Основными системами ветроустановок являются ветроколесо, башня, система передачи вращающего момента, электрическая система и система управления. Ниже дается краткое описание этих систем, чтобы показать определенный в исследовании уровень техники, необходимый для создания экономически эффективных ВЭУ.
Механизмы передачи вращающего момента и генератор являются оборудованием, производимым промышленностью. Поэтому не требуется осуществления каких-либо связанных с ними специальных конструкторских и технологических разработок.
Конструкции бетонной и стальной ферменной башни с требуемой высотой около 50 м также хорошо освоены. Задача, связанная с их применением, состоит в том, чтобы на основе критерия минимума стоимости определить требования к конструкции, вытекающие из динамических и статических нагрузок, возникающих при работе ветроустановок.
В системе управления ветроустановок использованы микро-ЭВМ, на базе которых построены управляющие устройства, имеющие в настоящее время широкое применение. Использование в ВЭУ микро-ЭВМ не требует дополнительных технических разработок, что является важным положительным моментом с позиции крупномасштабного развития ветроэнергетики.
Проект ветроколеса основывается на хорошо отработанной технологии производства винтов самолетов и вертолетов. Поэтому для анализа ветроколеса с конструктивной и динамической точек зрения могут быть использованы соответствующие методы, применяемые в авиационной технике, надежность которых подтверждена имеющимися данными по большим металлическим конструкциям. Техника изготовления изделий из волокнистого материала также хорошо разработана.
Таким образом, состояние подготовленности в части проектирования и изготовления ветроколеса оценивается по тому, насколько ранее разработанные конструкции ветроколес соответствуют тем диаметрам, которые необходимы для экономически эффективных ветроустановок. Хотя факторы конструкторского риска не следует игнорировать, надо иметь в виду, что в данном случае этот риск невелик, что обусловлено глубокими прикладными исследованиями, выполняемыми в процессе проектирования ВЭУ.
Ветроколесо. Эффективный диаметр ветроколеса для ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт равен соответственно 55,8 и 57,9 м. Для того чтобы компенсировать уменьшение диаметра ветроколеса вследствие прогиба лопастей, их длина для ВЭУ указанных мощностей принята такой, чтобы диаметр ветроколеса был равным соответственно 56,4 и 58,7 м. Удлинение лопасти (отношение ее длины к средней длине хорды) одинаково для обеих ВЭУ.
Лопасти ветроколеса выполняются в виде лонжеронной конструкции с обшивкой, заполненной волокнистым материалом. Такая конструкция выбрана для того, чтобы обеспечить необходимую жесткость при наименьшей стоимости. По проекту лопасти состоят из секций, соединенных в центральной части с помощью болтов. Использование лопастей, состоящих из соединенных болтовых секций, вызвано возможностью получить в этом случае низкую стоимость транспортирования и механической обработки конструкции при сохранении требуемой надежности ее работы.
Специфической характеристикой ветроколеса является способ крепления лопастей к втулке. Очевидно, что для достижения расчетной аэродинамической характеристики требуется втулка с жестким и прочным креплением лопастей.
Третий основной компонент ветроколеса — это механизм изменения угла установки лопастей φ, который является решающим для обеспечения устойчивой работы и надежности всей установки. В нормальных условиях эксплуатации изменение угла φ требуется при пуске, синхронизации и останове ветроустановок. Отказ системы изменения угла φ в процессе работы ВЭУ при скорости ветра выше расчетной может привести к перегрузкам лопастей и недопустимо большой частоте вращения ветроколеса.
Принципиальные особенности механизма изменения угла φ состоят в следующем:
не требуется затрат энергии для обеспечения условия φ = = const;
механизм регулирования углов располагает избыточной мощностью, необходимой для возможности поворота лопастей относительно их продольных осей в случае заедания, которое может быть вызвано, например, обледенением в зоне подшипников лопастей;
пружинное тормозное устройство, служащее для увеличения угла φ, автоматически переводит лопасти во флюгерное положение, если перестанет поступать входной сигнал от системы управления;
сигнал обратной связи, предназначенный для определения фактического угла φ, является общим исполнительные механизмы изменения угла φ, расположенные на конце втулки, представляют собой унифицированные промышленные изделия. Благодаря этому стоимость основного оборудования и его обеспечение находятся в соответствии с общими задачами создания ВЭУ.
Башня. На стадии предварительного проектирования были составлены проекты как металлической башни ферменного типа, так и бетонной башни. Проект бетонной башни обеспечивает меньшую стоимость и большую эстетичность, стальная ферменная башня имеет преимущества в части возможности ее сооружения при умеренной стоимости на площадках с плохими грунтами и дает меньшее экранирование ветроколеса.
