Проектное исследование фирмы General Electric Company по созданию ветрогенераторов для энергосистем - Заключение по выполненному исследованию

Основная цель этого исследования состояла в том, чтобы оценить экономическую эффективность использования ВЭУ для производства электрической энергии в больших масштабах. В процессе выполнения программы были получены результаты касающиеся этого и более частных вопросов, технических подходов, альтернатив производственного характера.

Общие результаты сводятся к следующему.

Определяющее влияние на экономичность использования ветроэнергетических установок имеет среднегодовая скорость ветра на участке строительства. Значительное уменьшение стоимости ветроэнергетических установок получено при увеличении мощности до 500 кВт; ощутимое снижение стоимости ВЭУ является системой, оказывающей наибольшее влияние на стоимость ветроэнергетических установок.

Установлено, что вопросы, связанные с подключением ветроэнергетических установок к энергосистеме, не входят в число основных проблем. ВЭУ может устойчиво работать как при стабильных скоростях ветра, так и в условиях порывистого ветрового потока. Коэффициент использования установленной мощности может находиться в пределах 40-50 %.

Важность правильного выбора строительной площадки иллюстрируется рис. 16, на котором показан график зависимости стоимости вырабатываемой энергии от среднегодовой скорости ветра. Данные, представленные на этом рисунке, получены в результате оптимизации параметров ВЭУ для участков с различными среднегодовыми скоростями ветра по критерию минимума стоимости энергии: для построения графика на рис. 16 для каждой из рассмотренных среднегодовых скоростей ветра отобрана информация по ветроустановкам с минимальной стоимостью энергии. Следует отметить что представленный на рисунке график показывает главным образом тенденцию в изменении стоимости, а не ее абсолютный уровень. Преследовалась цель показать значительное снижение стоимости энергии с увеличением среднегодовой скорости ветра.

Рис. 16. Влияние среднегодовой скорости ветра V_T на стоимость энергии с_э, производимой ветроустановкой.

Следующее заключение вытекает из рассмотрения результатов, продолжается при увеличении мощности до 1500—2000 кВт. Стоимость энергии, вырабатываемой ВЭУ мощностью 1500 кВт на участке со среднегодовой скоростью ветра 8 м/с и ВЭУ мощностью 500 кВт на участке со среднегодовой скоростью ветра 5,4 м/с, определена на основе производства 100 установок соответственно в 1,57 и 4,04 цент/ (кВт-ч). Соответствующие капитальные вложения составляют 430 и 935долларов/кВт. Приведенные данные показывают тенденцию в изменении стоимости энергии от установленной мощности ветрогенератора для различных среднегодовых скоростей ветра.

При увеличении уровня мощности до 500 кВт имеет место резкое уменьшение стоимости энергии, обусловленное главным образом влиянием на экономические показатели размеров ВЭУ. При увеличении мощности выше 500 кВт наблюдается дальнейшее, хорошо прослеживаемое уменьшение стоимости энергии, однако оно происходит с меньшей скоростью. Это обусловлено увеличением затрат на систему передачи вращающего момента, вычисляемых как некоторое процентное отношение от общей стоимости ВЭУ. При переходе на высокие уровни мощности ветрогенератора возникает ограничение, связанное с тем, имеется ли в промышленном производстве оборудование для системы передачи вращающего момента. Это ограничение показано на рис. 17, данные которого также, следует рассматривать лишь как дающие представление о соответствующих тенденциях.

Рис. 17. Влияние среднегодовой скорости ветра V_г и установленной мощности ВЭУ Руст на стоимость вырабатываемой энергии:

1— линия ограничения по системе передачи вращающего момента.

Рис. 18. Зависимость стоимости энергии с_э, производимой ВЭУ, от диаметра ветроколеса D ВЭУ при разных среднегодовых скоростях ветра V_r:

Возможность проектирования экономически эффективных ветроэнергетических установок с мощностями более высокими, чем мощности соответствующие точкам, лежащим за пределами ограничивающей линии на рис. 17, затруднено также в связи с неопределенностью, связанной с проектированием ветроколеса. На рис. 18 представлены его оптимальные диаметры, соответствующие уровням мощности и стоимости, показанным на рис. 17. Данные построены для расстояния от концов лопастей при их нижнем положении до поверхности земли, равного 6,1 м.

