Ветроустановка (ВЭУ) с изменяемым размахом лопастей.

 

О дешевизне ветроэнергии говорят давно и много. В печати, то и дело, появляются статьи посвящённые этой теме. Освоены промышленные образцы ветроустановок от миниатюрных, умещающихся в чемоданчике до огромных, высотой в несколько десятков метров. Но несмотря на интенсивную рекламу мы почему то не замечаем их повсеместного применения. Работают, конечно, отдельные экземпляры но массового их использования не наблюдается. В чём же причина нелюбви к, казалось бы, такой дешёвой энергии? И дешева ли она на самом деле? И если она всё же дорога, в чём причина её дороговизны?

Для того, что бы в этом разобраться, давайте рассмотрим несколько самых распространённых схем ветроустановок.

1. Ветроустановка вертикальнолопостного типа.

Типовая схема такой установки представлена на рис. 1. К её достоинствам следует отнести высокие энергетические показатели так как практически вся энергия набегающего потока превращается в полезную. КПД установок данного типа самый высокий.

    К их недостаткам следует отнести высокую парусность лопастей и ограниченные возможности по её изменению. Поэтому мачту такой установки приходится делать довольно массивной, способной выдерживать значительные ветровые нагрузки. То же относится и к прочности лопастей. Большая разница скоростей ветра (от штиля до урагана) заставляют конструкторов закладывать в них избыточный предел прочности. В связи с этим происходит увеличение массы, как мачты, так и лопастей. При увеличении массы лопастей нижний предел скорости ветрового потока увеличивается. Поэтому промышленные установки работают при скоростях ветра от 5 до 10 метров в секунду. При более слабых ветрах, лопасти просто не крутятся из за своей тяжести.

    Ещё один недостаток присущий этому типу ветроустановок - необходимость точной ориентации лопастей, перпендикулярно ветровому потоку, что в свою очередь усложняет её кинематическую схему.

    2. Ветроустановки роторнощелевого типа (рис. 2) представляют собой трубу с двумя щелями, внутри которой вращается ротор. Ярким примером такой установки может служить турбопарус на корабле "Алкиона" знаменитого исследователя морских глубин - Жака Ива Кусто.

    К достоинствам установок этого типа следует отнести их устойчивость к большим скоростям набегающего потока, обусловленную их обтекаемостью и как следствие, невысокая металлоёмкость, а следовательно и стоимость.

     Недостатком таких установок является невысокий КПД вследствие того, что набегающий поток попадает в вертикальную (довольно узкую) щель. Известно, что скорость ветрового потока у земли ниже чем в верхней части трубы, поэтому наблюдается неравномерная загруженность лопастей. В некоторых проектах предлагается делать установку в виде конуса, но это ведёт лишь к незначительному увеличению КПД. Проблема  же ориентации щели относительно ветрового потока остаётся такой - же как и для ветроустановки вертикальнолопостного типа.

    3. Ветроустановки роторного типа (рис. 3) обладают самым низким КПД из всех ранее рассмотренных так как их работа основана на разности давлений воздействующих на вогнутую и выпуклую поверхности лопастей.

    Достоинством этой схемы является способность работать при низких скоростях ветрового потока, простота её кинематической схемы, за счёт отсутствия необходимости ориентации лопастей и как следствие невысокая стоимость.

    Ещё одна особенность данной схемы: - чем шире размах лопастей, тем большую мощность мы можем получать, при неизменной скорости потока. В связи с этим, установки подобного типа способны работать при скоростях ветра начиная с 0,5 м/с. Достигается это тем, что кронштейны лопастей выступают в качестве рычага. Таким образом, чем длиннее кронштейн, тем больше рычаг, тем меньшее усилие необходимо приложить для поворота выла отбора мощности. При этом скорость вращения лопастей снижается.

    Остается одна проблема. При увеличении скорости ветра, нагрузка на кронштейны будет возрастать и при достижении определённого значения они попросту сломаются.

    Избавиться от этого можно путём изменения размаха лопастей, в зависимости от скорости ветрового потока.

Таким образом, как мы видим, стоимость ветроэнергии в значительной степени зависит от выбора конструкции ВЭУ, а она, в свою очередь, зависит от скоростей ветровых потоков, доминирующих в том или ином регионе.

   

Учитывая всё вышесказанное, мною была разработана

ветроустановка с изменяемым размахом лопастей.

Конструкция ВЭУ полностью соответствует ГОСУДАРСТВЕННОМУ СТАНДАРТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ предъявляемую к энергоблокам этого класса. При разработке данной установки приняты во внимание РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ НЕТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ Министерства сельского хозяйства Российской Федерации от 11 сентября 2003 г..

Установка имеет три режима работы:

1. Нормальный - скорость ветра от 0,2 до 15 м/с.

2. Штормовой - скорость ветра от 15 до 25 м/с.

3. Противоураганная защита (опция) - скорость ветра свыше 25 м/с.

На рис. 4 представлено схематическое изображение ВЭУ.