При расчете башни предполагается действие на нее постоянной циклической нагрузки в расчетных ветровых условиях, импульсной нагрузки, вызываемой мгновенным удвоением расчетной скорости ветра, и нагрузки от действия ветра со скоростью 54 м/с. Подробно исследован в проекте эффект динамического взаимодействия ветроколеса и башни. Аналитическое исследование, выполненное по этому вопросу, показало, что определенные экономические преимущества могут быть получены путем настройки системы ветроколесо—башня таким образом, чтобы свести к минимуму динамические нагрузки на систему. Оценка экранирующего эффекта башни была также включена в программу исследования. Он оказывает ощутимое влияние на проекты башен, особенно в отношении их динамики, так как именно форма башни во многом определяет характер взаимодействия и возникающие силы.
Для бетонных башен, разработанных в предварительном проекте, предусматривается использование армированного бетона. Они представляют собой кольцевую конструкцию, что обеспечивает низкую стоимость проекта (рис. 14, а, б). Вследствие небольшой разницы в диаметре ветроколес двух рассматриваемых ВЭУ высота обеих башен принята одинаковой и равной 42,7 м.
Рис. 14. Проектные размеры башни ветроустановок:
а, б — из армированного бетона соответственно для ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт; в — ферменного типа для ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт (размеры даны в метрах, в скобках показаны внутренние размеры бетонных башен).
Использование башен с тонкими стенками позволяет получить экономию в материалах и обеспечивает удобный контроль за конструкцией в процессе ее сооружения. Бетонные башни выполнены из 10 секций (каждая высотой 4,27 м) с таким расчетом, чтобы оставить внутри пространство для сооружения грузоподъемного
лифта с соблюдением ограничений по технике безопасности. Конструкция из сборных секций была выбрана на основе предварительных оценок экономических показателей как альтернатива конструкции, возводимой методом скользящей опалубки с последовательной укладкой бетона.
Изготовление сборных секций может быть осуществлено в заводских условиях, непосредственно на строительной площадке или в другом пункте в зависимости от места расположения площадки, транспортных условий, наличия материалов и местных трудовых ресурсов.
На рис. 14, в показана конструктивная схема проекта ферменной башни. Все элементы спецификации ферменных башен для ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт представляют собой изделия промышленного производства. Для главных опорных элементов и нижних секций используются в основном более прочные стали, а для верхних секций и большинства раскосов — стали с более низкими показателями прочности.
Применение конструкции с болтовыми соединениями и сведение к минимуму сварных соединений преследуют цель использовать технологию изготовления опор линий электропередачи высокого напряжения, которая хорошо разработана. Однако башни ВЭУ нагружены больше и не всегда имеется возможность для выбора элементов наиболее подходящего типа; для некоторых элементов, исходя из их нагруженности, требуется двутавровое сечение. Поскольку не всегда удобно использование простых болтовых соединений, потребуется выполнить некоторый объем сварных работ. Следует также отметить, что предлагается осуществлять оцинковку стальных башен, что требует затрат в размере от 3 до 5 тыс. долларов каждые 7—10 лет.
Как и при технологии изготовления опор линий электропередачи высокого напряжения, наиболее эффективным строительным методом представляется метод, который предполагает подготовку элементов на специализированном пункте, их транспортировку на строительную площадку, сборку секций на земле и их последующую установку с помощью подъемного крана. Как и при использовании сборного бетона, в данном случае элементы конструкции, расположенные в верхней части, могут иметь меньшую массу. Последующая доработка проектов может также привести к изменению высоты секции, которая принята сейчас равной 6,10 м.
Обе башни ферменного типа имеют одинаковые габариты, что является их положительной отличительной особенностью. Идея состоит в том, чтобы иметь как можно больше одинаковых элементов и использовать преимущества, получаемые в этом случае при сооружении большого количества башен: одни и те же точки на кривой удешевления продукции могут быть достигнуты более быстро. Как и при установке опор линий электропередачи, будут использованы фундаменты глубокого заложения.
Рис. 15. Механическая система передачи вращающего момента:
1 — муфта, соединяющая главный вал со втулкой; 2 — радиальный подшипник; 3 — главный вал; 4 — радиально-упорный подшипник; 5 — упругая муфта, соединяющая главный вал с редуктором; 6 — гидравлический дисковый тормоз; 7 — повышающий редуктор; 8 — упругая муфта, соединяющая редуктор с генератором.
