Не крутятся лопасти ветрогенератора

Принцип работы ветрогенератора

В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно представить следующим образом.

Сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток. Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора.

Принцип работы

Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти.

Схема работы ветрогенератора: показан принцип преобразования энергии ветра и действия внутренних механизмов

Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором. Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках. Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать.

Принципиальная схема ветрогенератора

Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки. Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства дома, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию. Принцип действия ветрогенераторов позволяет применять их в таких вариантах:

• для автономной работы;
• параллельно с резервным аккумулятором;
• вместе с солнечными батареями;
• параллельно с дизельным или бензиновым генератором.

Если поток воздуха движется со скоростью 45 км/час, турбина вырабатывает 400 Вт электроэнергии. Этого хватает для освещения дачного участка. Данную мощность можно накапливать, собирая её в аккумуляторе.

Специальное устройство управляет зарядкой аккумуляторной батареи. По мере уменьшения заряда вращение лопастей замедляется. При полной разрядке батареи лопасти снова начинают вращаться. Таким способом зарядка поддерживается на определённом уровне. Чем сильнее воздушный поток, тем больше электроэнергии может произвести турбина.

Система торможения вращения лопастей

Чтобы установка не вышла из строя при сильном напоре воздуха, она снабжена специальной системой торможения. Если раньше движущиеся магниты индуцировали ток в обмотках, то теперь данная сила используется для остановки вращающихся магнитов. Для этого создается короткое замыкание, при котором замедляется движение ротора. Возникающее противодействие замедляет вращение магнитов.

Конструкция ветрогенератора и узлов

При ветре больше 50 км/час тормоза автоматически замедляют вращение ротора. Если скорость движения воздуха доходит до 80 км/час, тормозная система полностью останавливает лопасти. Все части турбины сконструированы так, чтобы максимально использовалась воздушная энергия. Когда ветер дует, лопасти вращаются, и генератор преобразует их движение в электричество. Совершая двойное преобразование энергии, турбина производит электричество из обычного перемещения воздушных масс.

Внешне ветрогенератор напоминает флюгер — направлен в ту сторону, откуда дует ветер

Данное устройство весьма полезно не только в каких-то экстремальных условиях, но и в обычной повседневной жизни. Довольно часто системы ветрогенераторов применяются на дачах или в тех населенных пунктах, где регулярно бывают перебои с подачей электроэнергии. Самостоятельно сделанный автономный источник электричества имеет такие преимущества:

• установка экологически чистая;
• отсутствует потребность её заправки топливом;
• не накапливаются какие-либо отходы;
• устройство работает очень тихо;
• имеет большой срок эксплуатации.

Все ветрогенераторы работают по одинаковой схеме. Сначала полученное от давления ветра переменное напряжение преобразуется в постоянный ток. Благодаря этому заряжается аккумулятор. Затем инвертором снова производится переменный ток. Это нужно для того, чтобы светились лампочки; работал холодильник, телевизор и т. д. Благодаря аккумуляторной батарее, можно пользоваться электроприборами в безветренную погоду. Кроме того, во время сильных порывов ветра напряжение в сети остаётся стабильным.

Увеличение мощности установки

Конструкцию некоторых ветрогенераторов имеет ветровой датчик. Он собирает данные о направлении и скорости воздушного потока. Генератор ветряка не может выдать больше номинальной мощности, однако, в любое оборудование заложен запас он может составлять от 10-30% от расчетных. На этот «запас» рассчитывать не стоит, так как программно и конструктивно в ветрогенератор заложена защита от перегрузок.

Увеличить мощность ветроустановки можно с помощью системы резервирования электроэнергии на базе аккумуляторных батарей.

Выходная мощность (кВт) ветрогенератора определяется мощностью инвертора. Исходя из выдаваемых киловатт, можно определиться с максимальным количеством подключаемых электроприборов. Чтобы увеличить выходную мощность установки, необходимо параллельно подключить несколько инверторов.

