Vetrni generatorji: kako delujejo in ali so možni v Rusiji

Enostavnost osnovnega načela ne pomeni vedno tehnološke preprostosti, še posebej, če je treba iz načrtovanja "iztisniti" največjo učinkovitost. Teoretično je letalo zelo preprosto, brata Wright pa sta ustvarila svoj "Flyer-1" popolnoma upravljana z improviziranimi materiali in industrijskimi tehnologijami garažnega razreda. Vendar pa, kot veste, prvorojenci svetovnega letalstva niso leteli dlje kot razpon kril Boeinga 747 in komaj dvignili Orvilla Wrighta v zrak kot tovor. Sodobne linijske linije prečkajo oceane in celine, v nebo dvignejo desetine in celo sto ton tovora. Hkrati so dobesedno natrpani z visokotehnološkim, kar zagotavlja najvišjo funkcionalnost, ekonomsko učinkovitost in varnost delovanja. Ob uresničevanju primitivne sheme „vetrno kolo in električni generator“ so se oblikovalci sedanjih vetrnih elektrarn z zmogljivostjo več megavatov tudi prisiljeni zanašati na najnovejše dosežke znanosti in visokotehnološke industrije.

Pravzaprav imata letalstvo in vetrna energija veliko skupnega. Tam in tam se uporablja sila dviganja, ki nastane pri interakciji krila z dovodnim zračnim tokom. Če pa morate za oblikovanje dvižne sile pod krilom letala porabiti energijo za ustvarjanje potiska, potem vetrnica uporablja naravno gibanje zračnih tokov, da bi od njih vzela energijo in jo pretvorila v električno energijo. Druga temeljna razlika med vetrnicami in zrakoplovnimi konstrukcijami je, da je njihov vir neprekinjenega delovanja leta.

Morate shujšati

Medtem ko je moč vetrnega kolesa majhna in moč generatorja izmerjena v desetinah ali stotinah kW, niso potrebne posebne tehnologije, vendar je sodobna vetrna energija usmerjena v resnično velikanske strukture: na stolpih 100-120 metrov so nameščene desetine gondole, ki tehtajo deset ton, in amplituda lopatic vetra kolo doseže 130 m. Večji kot je stolp in večji je premer rotorja, večji je izkoriščen potencial vetra. Vendar s povečanjem linearne velikosti vetrne turbine (WEC) njegova moč raste v kvadratnem razmerju, njegova teža pa v kubičnem deležu. Zato je tako kot v letalstvu boj proti prekomerni teži celotne strukture ena najpomembnejših prednostnih nalog. Druga resna naloga je zagotoviti stabilnost celotne strukture. Vetrna turbina je močna "glava" na tanki nogi in je izpostavljena močnemu vetrovnemu tlaku, zasuka, vibrira, tako da se vetrnica ne zruši in zapre, potrebni so zapleteni izračuni in inovativne tehnične rešitve.

Hi-tech vetrne energije se začne takoj od rotorjev - znotraj kroga največjega izmed njih se tiho prilega nogometno igrišče.

Stolp, orjaški rezili, generator in celo pesto vetrnega kolesa - vse v sodobnih megavatnih vetrnih generatorjih daje vtis nečloveških razmerij. Velikosti so poklon učinkovitosti.

Bolj kot je popoln aerodinamični profil rezil vetrnega kolesa, večja je njegova učinkovitost. V tem primeru morajo biti rezila močna in prožna, sicer jih bodo visokoleteči vetrovi lomili kot vžigalice. Rezila morajo imeti tudi najmanjšo težo, saj povečanje mase poveča obremenitev konstrukcije kot celote in s tem tudi njeno ceno. Tako kot v letalski industriji je pri proizvodnji rotorjev poudarek na nekovinskih kompozitnih materialih s ključno vlogo iz steklenih vlaken, ki združujejo vse potrebne lastnosti. Znotraj rezila je postavljen tožji okvir s pravokotnim presekom, zunanja lupina pa nudi potreben profil krila, zasnovan posebej za delovanje v zračnih tokovih z nizkimi hitrostmi. Toda optimalna teža v povezavi z aerodinamičnimi lastnostmi - to še ni vse. Vetrno kolo mora imeti dolgo delovno dobo. Vetrna turbina bo služila dve desetletji in manj ko bo potrebno rutinsko vzdrževanje in popravila, cenejše bo delovanje.