Система передачи вращающего момента показана на рис. 15. Принципиальные особенности проекта этой системы состоят следующем: все ее компоненты находятся в промышленном производстве; коэффициент перегрузки, равный 1,4, принят для всех компонентов системы; обеспечено удобство эксплуатации и технического обслуживания; система хорошо работает при несоосности валов в допустимых пределах и выдерживает тормозную нагрузку.
Вращающий момент передается с втулки ветроколеса на редуктор с помощью главного вала. У ВЭУ мощностью 1500 кВт в его внутренний диаметр равен 229 мм, наружный — 381 мм. Соответствующие диаметры главного вала ВЭУ мощностью 500 кВт составляют 203 и 343 мм. Главный вал установлен на радиальном подшипнике со стороны ветроколеса и радиально-упорном — со стороны редуктора. Упругие муфты соединяют главный вал с тихоходным входным валом редуктора. Указанная компоновка и то обстоятельство, что ветроколесо может независимо поддерживаться поворотной платформой, позволяют при необходимости осуществить техническое обслуживание и полный демонтаж вала, подшипников и узлов соединений, не затрагивая ветроколесо и другие подсистемы.
Редуктор трехступенчатый и расположен так, что быстроходная шестерня последней ступени находится в его верхней части. В связи с тем что эта шестерня будет подвержена наибольшему износу, она расположена в наиболее доступном месте. Выходной вал редуктора присоединен к валу генератора с помощью другой упругой муфты, чтобы компенсировать возможную несоосность валов.
Гидравлический тормоз, расположенный на выходном валу редуктора, обеспечивает возможность аварийного останова ветроколеса в случае отключения сети или отказа в работе механизма изменения угла установки лопастей.
Электрическая система. Основными элементами электрической системы являются генератор, главный сетевой выключатель, двигатель-генераторная установка аварийного электроснабжения, автоматический разъединитель, два силовых трансформатора (вспомогательный и аварийный) для питания системы управления, заземляющий резистор, воздушно-кондиционерное оборудование отопления и вентиляции, устройства грозозащиты, измерительные трансформаторы напряжения и тока, комплекс контакторов малой мощности и реле, а также силовые кабели и кабели связи.
Кроме того, электрическая система включает оборудование, необходимое для контроля за температурой механизмов, установленных в поворотной головке, и для поддержания требуемых условий внутри здания, смонтированного у основания башни.
В здании размещено оборудование электрической системы, кроме генератора, возбудителя и устройств грозозащиты ветроустановки. Здание защищает оборудование от воздействия окружающей среды. Электрическое оборудование, которое находится на верху башни, включая приводные двигатели для поворота лопастей, привод механизма ориентации и гидравлику, заключено в металлические кожухи, вследствие чего при ударе молнии в любую верхнюю часть ветроустановки ток будет отводиться через башню в землю.
Задача разработок состоит в том, чтобы обеспечить питание системы управления механизмами изменения угла φ и автоматической ориентации относительно направления ветра и выполнения защитных функций даже тогда, когда скорость ветра либо недостаточна, либо слишком высока для генерирования энергии установкой. В случае когда питание системы управления прерывается, производится автоматический пуск двигатель-генераторной установки и силовые кабели системы управления переключаются на аварийное питание. В течение всего времени, пока система управления обеспечивается энергией, ветроустановка работает автономно; при возникновении ненормальных условий будут работать устройства самозащиты. При необходимости автоматически будет подан аварийный сигнал в удаленный центр управления и система по запросам будет выдавать информацию о состоянии ВЭУ. Логика действий, предусмотренная для этого случая, заложена в микро-ЭВМ. Сведения о приемной и передающей схеме, связанной с этой микро-ЭВМ, представлены в разделе о системе управления. Статический источник постоянного тока подает питание, для того чтобы работа логической схемы была возможна, когда электроснабжение системы управления прервано. Отдельная батарея предусмотрена для пуска ВЭУ в аварийных ситуациях без питания системы управления.
Все основные электрические потребители ветроустановки защищены автоматическими выключателями, которые имеют время срабатывания, обратно пропорциональное значению возможных сверхтоков в соответствующих точках схемы. Характеристики схемы защиты
выбраны такими, что при токовых перегрузках первыми срабатывают выключатели, расположенные по схеме ближе всего к нагрузке. Защита выполнена таким образом, что аварийная ситуация на генераторе не будет распространена дальше главного выключателя.
Для генераторов малой мощности (500—1000 кВт) стандартные устройства защиты экономически не эффективны. Обычно выполняется защита от сверхтоков, перехода генератора в двигательный режим, его перегрева и для предотвращения выхода из работы трансформатора. С использованием микро-ЭВМ и измерительного трансформатора можно разработать алгоритмы, позволяющие решать эти задачи без применения устройств релейной защиты. Синхронизация, определение замыкания на землю и получение информации о нагреве ротора генератора, вызываемого неодинаковостью нагрузок по фазам, могут быть также обеспечены путем небольшого добавления в .электрическую схему ВЭУ соответствующей аппаратуры.