Для трехфазных схемы электропитания необходимо установить по инвертору на каждую фазу.

Если мощности на фазе недостаточно, увеличивают количество инверторов, если это предусмотрено производителем. При отсутствии ветра продолжительность подачи электроэнергии прекращается. Генерации энергии не происходит, поэтому к ветрогенератору подключают накопители энергии, смотрите схему ниже.

Схема увеличения мощности и емкости ветрогенератора

Накопитель энергии состоит из связки инвертор-батарея. О батареях вы можете прочитать в этой рубрике, а о накопителях в этой. Увеличение ёмкости аккумуляторных батарей увеличивает запас хранимой энергии, но и длительность зарядки. Скорость зарядки аккумулятора зависит от мощности генератора и количества инверторов, которые тоже могут пропустить через себя только ту мощность, которая заложена производителем. Соответственно, скорость зарядки аккумуляторов зависит от пропускной способности инвертора и не зависит от мощности ветрогенератора.

Выбор ветрогенератора

Самые качественные ветряки производят в Германии, Франции и Дании. Эти страны делают ветровые установки для снабжения электричеством жилого частного сектора, фермерских хозяйств, школ, небольших торговых точек. В России из-за низкой стоимости электроэнергии и негласной монополии на продажу электроэнергии ветроустановки, солнечные панели и другие виды альтернативной энергии не сильно распространены.

Мобильный ветрогенератор подойдет для нефтепромышленности или монтажных бригад, которые ведут строительство в полях (прототип)

Но высокая стоимость подключения удаленных объектов от электросетей (есть до сих пор не электрифицированные деревни), хамство чиновников, длительные процедуры хождения и получения ТУ у монопольных компаний вынуждают собственников использовать альтернативную энергию своих объектов.

Прежде все вы должны понимать, что КПД ветровой установки составляет около 60%, есть зависимость от скорости ветра, и потребуется периодически проводить ТО. Если вы все-таки решили сделать выбор в пользу ветрогенератора, следует знать. Выбирать ветрогенератор нужно исходя из конкретных обстоятельств его применения. Существуют новые разработки и модели: с повышенным КПД, вертикальные, горизонтальные, ортогональные, безлопастные.

Подсчитывается активная и резистивная мощность всех потребителей энергии.

Для предприятий или частного дома эти данные могут быть в проекте или счетах за электроэнергию. Если вам необходимо обеспечить электроэнергией дачу выбирается модель ветроустановки на 1-3 кВт, инвертор нужно небольшой мощности и можно обойтись без аккумуляторных батарей. Принцип наличия дачной ветроустановки прост: есть ветер — есть электричество, нет ветра — работаем в огороде или по хозяйству. Простой ветрогенератор можно сделать самому, достаточно собрать необходимые материалы и соединить их вместе.

Для частного дома постоянного проживания, такой принцип не подойдет. При частом отсутствии ветра следует придать особое значение аккумулятору. Здесь нужна большая ёмкость. Однако, чтобы он быстрее заряжался, сам генератор электричества также должен быть большой мощности. То есть отдельные узлы установки тесно взаимосвязаны друг с другом. Более надежная комбинация — симбиоз с дизель-генератором и солнечными панелями. Это 100% гарантия наличия электричества в доме, но и более дорогая.

При наличии скважины вы будете полностью энергонезависимые от внешних сетей.

Сейчас большое распространение получили коммерческие ветровые установки. Получаемая с их помощью электроэнергия продается различным предприятиям, испытывающим недостаток в энергоснабжении. Обычно такие электростанции состоят из нескольких ветрогенераторов различной мощности. Вырабатываемое ими переменное напряжение в 380 вольт подается непосредственно в электросеть предприятия. Кроме того, ветрогенераторы могут использоваться для зарядки большого числа аккумуляторных батарей, с которых потом преобразованная в переменное напряжение энергия также подается в электрическую сеть.