Krilo v vetru

Ni zaman, da se jadra med nevihto spuščajo na ladjo - vetrno energijo je mogoče v korist uporabiti le do določene meje. Ko močno piha, se morate braniti - obremenitve na lopaticah, na stolpu, na telesu gondole začnejo rasti. Do ere megavatnih vetrnic so problem zaščite vetrnice pred močnimi sunki vetra reševali močnejši stolpi in močnejša rezila. Profil kril je bil zasnovan tako, da je pri določeni hitrosti pretoka zraka od konca lopatice navzdol prišlo do povečanega pretoka zastoja in do izgube dvigala. Tako je bilo mogoče zaščititi generator pred vrtenjem pri projekcijskih hitrostih, kar bi povzročilo njegovo okvaro. Resnično revolucionarna rešitev, ki je sodobnim vetrnicam omogočala doseganje megavatnih zmogljivosti, je bila uvedba sistema za nadzor naklona za nadzor kota napadov lopatic v zasnovi vetrnih turbin. Ta inteligentni sistem spremlja količino energije, ki se dobavi v vetrno kolo in ohranja optimalno hitrost z vrtenjem lopatic okoli vzdolžne osi in spreminjanjem sile dviganja. Spreminjanje napadnega kota se izvede s pomočjo posebnih pogonov v pestu, ki obračajo lopatice.

Spodaj je diagram vetrne turbine z večstopenjskim množiteljem (najpogostejši v teh dneh). Zgoraj je diagram, ki uporablja enostopenjsko planetno gonilo in generator s srednjo hitrostjo. Druga možnost ima enostavnejšo in zanesljivejšo zasnovo ter postavlja manj zahtev glede proizvodnih tehnologij.

Sistem krmiljenja naklona omogoča ne samo vzdrževanje vrtenja rotorja v določenem hitrostnem območju, ampak tudi pomaga rešiti varnostno težavo celotne vetrnice - ustaviti vetrno kolo med nevihtnim vetrom in preprečiti resonančno zibanje stolpa. Dejstvo je, da lahko vetrni generator vstopi v resonanco zaradi nekaterih obremenitev - tako od pulziranja samega zraka, kot od sunkov, ki nastanejo, ko lopatica pelje mimo stolpa. Če gledate od daleč, je ta učinek skoraj neviden, če pa stojite blizu stolpa, je precej opazen. Zdaj pa si predstavljajmo, da je pogostost teh sunkov padla v resonanco z naravno resonančno frekvenco nihanja stolpa. Rezultata ni težko napovedati - vetrnice bodo propadle. Seveda se je proti temu učinku mogoče boriti s povečanjem nihajne frekvence stolpa, torej z njegovo zgostitvijo in obtežitvijo. To bo vplivalo na stroške vgradnje in materiale. In to lahko pustite graciozno, a s pomočjo sistema za nadzor kota napadite vetrno kolo hitro skozi nevarni način.

15 ton kot ura

Nič manj visokotehnoloških in vsebine gondole vetrnega generatorja. Večina vetrnih turbin razreda megavata, ki delujejo danes, uporablja multiplikator, 3-4-stopenjski zobniški sistem, ki lahko poveča vrtljaje s 15 vrtljajev na gredi vetrnega kolesa na 1.500 vrtljajev na gredi električnega generatorja. In čeprav z zobniki že dolgo ne boste presenetili sveta, je multiplikator vetrnih turbin poseben primer. Sodobni multiplikator je kolos, ki tehta 12-15 ton, ki ima izkoristek vsaj 97%. Ta je na eni strani zelo dimenzijska, na drugi pa izjemno natančna mehanika. Za izdelavo množitelja zahtevajo visokokakovostne zlitine, ultra natančno površinsko obdelavo. To še posebej velja za stopnjo visoke hitrosti - tisto, ki je bližje generatorju. Potrebna so posebna olja, ki olajšajo gibanje mehanizma in preusmerijo zelo 3% izgub, ki se pretvorijo v toploto v sistem za hlajenje zraka. To je edini način, da zagotovite majhno težo množitelja, visoko učinkovitost in visoko obstojnost konstrukcije za dolgo življenjsko dobo mehanizma.

