Vjetroelektrane: kako rade i jesu li moguće u Rusiji

Jednostavnost osnovnog načela ne znači uvijek tehnološku jednostavnost, pogotovo ako je potrebno iz dizajna "istisnuti" maksimalnu učinkovitost. Teoretski, avion je vrlo jednostavan, a braća Wright, stvarajući vlastiti "Flyer-1", u potpunosti su upravljali improviziranim materijalima i industrijskim tehnologijama klase garaže. Međutim, kao što znate, prvorođenci svjetskog zrakoplovstva letjeli su ne dalje od raspona krila Boeinga 747, jedva podižući Orvillea Wrighta u zrak kao teret. Moderni linijski brodovi prelaze oceane i kontinente, dižu desetke, pa čak i stotine tona tereta u nebo. U isto vrijeme, oni su doslovno natrpani visokotehnološkim, što pruža najveću funkcionalnost, ekonomsku učinkovitost i operativnu sigurnost. Shvaćajući primitivnu shemu „kotač vjetra i električni generator“, dizajneri trenutnih vjetroelektrana kapaciteta nekoliko megavata također su prisiljeni oslanjati se na najnovija dostignuća znanosti i visokotehnološke industrije.

Zapravo, zrakoplovstvo i energija vjetra imaju mnogo toga zajedničkog. I tu i tamo koristi se sila za podizanje koja nastaje interakcijom krila s dolaznim protokom zraka. Međutim, ako za formiranje sile podizanja ispod krila aviona morate potrošiti energiju za stvaranje potiska, tada vjetrenjača koristi prirodno kretanje zračnih struja da bi od njih uzela energiju i pretvorila je u električnu energiju. Još jedna temeljna razlika između vjetroagregata i zrakoplovnih konstrukcija je ta što im je izvor non-stop rada godinama.

Trebate smršavjeti

Iako je jačina vjetrenjača mala, a snaga generatora izmjerena u desecima ili stotinama kW, nisu potrebne posebne tehnologije, međutim, moderna energija vjetra usmjerena je u doista gigantske strukture: desetine tona gondole težine desetine tona ugrađuju se na kule od 100-120 metara, a amplituda lopatica vjetra kotač doseže 130 m. Što je kula veća i što je veći promjer rotora, to je veći iskorišteni potencijal vjetra. Međutim, s porastom linearne veličine vjetroagregata (WEC), njegova snaga raste u kvadratnom omjeru, a njegova težina u kubnom omjeru. Zato je, kao i u zrakoplovstvu, borba protiv prekomjerne težine cijele strukture jedan od najvažnijih prioriteta. Drugi ozbiljan zadatak je osigurati stabilnost cijele strukture. Vjetrenjača je moćna "glava" na tankoj nozi i izložena je jakom tlaku vjetra, njiše se, vibrira, tako da se vjetroturbina ne urušava i ne zatvara, potrebni su složeni proračuni i inovativna tehnička rješenja.

Hi-tech energije vjetra polazi upravo od rotora - unutar kruga najvećeg od njih tiho se uklapa nogometni teren.

Toranj, divovske oštrice, generator, pa čak i glavica vjetroplanta - sve u modernim megavatnim generatorima daje dojam neljudskih razmjera. Veličine su danak učinkovitosti.

Što je savršeniji aerodinamični profil lopatica vjetroga, to je veća njegova učinkovitost. U ovom slučaju, noževi moraju biti snažni i otporni, jer će ih inače vjetrovi s velikih visina slomiti poput šibica. Oštrice bi također trebale imati minimalnu težinu, jer povećanjem mase povećava se opterećenje građevine kao cjeline i, shodno tome, njezina cijena. U proizvodnji noževa rotora, kao i u zrakoplovnoj industriji, naglasak je na nemetalnim kompozitnim materijalima s ključnom ulogom stakloplastike, koji kombiniraju sva potrebna svojstva. Unutar lopatice postavljen je čvršći okvir s pravokutnim presjekom, a vanjska ljuska daje potreban profil krila, dizajniran posebno za rad u strujama zraka male brzine. Ali optimalna težina, zajedno s aerodinamičkim osobinama - to nije sve. Kotač za vjetar mora imati dug radni vijek. Vjetrenjača će služiti dva desetljeća, a što će biti potrebno manje rutinsko održavanje i popravak, to će rad biti jeftiniji.