Ветрогенераторы российского производства

В большинстве случаев владельцы предприятий ставят ветроустановки, солнечные панели и дизель-генераторы для нужд собственного производства. Получение разрешение на продажу электричества в России — это, скажем так, отдельная история. После проведения энергоаудита, высвобождаются мощности, например, путем замены ламп освещения на светодиодные. Подсчитывается срок окупаемости, при отсутствии бюджета можно разделить модернизацию на этапы.

Технологии развиваются. Создаются энергонезависимые дома, офисы, станции на земле и воде. Наша команда инженеров поможет вам с выбором, расчетом, проектом и монтажом оборудования. Готовы ответить на ваши вопросы в комментариях или через форму.

Источник

Тормоз ветрогенератора: варианты конструкций тормозных систем ветряных турбин

Главная страница » Тормоз ветрогенератора: варианты конструкций тормозных систем ветряных турбин

Наращивание мощности ветряных турбин неизбежно сопровождается наращиванием размеров конструкций. Количество полезной энергии, извлекаемой турбиной из энергии ветра, пропорционально общей площади, обметаемой лопастями рабочего колеса. Однако увеличение размеров ветряных турбин приводит к росту нагрузки на соответствующие компоненты передачи механической энергии в целом и на тормозную систему в частности. Рассмотрим тормоз ветрогенератора как систему, благодаря которой осуществляется надёжная работа установок чистой энергетики.

Особенности работы тормозной системы ветряной турбины

Тормозная система ветряных турбин работает на более высоких циклах, при более высоких нагрузках и требует высокой степени надёжности по сравнению с обычным заводским оборудованием. Тормоза ветрогенераторов должны срабатывать автоматически, учитывая автономную работу турбин.

Как правило, ветряные турбины монтируются и действуют на удалении от сервиса управления, что делает доступ к техническому обслуживанию сложным и дорогостоящим. Соответственно, установки должны надежно работать в самых сложных условиях окружающей среды — часто в условиях экстремальной влажности и температуры.

По сути, ветряные турбины должны обеспечивать абсолютную надёжность, будучи установленными в самых разных местах эксплуатации:

• морские участки,
• химически грязная атмосфера,
• пустыни с пылевыми бурями и т.п.

Значимую роль в достижении высокой степени надёжности ветряных турбин играют тормоза, являясь ключевыми элементами ветрогенераторов. Независимо от размера установки, для конструкции ветровой турбины требуются:

• роторные тормоза,
• тормозное управление рысканием,
• тормоза шага лопастей.

Все эти системы характеризуются конкретными конструктивными соображениями.

Конструктивные соображения по тормозным системам ветрогенераторов

Роторные тормозные системы ветрогенераторов контролируют превышение скорости, обеспечивают парковку и экстренное торможение. Практически все роторные тормоза ветряных турбин имеют отказоустойчивую, пружинную, гидравлическим способом освобождаемую конструкцию.

Так выглядит один из многих вариантов конструкций тормозной системы гидравлического действия, применяемой в составе ветрогенераторных установок

Такого рода тормозные системы содержат мощные пружины, которые непосредственно или через независимо установленное регулирующее устройство прикладывают усилие на прижим каждой тормозной накладки к диску. Приложенный тормоз отпускается путём сжатия пружин гидравликой высокого давления.

Роторные тормозные системы ветряных генераторов допускают установку:

1. На валу тихоходного ротора.
2. На валу высокоскоростного генератора.
3. На обоих валах.

Медленное торможение вала ветряной турбины является относительно простым моментом в техническом смысле, учитывая, что дисковый тормоз, имеющий фрикционную накладку большой площади, легко разместить. Но применение ветряных турбин зачастую требует тормозного момента крайне высокого уровня.

Таким образом, в целом, наиболее рентабельное положение для тормоза следует рассматривать на высокоскоростном валу между коробкой передач и генератором. Это область, где высокое передаточное число редуктора создаёт значительное снижение выходного крутящего момента.