Для подключения ВЭУ к энергосистеме использован один выключатель с отключающей мощностью 350 MB-А. Питание системы управления осуществляется с помощью вспомогательного трансформатора, подключаемого к линии с помощью выключателя до выключающих контакторов. Вспомогательный трансформатор имеет плавкую вставку, рассчитанную на номинальную нагрузку 10 кВ-А и мощность прерывания цепи 350 MB-А. Когда этот трансформатор не питает систему управления, сетью энергосистемы обеспечивается только его ток намагничивания.
Система управления состоит из оборудования, необходимого для управления изменением угла установки лопастей, положением оси ветроколеса в горизонтальной плоскости и работой генератора. Она включает также контрольно-измерительное оборудование, необходимое для определения параметров ветра, вращающего момента, температуры, давления, электрической мощности и других данных, которые являются важными для нормального функционирования ВЭУ и регистрации этих данных для передачи наиболее важной информации в центр управления, удаленный от ВЭУ. Система управления состоит также из оборудования, необходимого для управления ветроустановки при ее техническом обслуживании.
К системе управления относятся все необходимые для выполнения управляющих функций компоненты, за исключением тех, которые являются составными частями основных систем ВЭУ. Например, механизм изменения угла установки лопастей является элементом ветроколеса, приводной двигатель ориентации головки ветроустановки — элементом поворотного узла башни, тормоз ветроколеса и масляный радиатор системы передачи вращающего момента — элементом редуктора.
Вся контрольно-измерительная аппаратура и электроника, размещение которых не требуется на верху ветроустановки, располагаются в здании у основания башни. Управление работой логической схемы обеспечивает микро-ЭВМ. Для выполнения управляющих функций, связанных с операциями включения и отключения, выходные сигналы микро-ЭВМ записываются в память и усиливаются для приведения в действие реле и контакторов, которые подают напряжение на приводы механизмов в течение всего времени, пока поступает управляющий сигнал. Для программ, осуществляющих управление по производной, выходные сигналы декодируются по скорости их изменения во времени и подаются на схему с тиристором, которая питает переменным током приводные двигатели механизмов, управляемых по производной сигнала.
Выходные сигналы микро-ЭВМ о состоянии ВЭУ и сигналы, соответствующие результатам вычислений, выдаются в форме, позволяющей использовать их для передачи с помощью арендованной телефонной линии связи. ЭВМ формирует также кодовый сигнал для телефонного вызывающего устройства, которое будет автоматически набирать определенный телефонный номер, когда по условиям необходимо внешнее вмешательство в процесс работы ветроустановки. Информация может быть также получена путем набора номера телефона, расположенного в здании БЭС, в виде модулированных звуковых сигналов или путем подключения телефонного аппарата к телетайпу. Если потребуется какая-либо информация, то дежурный может с удаленного центра управления подавать команды и делать запросы с целью определить состояние ВЭУ и текущий режим работы. Бригада технического обслуживания, прибывшая на место расположения ветроустановки, может подключить портативный телетайп к микро-ЭВМ и таким способом делать запросы и получать дополнительную информацию о состоянии ветроустановки.
Входы и выходы микро-ЭВМ изолированы друг от друга путем использования оптической связи с высоким сопротивлением и другой техники, подключенной к устройствам сбора информации так, чтобы обеспечить защиту электронной аппаратуры от перехода высокого напряжения в результате переходных процессов при мощных коммутационных операциях и при ударе молнии. Надежность управления обеспечивается наличием двух микро-ЭВМ, каждая из которых имеет программу для управления ВЭУ в аварийных ситуациях. Функции управления, не связанные с аварийными ситуациями, распределены между микро-ЭВМ. При маловероятном случае, когда одна из микро-ЭВМ выйдет из строя, временно будет потеряна возможность правильного выполнения только половины функций, не связанных с аварийными ситуациями.
Источник постоянного тока обеспечивает питание, достаточное для работы электронных схем, осуществляющих сбор информации, и микро-ЭВМ даже в том случае, если временно исчезнет питающее напряжение от сети энергосистемы. В этих обстоятельствах логическая схема микро-ЭВМ переведет систему на режим с питанием от резервного двигатель-генератора, что является временной мерой для сохранения управления ветроэнергетическими установками и возможности передачи информации о сложившемся положении в удаленный центр управления.