Projektiranje vetrne turbine zahteva natančne izračune in matematično modeliranje. Z ogromnimi dimenzijami vetrne turbine megavatnega razreda ga je praktično nemogoče "pihati" v vetrovnik, zato je vse upanje na izkušnje in praktično teorijo.

In možgani pridejo prav

Ustvarjalci vetrnih turbin se nenehno borijo za povečanje energetske in ekonomske učinkovitosti elektrarn, povečujejo učinkovitost komponent (vetrnica, množitelj, generator in pretvornik), izboljšajo zanesljivost konstrukcij in zmanjšajo njihovo težo in ceno. Boj traja za nekaj odstotkov (1-3) in celo za njihove delnice. Najmočnejši dejavnik v boju za energetsko učinkovitost vetrnih turbin sta krmilni sistem (SU) in programska oprema (programska oprema). Sodoben SU, opremljen s programsko opremo, ki v največji možni meri upošteva značilnosti vetra in značilnosti porabnikov energije, lahko poveča energetsko učinkovitost za 10 odstotkov ali več.

Seveda imajo generator, električni zavorni sistem in oblikovanje podočnjakov svoje lastne visokotehnološke lastnosti. Ali se lahko takšni visokotehnološki izdelki proizvajajo v Rusiji?

Pomembno vlogo v sodobnih vetrnicah igra sistem krmiljenja kota nagiba, ki omogoča spreminjanje dvižne sile na lopatice in preprečevanje neuravnoteženih obremenitev z močnimi sunki vetra.

Kako kupiti pecelj lopate

V članku "Opustimo upanje na veter" je naš sogovornik izrazil zelo kategorično stališče - vetrnih generatorjev razreda megavatne v Rusiji ni mogoče storiti, in če bo odločitev o ustvarjanju močnih vetrnih parkov sprejeta tudi pri nas, bo treba opremo kupiti od industrijskih velikanov iz Nemčije, Danske in ZDA . Za poslušanje alternativnega stališča smo v uredništvo projekta New Wind povabili Veniamina Nyrkovskyja in Andreja Kulakova. Glavni cilj tega projekta je povezovanje domačih znanstvenih in industrijskih zmogljivosti za proizvodnjo ruskih modelov vetrnih turbin.

"Cilj našega projekta je razvoj ruske vetrne energije kot neodvisne inženirske veje, " pravi Andrej Kulakov, "vendar do tega zaključka nismo prišli takoj. Predhodni izračuni kažejo, da bo morala Rusija leta 2025 imeti 4, 5% zelene električne energije, zgraditi vetrne elektrarne s skupno zmogljivostjo 8-10 GW. Kje dobiti teh 5000 vetrnih turbin, če so inženirske zmogljivosti Evrope, Indije in Kitajske naložene z "notranjim" naročilom? Odgovor je očiten. Naučiti se moramo tukaj, v Rusiji.

Za to je moč. In dovolj je kompetenc. S kovinsko in vetrno turbino je še vedno kovinska konstrukcija, naši obrtniki že dolgo delajo in po kakovosti niso slabši od tujcev.