В основу данной конструкции (Рис. 4) положен принцип "параллелограмма". Установка работает следующим образом: При небольшой скорости ветрового потока, шток поршня 2 полностью втянут в гидроцилиндр, а шток поршня 1 - полностью выдвинут. При этом кронштейны 1 и 2 разворачиваются вокруг соединения "А"  и лопасти отодвигается на максимальное расстояние от центра вращения. При достижении ветровым потоком критической скорости, шток поршня 2 начинает выдвигаться, точки "В" расходятся, а лопасти сближаются.

Так происходит до тех пор, пока скорость ветра не превышает 15 мс/с. При достижении, ветровым потоком, скорости 15 м/с, лопасти оказываются плотно прижатыми к центру вращения. Это "штормовой" режим работы ВЭУ. В этом режиме лопасти частично перекрывают друг друга, поэтому нагрузка на них снижается. В таком режиме ВЭУ работает при скорости ветра от 15 до 25 м/с. При дальнейшем его увеличении срабатывает поршень 1 и втягивает лопатки в защитный кожух.

Поскольку верхняя часть кожуха остаётся открытой, лопасти продолжают своё вращение за счёт турбулентностей, возникающих на краях защитного кожуха. Энергии этих турбулентностей недостаточно для того, что ба вывести ВЭУ из строя, но вполне хватает для контроля силы ветрового потока. При его снижении ниже 15 м/с лопатки снова выдвигаются и установка переходит в нормальный режим работы. В большинстве регионов России, в частности в Кировской области,  скорость ветра не превышает 15 м/с (приложение А), поэтому можно обходиться без гидроцилиндра 1 и защитного кожуха, что значительно удешевляет конструкцию.

Установка ВЭУ производится на обычном железобетонном столбе.

Отбор мощности ротора производится посредством плунжерного гидронасоса. Такое решение обусловлено тем, что при малых скоростях ветра невозможно получить качественную электроэнергию. Поэтому был применён многоступенчатый режим.

В первом цикле, гидронасос (ГН) (см. рис 6) заряжает гидроаккумулятор (ГА) до давления примерно в 100 - 120 кг/см.кв.. После того, как давление наберётся, открывается гидроклапан (ЭК) и поток масла начинает вращать гидродвигатель (ГП), механически связанный с электрогенератором (ЭГ). Энергия выработанная генератором аккумулируется в супермаховике (СМ), серийно выпускающимся фирмой "Beacon Power" (Рис. 5). Таким образом генератор, работает циклически, на максимальной мощности. При этом время накопления энергии в гидроаккумиуляторе может варьировать в значительных пределах. Основной расход энергии приходится на утренние и вечерние часы. Накапливается же она непрерывно в течение суток.

 

 

Закономерный вопрос, а не проще ли раскручивать супермаховик непосредственно гидродвигателем? С энергетической точки зрения - это было бы наилучшим решением. К сожалению это невозможно, так как супермаховики герметичны и вакуумированы. Их разгон и отбор энергии осуществляется электрическим мотор-генератором. Безусловно, это несколько снижает КПД системы, но учитывая её дешевизну, неприхотливость в обслуживании и надёжность (супермаховики работают в течение 20 лет без капремонта) с этим приходится мириться. К тому же никто и ничто не мешает поставить два, три энергоблока и подключить их к одному гидроаккумулятору.

Фирма "Beacon Power" производит четыре типа супермаховиков, отличающихся по мощности. Для частных пользователей интересны два из них:

1. Gen 1 Telecom 1 - 2 KW;

2. Gen 2 Telecom 2 - 6 KW.

Как следует из их наименований, они развиваю мощность 1-2 и 2-6 киловатт соответственно. На максимальной нагрузке Gen 1 способен работать непрерывно в течение 6 часов, а Gen 2 в течение 12 часов. Полностью заряженные супермаховики способны сохранять накопленную энергию в течение нескольких месяцев. Что касается их стоимости, она снижается с каждым годом. На сегодняшний день она составляет приблизительно $300 за киловатт. Для обеспечения всех энергетических потребностей одной средней семьи (или одного крестьянского подворья) достаточно двухкиловаттного супермаховика и ветроустановки такой же мощности.

Проведём несложные расчёты. Стоимость ветроустановки мощностью в 2 киловатта составит 15 тысяч рублей. Стоимость супермаховика (с учётом растаможки) 15 тысяч. Итого получается 30 тысяч. Разделим эту цифру на весь срок эксплуатации. 20 лет по 12 получается 240 месяцев. Разделим 30000/240=125 рублей. Что характерно, как бы не менялись цены на электроэнергию, вас это волновать не будет. Ваши затраты на электричество составят всего 125 рублей в течение 20 лет!

Если у Вас возникли вопросы пишите мне на E-mail:  company@list.ru буду рад помочь. Не меняйте пожалуйста тему сообщения иначе мой сортировщик отправит ваше письмо в другую папку и я не смогу вам ответить.