Основное заключение, которое должно быть сделано исходя из рис. 18, состоит в том, что для получения ветроэнергетических установок с высоким уровнем мощности и низкой стоимостью требуются большие диаметры ветроколес, которые могут быть изготовлены лучше на базе использования техники, применяемой при производстве самолетных: винтов, нежели техники вертолетных винтов. Такой подход в проекте обеспечивает получение при более простой производственной технологии более легких и более надежных лопастей. Данные рис. 18 подтверждают также целесообразность выбора участков с более высокими среднегодовыми скоростями ветра.

Установлено, что стоимость ветроколеса составляет около 40 % общей стоимости ветроэнергетической установки. Поэтому проект должен быть направлен в первую очередь на уменьшение стоимости именно этого элемента. Основной причиной высокой стоимости ветроколеса является то, что оно должно быть спроектировано для любых условий, в том числе и редко повторяющихся, которые могут иметь место за время службы ветроэнергетической установки. Использование хорошо разработанной системы управления, способной обеспечить предотвращение разрушительного действия ветра на лопасти, может дать существенное уменьшение стоимости ветроколеса и вместе с дальнейшими усилиями в этой области привести к уменьшению доли его стоимости в общих затратах по ВЭУ.

Еще одно заключение, сделанное в результате исследования, состоит в том, что ветроэнергетические установки без существенных препятствий могут быть подключены к энергосистеме. Подключение осуществляется посредством линии напряжением 4,16 кВ через трансформатор. Флуктуации напряжения в пределах 3—5 % могут быть обеспечены ВЭУ как при стабильных, так и при резко-порывистых ветровых условиях. Синхронизация ветроэнергетических установок с энергосистемой в различных условиях была подробно исследована и может осуществляться обычным способом путем регулирования угла установки лопастей. В ВЭУ могут быть использованы как синхронный, так и асинхронный генераторы, однако синхронный генератор предпочтительнее, что обусловлено возможностью получить в этом случае большее значение cos φ. К тому же переходной процесс в синхронном генераторе легче поддается детальному анализу.

Результаты концептуальных проектов ветроэнергетических установок позволяют сделать следующие основные выводы. Оптимальная схема ВЭУ предполагает размещение оборудования системы передачи вращающего момента и генераторного оборудования на верху башни. Попытки разместить это оборудование на уровне земли натолкнулись на отсутствие в промышленном производстве подходящих гидравлических и механических передач требуемых типа и мощности. Потенциальный экономический эффект, связанный с размещением оборудования на уровне земли, является следствием меньших затрат на башню, на техническое обслуживание и на монтаж ветроэнергетической установки в целом.

Размещение ветроколеса в рабочем положении за башней является предпочтительным вследствие присущей этой схеме устойчивости к изменениям направления ветра. Важным является также то обстоятельство, что при такой схеме необходимо минимальное удаление ветроколеса от башни по условию обеспечения достаточного зазора между ней и лопастями с учетом их прогиба. Определено, что циклические нагрузки на ветроколесо, обусловленные касательными напряжениями от ветрового потока, значительно большие, чем циклические нагрузки, обусловленные экранирующим эффектом башни.

Были также рассмотрены ВЭУ с несколькими ветроколесами, расположенными на одной башне. При сравнении ветроэнергетических установок мощностью 100 кВт, имеющей одно ветроколесо, с ВЭУ такой же мощности, имеющей три ветроколеса на одной башне, установлено, что стоимость последней в 1,5 раза выше. Этот вывод может быть экстраполирован на большие уровни мощностей.

