Украины. Также проводятся исследования новых направлений развития отечественной ветроэнергетики, а именно: применение вертикально-осевых ветроустановок в городских условиях и в оффшорных ветровых электростанциях [2; 20].
В 1980-х годах ХАИ ( ныне Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е.Жуковского «ХАИ» ) приступил к исследованиям аэродинамики и систем генерирования энергии вертикально-осевых ветроустановок с ротором Дарье. В рамках этих работ исследовались вопросы выбора оптимальных размеров, энергетических и регулировочных характеристик, совершенствования конструкции лопастей ротора Дарье. На моделях в аэродинамической трубе проводились экспериментальные исследования характеристик вертикально-осевого ротора, а также были разработаны методики аэродинамического расчета ротора Дарье, прогнозирования мощностных и моментных характеристик вертикальноосевого ротора с различными аэродинамическими профилями лопастей. По тематике системы генерирования вертикально-осевых ветроустановок проводились комплексные исследования характеристик ротора, генератора и преобразователя напряжения вертикально-осевых ветроустановок малой мощности, работы по автоматическому регулированию возбуждения генератора вертикально-осевой ве- троустановки, исследования вопросов преобразования и стабилизации напряжения в системе генерирования электроэнергии, а также разрабатывались генераторы для применения в вертикально-осевых ветроустановках малой мощности. В 2011 году учебнику «Невичерпна енергія» НАУ им. Н.Е.Жуковского «ХАИ», в котором две книги посвящены ветроэнергетике, была присуждена Государственная премия Украины в области науки и техники [15; 16].