Krila na vjetru

Nije uzalud da se jedra spuštaju na brod tijekom oluje - energiju vjetra moguće je koristiti samo za određenu granicu. Kad puše prejako, morate se obraniti - opterećenja na lopaticama, na tornju, na tijelu gondole počinju rasti. Sve do ere megavatnih vjetrenjača, problem zaštite vjetrenjače od snažnih naleta vjetra rješavali su masivniji tornjevi i jači noževi. Profil krila je konstruiran na takav način da kada se postigne određena brzina strujanja zraka od kraja lopatice prema dolje, dođe do povećanja protoka zastoja i gubitka podizanja. Tako je bilo moguće zaštititi generator od okretaja pri projekcijskim brzinama, što bi dovelo do njegovog kvara. Međutim, uistinu revolucionarno rješenje koje je omogućilo modernim vjetroturbinama da postignu megavatne kapacitete bilo je uvođenje sustava upravljanja nagibom za kontrolu kuta napada lopatica u dizajnu vjetroturbina. Ovaj inteligentni sustav nadzire količinu energije isporučene na kotač vjetra i održava optimalnu brzinu okretanjem lopatica oko uzdužne osi i promjenom sile podizanja. Promjena kuta napada vrši se pomoću posebnih pogona u glavčini, okretanjem lopatica.

Ispod je dijagram vjetroagregata s višefaznim množiteljem (najčešći je ovih dana). Iznad je dijagram koji koristi jednofazni planetarni zupčanik i generator srednje brzine. Druga opcija je jednostavnijeg i pouzdanijeg dizajna i postavlja manje zahtjeva za proizvodnim tehnologijama.

Sustav za kontrolu nagiba omogućava ne samo održavanje rotacije rotora u određenom rasponu brzina, već također pomaže u rješavanju problema sigurnosti cijele vjetroagregata - zaustaviti kotač vjetra tijekom olujnog vjetra i izbjeći rezonantno ljuljanje kule. Činjenica je da generator vjetra može doći u rezonancu od nekih opterećenja - i od pulsiranja samog zraka, i od udara koji nastaju kada lopatica prođe pored tornja. Ako gledate izdaleka, ovaj je efekt gotovo nevidljiv, ali ako stojite blizu tornja, to je prilično uočljivo. Zamislimo da je frekvencija ovih udara pala u rezonanciju s prirodnom rezonantnom frekvencijom oscilacija kule. Rezultat nije teško predvidjeti - vjetroturbine će se srušiti. Naravno, protiv ovog učinka možete se boriti povećanjem frekvencije oscilacija tornja, odnosno zgušnjavanjem i utezanjem. To će utjecati na troškove ugradnje i materijala. I to možete ostaviti gracioznim, ali uz pomoć kutnog sustava za kontrolu napada, kotač vjetra brzo prolazi kroz opasan način rada.

15 tona poput sata

Ništa manje visokotehnološki i sadržaj gondole vjetroelektrana. Većina vjetroagregata klase megavata koji danas djeluju koriste multiplikator, zupčanik s 3-4 brzine koji može povećati okrete od 15 o / min na vratilu kotača vjetra do 1.500 o / min na vratilu električnog generatora. Iako dugo vremena nećete iznenaditi svijet zupčanicima, množitelj vjetroturbina je poseban slučaj. Moderni multiplikator je kolos, težak 12-15 tona, koji ima učinkovitost od najmanje 97%. To je s jedne strane vrlo dimenzionalno, a s druge izuzetno precizna mehanika. Za proizvodnju množitelja potrebne su visokokvalitetne legure, ultra precizna obrada površine. To se posebno odnosi na fazu velike brzine - onu koja je bliža generatoru. Potrebna su posebna ulja koja olakšavaju kretanje mehanizma i preusmjeravaju vrlo 3% gubitaka koji se pretvaraju u toplinu u sustav za hlađenje zraka. To je jedini način da se osigura mala težina multiplikatora, visoka učinkovitost i velika izdržljivost konstrukcije za dugotrajni vijek mehanizma.

Projektiranje vjetroagregata zahtijeva pažljive proračune i matematičko modeliranje. S ogromnim dimenzijama vjetroagregata megavatske klase, praktično je nemoguće „puhati“ ga u vjetroelektranu, tako da je sva nada u iskustvo i praktična teorija.

I mozak nam dobro dođe

Kreatori vjetroagregata neprestano se bore za povećanje energetske i ekonomske učinkovitosti postrojenja, povećavajući učinkovitost komponenti (vjetroturbina, množitelj, generator i pretvarač), poboljšavajući pouzdanost konstrukcija i smanjujući njihovu težinu i cijenu. Borba ide za nekoliko posto (1-3), pa čak i za njihove dionice. Najjači faktor u borbi za energetsku učinkovitost vjetroagregata su upravljački sustav (SU) i softver (softver). Moderni SU opremljeni softverom koji u najvećoj mogućoj mjeri uzima u obzir značajke vjetra i karakteristike potrošača energije, mogu povećati energetsku učinkovitost za 10 posto ili više.