Однако размещение тормоза на высокоскоростном валу приводит к созданию условий работы в более ограниченном пространстве. Энергию необходимо рассеивать равномерно в области действия тормоза, то есть общая площадь соединения должна быть одинаковой. Кроме того, площадь тормозной колодки должна быть достаточной для отвода тепла, выделяющегося при торможении, особенно в моменты аварийных остановок.

Скорость и доступное пространство быстро становятся ограничивающими факторами в отношении максимального диаметра диска ветряной турбины, влияя на выбор тормозной системы.

Фактор повреждения механических элементов ветрогенераторов

Еще одним соображением относительно положения тормоза в конструкции ветряной турбины является возможность повреждения зубьев шестерни. Если на выходном валу редуктора установлены тормоза, а турбина неподвижна, в таком случае порывы ветра способны вызвать движение ротора в зазоре входного и выходного зубчатых колёс.

Так выглядит одна из многих систем торможения механического действия, прототипы которой также используются достаточно часто в составе ветрогенераторов

Без принудительной смазки между сопряженными зубцами этот эффект способен в конечном итоге привести к истиранию и повреждению дорогостоящей системы зубчатой передачи. Уровень тормозного момента для роторных тормозов является критически важным фактором, который необходимо рассчитывать на начальных этапах проектирования тормоза.

Максимально допустимый тормозной момент на валу ротора обычно определяется лопастями или креплением к входному валу редуктора. С другой стороны, высокоскоростное торможение вала обычно связано с максимально допустимой нагрузкой на зубчатое колесо.

Также существует минимальный уровень тормозного момента, ниже которого переменный характер сил трения при различных условиях работы ротора турбины приводит к техническим рискам.

Поэтому важно обеспечить адекватное окно безопасности или фактор обслуживания, чтобы гарантировать, что тормозная система ветряной турбины всегда будет работать эффективно, независимо от любых климатических условий. Факторы, которые влияют на расчеты, включают:

• инерцию ротора,
• аэродинамический крутящий момент,
• скорость вращения ротора,
• состав материала тормозной накладки,
• тепловые свойства диска.

Но есть также и другие факторы, которые следует учитывать:

• загрязнение поверхности торможения,
• образование конденсата,
• наличие масла на элементах торможения,
• скорость трения и давление,
• износ поверхностных накладок.

Поскольку ветряные турбины работают автономно, невозможно контролировать все эти условия. Соответственно, необходимо учитывать эти моменты при расчёте безопасного уровня крутящего момента.

Тормозное устройство для контроля системы рыскания

При нормальных условиях эксплуатации, ветряная турбина с горизонтальной осью останавливается путём перемещения лопастей от направления потока ветра.

Пример тормозной системы, выступающей частью модуля контроля рыскания ветряной турбины

Тормоза рыскания обеспечивают эффективное средство плавного управления гондолой ветряной турбины, когда установка «вращается по ветру» (рыскает). Здесь тормозные башмаки работают путём регулирования противодавления, которое, в свою очередь, контролирует степень силы пружины, следовательно, тормозные моменты.

Процесс начинается, когда анемометр сигнализирует об изменении направления ветра, соответственно, запускается двигатель, приводящий зубчатое кольцо в механику рыскания. Впоследствии двигатель останавливается очередным сигналом, когда механизм рыскания достигает оптимального положения при подъёме ветра и гондола останавливается.

Изменяющаяся сила ветра приводит к изменению нагрузки двигателя и влияет на точность остановки гондолы относительно изменения направления ветра. Нагрузку двигателя допустимо эффективно контролировать независимо от силы ветра. Электромеханическим путём тормоз прикладывается к венцу зубчатого кольца. Сопротивление при этом изменяется сигналом, вызванным ростом или падением тока двигателя.