Режимы работы были оценены при рассмотрении ВЭУ, работающих с постоянной частотой вращения ветроколеса и с постоянной быстроходностью. Предпочтение было отдано первым, потому что они имеют меньшие нагрузки на башню и лопасти и более низкую стоимость системы передачи вращающего момента и генератора. Единственным преимуществом ветроэнергетических установок с постоянной быстроходностью является возможность некоторого увеличения выработки энергии (примерно на 3 %), однако выигрыш в выработке энергии не компенсирует более высоких капитальных вложений.

Рассмотрены ветрогенераторы с переменным углом установки лопастей и с фиксированной их установкой. Был выбран первый вариант вследствие лучшей характеристики быстродействия реакции ВЭУ на изменение ветровых условий.

Ветроколесо было выбрано по критерию минимума стоимости двухлопастным, которое сравнивалось с альтернативной системой, имеющей три лопасти. Техническая оправданность принятого решения подтверждена при проведении исследования по динамическому взаимодействию ветроколеса и башни и в условиях повышенной нагрузки. В результате экспериментов с разными типами крепления лопастей к втулке выбрана втулка с жестким креплением лопастей (относительно плоскости, перпендикулярной плоскости вращения ветроколеса). Она сравнивалась с втулкой, имеющей шарнирное крепление лопастей. Целесообразность выбора двухлопастной втулки с жестким креплением лопастей подтвердил в дальнейшем анализ динамического взаимодействия ветроколеса и башни.

Были выбраны лопасти типа самолетных винтов с волокнистым заполнителем как наиболее дешевые. Это решение позволяет применить эффективную технологию их изготовления, обеспечивает малую массу лопастей, минимальный требуемый объем технического обслуживания. Использование лопастей вертолетного типа с центром масс, расположенным на четверти длины хорды, не оправдано главным образом из-за высокой стоимости изготовления, большей массы и более высоких затрат на их техническое обслуживание. Вариант лопастей типа винтов самолета успешно демонстрировался в Европе Хюттером и оценен как имеющий наименьший конструкторский риск.

Башня. Было рассмотрено большое количество вариантов башен, включая башню ферменного типа, бетонную, трубчатую и сплошного сечения. Варианты башен ферменного типа и бетонной соответствуют наименьшей стоимости, причем ферма имеет некоторое преимущество в отношении ожидаемой стоимости, в то время как бетонная башня обладает большей эстетичностью.

Системы передачи вращающего момента рассмотрены следующие: механические, гидравлические и электрические. Механические варианты системы, включающие такие элементы, как редуктор, ременную и цепную передачи или их сочетания, были оценены в отношении экономической эффективности. Предпочтение отдана системе с редуктором из-за его упрощенного технического обслуживания.

Генератор выбран синхронный вследствие более высокого значения cos φ, чем у асинхронного генератора, а также потому, что он легче поддается анализу.

Система управления имеет в качестве управляющего органа микро-ЭВМ. Она позволяет экономично управлять многими режимными ситуациями. Особое внимание уделено разработке системы управления, что позволяет уменьшить проектные требования к другим компонентам ВЭУ.

Результаты предварительных проектов. На основе использования отобранных вариантов систем и результатов решения задачи по выбору оптимальных параметров разработаны проекты ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт, предназначенных для работы на участках со среднегодовой скоростью ветра соответственно 5,4 и 8 м/с. Основные данные предварительных проектов изложены ниже.

Экономические показатели были оценены исходя из производства 100 установок и включают накладные расходы контрактов и выплату гонораров. Стоимость ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт составляет соответственно около 467 и 644 тыс. долл., или 935 и 430 долларов/кВт, а стоимость энергии — 4,04 и 1,57 цент/(кВт-ч).

Метод строительства ветрогенератора может оказывать значительное влияние на ее стоимость в целом. Доставка оборудования и производство работ включают следующие этапы: доставка ветроколеса непосредственно на строительную площадку, возведение башни местным подрядчиком, монтаж и наладочные испытания головки с оборудованием в заводских условиях, доставка на строительную площадку головки, установка на башню ее и ветроколеса.

Различные варианты этих операций зависят от размеров ВЭУ месторасположения строительного участка и его условий.