Licenca? Prepotovali smo skoraj vso Evropo - od Južne Avstrije do Nizozemske - in spoznali, da nakup licence pod ugodnimi pogoji za nas preprosto ne bi deloval. Prvič, zastarele modele ponujajo vsaj pred desetimi leti, napredek v tej panogi pa je tako hiter, da je deset let celo obdobje. Drugič, pod pogoji dovoljenja dobimo, figurativno gledano, ne lopato, ampak pecelj lopate. Prodajni trg bo omejen na nas, naših izdelkov pa ne bomo mogli prodati nikjer, razen v Rusiji. Izdelali bomo generatorje, množitelje, lopatice, krmilne sisteme, ležaje. V teh izdelkih je glavni hi-tech „zaščiten“, vendar ni vključen v licenco, kar predstavlja več kot 50% cene celotne vetrnice. Ostali so nam stolp, telo gondole in vozlišče. Za to nas bodo nič manj vprašali? 10 milijonov. Ali je to smiselno? "

Sredina je zlata in cenovno ugodna

"V nasprotju s skepticizmom glede možnosti naše znanosti in industrije smo prišli do zaključka, da se v Rusiji lahko proizvajajo sodobne močne vetrne turbine, " nadaljuje Veniamin Nyrkovsky. "Edina stvar, ki je očitno ne bomo potegnili, je večstopenjski animator s svojo natančno mehaniko. Pri nas takšnih proizvajalcev ni, za njihovo ustvarjanje pa bodo potrebne milijarde dolarjev. A razmere niso brezupne.


Veter in mreže

Veter je spremenljiva količina. Pretvorba nestabilne energije vetra v pogojno konstantno električno energijo in njena oskrba z omrežjem je eden najpomembnejših problemov vetrne energije. V vetrnicah, ki so bile uporabljene pred letom 2000, so bili v glavnem uporabljeni asinhroni generatorji (hitrost vrtenja gredi in vrtilna hitrost magnetnega polja, ki ga ustvarja tok v navitju rotorja, sta različna). Asinhroni generator se samodejno sinhronizira s pretokom energije, ki prihaja iz omrežja, in je z omrežjem neposredno povezan z omrežjem. Hkrati so poskušali ohranjati hitrost vetrnega kolesa konstantno. Slabosti takega sistema so, da prvič, če obstajajo asinhroni generatorji v sistemu za proizvodnjo in je njihovo število blizu 25%, se začne omrežje obnašati nestabilno - prvič se je Nemčija soočila s to težavo zaradi svojega velikega deleža vetrne energije v energetskem sektorju. Drugič, ohranjanje vetrnega kolesa s konstantno hitrostjo zmanjšuje njegovo učinkovitost. V sodobnih vetrnicah se lahko med delovanjem hitrost spreminja za 2–3 krat. Moral sem preiti na sinhronske generatorje, vendar je težava v tem, da se ti sploh ne sinhronizirajo z omrežjem in tam dobavljajo »plavajočo« frekvenco in napetost, kar odraža torej nihanje hitrosti gredi rotorja. Težava je bila rešena z razvojem močne elektronike - pojavili so se močni tranzistorji in tiristorji, ki so zmožni črpati megavate energije skozi sebe. Zdaj tok iz navitja generatorja vstopi v pretvornik, sestavljen na podlagi podobnih elektronskih komponent, od tam pa preide v omrežje s konstantno frekvenco in napetostjo.

Zdaj približno 17% vetrnic na trgu dela na sistemu neposrednega pogona, torej brez množitelja sploh ne. Ta shema ima en velik plus - prisotnost najmanj gibljivih delov, kar strukturi doda zanesljivost in zmanjša izgubo energije. Vendar obstaja tudi velik minus: generator, katerega gred se vrti s hitrostjo vetrnega kolesa, mora biti zelo velik. Za dvo megavatno vetrnico, ki deluje z večstopenjskim menjalnikom (multiplikatorjem), bo imel generator premer približno 1, 5 m in težo približno 10 ton, pri neposredni pogonski namestitvi iste moči pa bo njegov premer večji od 7 m, teža pa približno 60 ton. Mimogrede, Rusija je ena redkih držav, v kateri lahko delajo takšni velikanski proizvajalci. Res je, zasnovani so za hidroelektrarne, njihovi obratovalni pogoji pa so zaradi razlik v dinamiki nihanj energije zelo različni. Poleg tega je 60-tonski generator zelo težko prevažati, zlasti na težko dostopnih območjih, na stolp pa je zelo težko namestiti - potrebujete posebno opremo žerjava, ki jo je prav tako zelo težko prevažati.