Naravno, generator, električni kočni sustav i dizajn plićaka nacele imaju svoje visokotehnološke značajke. Mogu li se takvi visokotehnološki proizvodi proizvoditi u Rusiji?

Značajnu ulogu u modernim vjetroturbinama igra sustav regulacije kuta nagiba, koji vam omogućuje da promijenite sila podizanja na lopatice i izbjegnete neuravnoteženo opterećenje s jakim naletima vjetra.

Kako kupiti stabljiku lopate

U članku „Odustajmo od vjetra“ naš sugovornik izrazio je vrlo kategorično stajalište - vjetroelektrane megavatne klase nisu u mogućnosti učiniti u Rusiji, a ako se odluka o stvaranju snažnih vjetroparkova donese u našoj zemlji, opremu će morati kupiti industrijski divovi iz Njemačke, Danske i SAD-a, Da bismo poslušali alternativno gledište, pozvali smo Veniamina Nyrkovskog i Andreja Kulakova u uredništvo projekta New Wind. Glavni cilj ovog projekta je integracija domaćih znanstvenih i industrijskih sposobnosti za proizvodnju ruskih modela vjetroagregata.

„Cilj našeg projekta je razvoj ruske energije vjetra kao neovisne grane inženjerstva, “ kaže Andrei Kulakov, „ali nismo do tog zaključka došli odmah. Preliminarni izračuni pokazuju da će Rusija imati 4, 5% zelene struje 2025. godine za izgradnju vjetroelektrana ukupnog kapaciteta 8-10 GW. Gdje nabaviti tih 5000 vjetroagregata ako su inženjerski kapaciteti Europe, Indije i Kine opterećeni "unutrašnjim" nalogom? Odgovor je očit. Moramo naučiti proizvoditi ovdje u Rusiji.

Za to ima snage. I dovoljno je kompetencije. S metalima, a vjetrenjača je i dalje metalna konstrukcija, naši obrtnici rade već duže vrijeme i nisu lošiji u odnosu na strance po kvaliteti.

Licenca? Proputovali smo gotovo cijelu Europu - od Južne Austrije do Nizozemske - i shvatili da kupnja licence po povoljnim uvjetima za nas jednostavno neće uspjeti. Prvo, zastarjeli dizajni nude se prije barem deset godina, a napredak u ovoj industriji tako je brz da je deset godina cijela epoha. Drugo, pod uvjetima iz dozvole dobivamo, figurativno rečeno, ne lopatu, već stabljiku lopate. Tržište prodaje bit će nam ograničeno, a svoje proizvode nećemo moći prodati nigdje osim u Rusiji. Nametnut ćemo proizvođačima generatora, multiplikatora, noževa, upravljačkih sustava, ležajeva. Upravo je u tim proizvodima glavni hi-tech „zaštićen“, ali to nije uključeno u licencu, što čini više od 50% cijene cijele vjetroturbine. Ostali su nam kula, tijelo gondole i čvorište. Za to će nas ništa manje pitati? 10 milijuna. Ima li to smisla? "

Sredina je zlatna i pristupačna

"Suprotno skepticizmu prema mogućnostima naše znanosti i industrije, došli smo do zaključka da se u Rusiji mogu proizvesti moderne snažne vjetroelektrane", nastavlja Veniamin Nyrkovsky. "Jedina stvar koju očito nećemo povući je višestepeni animator sa svojom preciznom mehanikom. Kod nas takvih proizvođača nema, a za njihovo stvaranje potrebno će biti milijarde dolara. Ali situacija nije beznadna.


Vjetar i mreže

Vjetar je varijabilna količina. Pretvorba nestabilne energije vjetra u uvjetno konstantnu električnu energiju i opskrba mrežom jedan je od najvažnijih problema energije vjetra. U vjetrenjačama koje su korištene prije 2000. godine uglavnom su korišteni asinkroni generatori (brzina rotacije osovine i brzina rotacije magnetskog polja stvorena strujom u namotu rotora su različiti). Asinhroni generator automatski se sinkronizira s protokom energije koji dolazi iz mreže, a namotima je izravno povezan s mrežom. U isto vrijeme pokušali su održavati konstantnu brzinu kotača vjetra. Nedostaci takvog sustava su što prvo, ako u generacijskom sustavu postoje asinhroni generatori i njihov broj je blizu 25%, mreža se počinje ponašati nestabilno - prvi put se Njemačka suočila s tim problemom zbog svog visokog udjela energije vjetra u energetskom sektoru. Drugo, održavanje konstantne brzine kotača vjetra smanjuje njegovu učinkovitost. U modernim vjetroturbinama, brzina rada može varirati od 2 do 3 puta. Morao sam se prebaciti na sinkrone generatore, ali problem je što se oni uopće ne sinkroniziraju s mrežom i opskrbljuju tamo „plutajuću“ frekvenciju i napon, odražavajući, dakle, fluktuacije u brzini osovine rotora. Problem je riješen razvojem energetske elektronike - pojavili su se snažni tranzistori i tiristori, sposobni da ispumpaju megavate energije kroz sebe. Sada struja iz namota generatora ulazi u pretvarač, sastavljen na temelju sličnih elektroničkih komponenti, a odatle prelazi u mrežu, imajući stalnu frekvenciju i napon.