Динамическое взаимодействие ветроколеса и башни оказывает влияние на их стоимость, которая может быть минимизирована путем совместного анализа этих двух основных систем. Правильный выбор рабочей частоты вращения ветроколеса и частоты собственных колебаний ветроколеса и башни может обеспечить при меньшей стоимости большую надежность в результате уменьшения массы и требований по прочности. Система ветроколесо — башня должна быть динамически настроена так, чтобы обеспечить наибольшую эффективность. Это потребовало для каждого из этих вариантов выполнить оценку выработки энергии и капитальных вложений (табл. 2 и 3). Анализ показывает, что наихудшим является вариант 5, который был рассмотрен несмотря на то, что ранее была показана его малая перспективность из-за наибольших массы и стоимости, а также большего конструкторского риска.

Таблица 1. Суммарная стоимость башен, долларов.*

* В числителе — для ВЭУ мощностью 100 кВт, в знаменателе—1000 кВт.

Варианты 1 и 3 различаются в основном методом регулирования вращающего момента ветроколеса: по первому оно осуществляется посредством изменения угла установки лопастей или поворота регулируемых закрылков-стабилизаторов, по третьему — посредством использования тормозных закрылков-клапанов.

Таблица 2. Масса ВЭУ, кг*

В числителе — для ВЭУ мощностью 100 кВт, в знаменателе —1 000 кВт.

Таблица 5.5. Стоимость ветроэнергетической установки, долларов.*

* В числителе — для ВЭУ мощностью 100 кВт, в знаменателе— 1000 кВт.

Вариант 3 обладает некоторыми преимуществами по массе и стоимости, однако эти преимущества сводятся к нулю по техническим соображениям. Даже без учета подшипников тормозных закрылков механизм их поворота и система управления являются по сложности такими же, как в случае использования регулируемых закрылков. Ветроколесо с фиксированной установкой лопастей создает трудноразрешимую проблему пуска ВЭУ при низких скоростях ветра и ее останова при высоких скоростях. В этом случае, вероятно, требуются какие-либо дополнительные устройства для решения указанных проблем. Такое ветроколесо к тому же работает, как правило, с более высокой осевой нагрузкой, что требует усиления всей конструкции.

Наконец, следует отметить, что ветроколесо с фиксированной установкой лопастей должно часто работать в вихревом кольцевом поле, т. е. в аэродинамически неустойчивом режиме, на котором возможны большие колебания осевых нагрузок. Эти нагрузки чрезвычайно трудно предсказать, и они могут быть причиной возникновения серьезных проблем.

Указанные технические трудности приводят к тому, что риски при разработке ветроколеса с переменной частотой вращения значительно выше, чем при разработке ветроколеса с постоянной частотой вращения, причем без какой-либо компенсации в части повышения экономической эффективности. Поэтому окончательный выбор совершенно однозначно падает на вариант 1 с ветроколесом, имеющим изменяемый угол установки лопастей и постоянную частоту вращения и приводящим во вращение синхронный генератор через редуктор с постоянным передаточным отношением. В качестве опорной конструкции ВЭУ для дальнейшей разработки выбрана стальная ферменная башня. Низкая стоимость, большая доступность, легкость модификации и низкий конструкторский риск сделали целесообразность этого вывода очевидным.

Математическая модель ветроэнергетической установки и внешних воздействий на нее разработана в соответствии с общими требованиями решаемой задачи. В целом модель описывает связи характеристик внешней среды (например, среднегодовой скорости ветра, градиента скорости по высоте и др.) с характеристиками ветроколеса (диаметром, окружной скоростью концов лопастей, длиной хорды и др.), механизмов привода (числом ступеней), генераторного оборудования (частотой вращения, КПД) и опорной конструкции, обеспечивающими получение заданной установленной мощности. Модель дает на выходе массу установки, стоимость компонентов и экономические показатели ВЭУ, требуемые для ее оценки (стоимость энергии, капитальные вложения и коэффициент использования установленной мощности).