Как правило, ветряная турбина имеет от четырёх до восьми двигателей рыскания. Тормоза обычно крепятся к задней части приводных двигателей и расположены на нижней стороне зубчатого кольца системы рыскания. Этим обеспечивается точное позиционирование гондолы и эффективность работы. Конструкция исключает потенциальный ущерб от неустойчивости движения на зазорах зубчатой передачи, а тормоз является эффективным элементом фиксации механизма на месте.

Общая схема тормоза механики рыскания ветряной турбины: 1 — опора башни; 2 — тормозной диск системы рыскания; 3 — подшипник механики рыскания; 4 — привод механики рыскания; 5 — гондола; 6 — тормозной суппорт; 7 — тормозной поршень; 8 — зубчатый венец

Большинство инженеров-проектировщиков ветряных турбин согласны с тем, что механический дисковый тормоз является лучшим решением с точки зрения:

• надёжности,
• простоты изготовления,
• простоты обслуживания,
• первоначальных затрат.

Дисковые тормоза известны качеством работы в условиях агрессивных сред и требуют небольшого физического пространства относительно тормозного усилия, которое обеспечивают.

Контроль шага лопастей ветряной турбины

Ветровые турбины с горизонтальной осью создают угол тангажа лопасти ротора для лучшей эффективности. Лопасти ротора также имеют передачу или флюгер для минимизации вращения при сильном ветре и для обслуживания ветряной турбины.

Приводы обеспечения шага могут приводиться в движение электрически или гидравлическим методом. Наиболее распространённым является электрический способ, который обеспечивает более чистый и компактный механизм. Кроме того, электропривод более точен и обеспечивает лёгкое программирование для удовлетворения различных переменных применения.

Наглядный пример устройства (самодельного), которым обеспечивается активный контроль шага лопасти ветряной турбины

В любом случае встроенный в привод стояночный тормоз используется как дополнительная функция безопасности, а также для динамического торможения в условиях аварийного шага.

Общая схема привода обеспечения шага электрическим способом включает:

• электродвигатель (переменный, постоянный или сервомотор),
• датчик положения (датчик положения или резольвер),

Управляющая логика освобождает тормоз, приводит в движение двигатель, определяет положение, останавливает операцию шага и включает тормоз, чтобы удерживать лопасти ветряной турбины в заданном положении. Двигатель приводит в движение большое зубчатое колесо, встроенное в каждую лопасть, обычно с передаточным отношением в диапазоне 1000:1.

Тормоз основного хода ветрогенератора

Существует несколько соображений по выбору правильного тормоза для основного хода. Сам по себе приводной шаг требует компактности, так как пространство для монтажа узла в носовом конусе турбины ограничено.

Поэтому при выборе тормоза для приводного шага необходимо учитывать достаточный крутящий момент в условиях компактного дизайна. Как правило, тормоз по размеру диаметра не должен превышать размер диаметра двигателя и датчика положения.

Проектный срок службы ветряной турбины также должен учитываться при выборе компонентов. Масштабная ветряная турбина может иметь эффективный проектный срок службы двадцать лет, поэтому отдельные компоненты и комплектные системы требуют соответствия этому стандарту.

Количество предполагаемых аварийных остановок по тангажу в течение 20 лет обычно составляет от 500 до 1000. Остановки могут иметь место по причинам значительной инерции, поэтому необходимо учитывать критерии рассеяния тепла и пиковой энергии.

Хорошим примером может служить продукт компании «Warner Electric», которая разработала серию статических тормозов с высоким крутящим моментом, электрическим расцеплением и пружиной, идеально подходящих для турбин. Например, тормоза серии «ERS», как правило, имеют меньший диаметр относительно узла двигателя, добавляют минимальную длину к общему пакету и рассчитаны на 30 000 динамических остановок.

Дополнительным преимуществом электрического тормоза компании является короткое время реакции — 0,20 с и менее, что делает продукт превосходным выбором для систем привода с контролем шага. Надёжная конструкция этого типа тормоза легко рассеивает тепло, выделяемое в большем количестве, чем требуется для нормального рабочего цикла ветряной турбины.

Источник