Sada oko 17% vjetrenjača na tržištu radi na sustavu s izravnim pogonom, tj. Uopće ne rade bez multiplikatora. Ova shema ima jedan veliki plus - prisutnost najmanje pokretnih dijelova, što dodaje pouzdanost strukture i smanjuje gubitak energije. No, tu je i veliki minus: generator, čija se osovina rotira brzinom kotača vjetra, mora biti vrlo velik. Za dvo-megavatnu vjetrenjaču koja djeluje s višestupanjskim mjenjačem (multiplikatorom), generator će imati promjer od oko 1, 5 m, a težinu oko 10 tona. Pri instalaciji s izravnim pogonom iste snage, njegov će promjer biti veći od 7 m, a težina oko 60 tona. Usput, Rusija je jedna od rijetkih zemalja u kojoj takvi divovski generatori mogu učiniti. Istina, dizajnirani su za hidroelektrane, a njihovi su radni uvjeti vrlo različiti zbog razlika u dinamici fluktuacije energije. Osim toga, 60-tonski generator je vrlo težak za prijevoz, posebno do teško dostupnih područja, a na toranj se vrlo teško montirati - potrebna vam je posebna oprema za dizalice, što je također vrlo teško transportirati.

Vjetrenjača je pod najjačim opterećenjem vjetra, pa i najmanji nedostaci u dizajnu, konstrukciji ili održavanju mogu dovesti do njezinog urušavanja. U posljednjih deset godina u svijetu se dogodilo oko 80 takvih nesreća. Poznati su i slučajevi odvajanja lopatica. Čvršći okvir s pravokutnim presjekom postavljen je unutar lopatice, a vanjska ljuska pruža potreban profil krila, dizajniran posebno za rad u zračnim strujama male brzine.

No tu je i „zlatna sredina“ - generatori srednje brzine koji rade na multibridnom sustavu. U ovoj izvedbi, jednostepeni planetarni mjenjač postavljen je između osovine vjetra i kotača generatora, koji prenosi rotaciju u osovinu generatora brzinom ne 150 nego 150 o / min, a to rezultira jednim konstruktivnim monoblokatorom multiplikatora-generatora (MMG). Štoviše, generator srednjih brzina već ima sasvim prihvatljive dimenzije. S istom snagom od 2 MW imat će promjer od 2, 5-3 m i težinu od oko 30 tona. Takav generator i jednostupanjski prijenos na njega mogu se napraviti u Rusiji, pa čak ni u jednom poduzeću. Naravno, morat ćete kupiti nešto - na primjer, opremu i tehnologije povezane s proizvodnjom noža, ali ti će troškovi biti očito manji od naknade za "posječke". Ostalo - gondola, čvorište, toranj - ne predstavlja probleme našoj industriji. "

Kraljica nostalgija

U pripremi projekta dvo megavatskog generatora koji su razvili stručnjaci New Wind-a sudjelovalo je samo oko dvije desetine ljudi. To dokazuje da su čak i takve inicijative velikih ramena na ramenu pravilno odabranog tima stručnjaka. "U procesu rada na projektu, " kaže Nyrkovsky, "više puta nam je rečeno:" Vi se nećete nositi, ovdje su nam potrebne cijele institucije! " A mi odgovorimo: „Ne, ne trebaju nam institucije, potrebni su nam pojedinačni specijalisti koji su uključeni u, recimo, TsAGI aerodinamiku malih brzina. Ili problemi mehanike, dinamike, čvrstoće materijala u drugim institutima i biroima dizajna. Za proizvodnju vjetroagregata imamo teoretsku osnovu, postoji dizajn, postoji potencijalna proizvodna baza. Ono što nemamo su stručnjaci za izgradnju i rad vjetroelektrana. Ali to ćemo pitanje riješiti jednostavno - u svoj posao ćemo pozvati iskusne inženjere iz zapadnih tvrtki. Unajmite pojedince umjesto da zaposlite čitave 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).

Preporučeno

Uradi sam mlazni motor
2019
Nazvana najkorisnijom ribom za ljude
2019
Ministarstvo obrane pokazalo rad "Gorynych zmija"
2019