Vetrna turbina je pod najmočnejšo obremenitvijo vetra, zato lahko že najmanjše pomanjkljivosti v zasnovi, konstrukciji ali vzdrževanju vodijo do njenega propada. V zadnjih desetih letih se je na svetu zgodilo približno 80 takšnih nesreč. Znani so tudi primeri ločevanja rezil. Znotraj rezila je postavljen tožji okvir s pravokotnim odsekom, zunanja lupina pa nudi potreben profil krila, zasnovan posebej za delovanje v zračnih tokovih z nizkimi hitrostmi.

Obstaja pa tudi "zlata sredina" - generatorji srednje hitrosti, ki delujejo na multibridnem sistemu. V tej izvedbi je enostepenjski planetarni menjalnik nameščen med gredjo vetrnega kolesa in gredjo generatorja, ki prenaša vrtenje na gred generatorja s hitrostjo ne 150, ampak 150 vrt./min., Kar ima za posledico en sam konstruktiven monoblock-generator-monoblok (MMG). Še več, srednje hitrost generatorja ima že precej sprejemljive dimenzije. Z enako močjo 2 MW bo imel premer 2, 5-3 m in težo približno 30 ton. Takšen generator in enostopenjski prenos nanj je mogoče izdelati v Rusiji, sploh pa ne v enem podjetju. Seveda boste morali kupiti nekaj - na primer opremo in tehnologije, povezane s proizvodnjo rezil, vendar bodo ti stroški očitno manjši od licenčnine za "lopatice". Ostalo - gondola, vozlišče, stolp - za našo industrijo ne predstavlja težav. "

Kraljica nostalgija

Pri pripravi projekta dvo megavatnega generatorja, ki so ga razvili strokovnjaki New Wind, je sodelovalo le okoli dva ducata ljudi. To dokazuje, da so celo takšne obsežne pobude na pleči pravilno izbrane skupine strokovnjakov. "V procesu dela na projektu, " pravi Nyrkovsky, "so nam že večkrat rekli:" Vi sami ne boste kos, tukaj potrebujemo cele institucije! " In odgovorimo: "Ne, ne potrebujemo institucij, potrebujemo posamezne specialiste, ki sodelujejo v recimo TsAGI aerodinamiki nizkih hitrosti. Ali težave mehanike, dinamike, trdnosti materialov v drugih inštitutih in oblikovalskih birojih. Za proizvodnjo vetrnih turbin imamo teoretično podlago, obstaja zasnova, obstaja potencialna proizvodna osnova. Tega nimamo strokovnjakov za gradnjo in obratovanje vetrnih elektrarn. Toda to vprašanje bomo rešili preprosto - k svojemu delu bomo povabili izkušene inženirje iz zahodnih podjetij. Najemite posameznike, namesto da najamete cele korporacije. И трансфер мозгов вместо трансфера технологий обойдется, поверьте, намного дешевле. Мне вообще кажется, — завершает свой монолог Вениамин Иванович, — что технический прогресс в России не идет не из-за отсутствия денег. Деньги вроде бы где-то ходят, но либо идут не туда, либо тратятся не на то что надо. А все от того, что организацию производственных проектов берут на себя исключительно экономисты, мыслящие на уровне корпоративного управления и биржевых котировок. При этом большие конструкторские проекты с высокой степенью интеграции мы разучились доверять тем, кто понимает суть процессов создания техники и организации ее производства. И где нам взять новых Туполевых и Королевых вместо 'менеджеров широкого профиля'?»

Статья «Умные крылья энергии» опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2010).

Priporočena

Odnesli v večnost: bojne vrste borodinskega tipa
2019
Boksar na avtocesti: Boksarski motor za izgorevanje
2019
WhatsApp bo dobil iskanje slik
2019