Автор: А. М. Суббота.
Источник: Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Украина
На сегодняшний день стало ясно, что основные энергоресурсы – нефть, уголь и природный газ – исчерпаемы, и время их эффективной добычи и использования невелико. При существующей тенденции увеличения энергопотребления ветроэнергетика может компенсировать солидную часть потребляемой электроэнергии. Уже сейчас бурное развитие ветроэнергетики свидетельствует о том, что эта отрасль в ближайшем будущем станет одним из важных источников удовлетворения энергетических потребностей человечества. К концу 2003 года мировой ветропарк (40 стран) насчитывал 68000 ветротурбин суммарной мощностью 40301 МВт, выработано 82 ТВт·ч электроэнергии. К 2030 году отдельные страны планируют довести долю ветровой энергии в национальных энергобалансах до существенного уровня: Дания – до 50%, Германия – до 30%, США – до 25%, Китай – до 15%, Испания – до 20% [1].
Национальные программы многих стран предусматривают крупные ветроэнергетические проекты. Например, в США в 2010 – 2030 гг. будут введены в строй ветроэлектростанции (ВЭС): в штате Техас – на 500 МВт, в штате Калифорния – на 439 МВт, в штатах Орегон и Вашингтон – на 300 МВт, в штате Невада – на 260 МВт. В Японии на острове Хоккайдо строится ВЭС на 30 МВт, в Дании – на 9000 МВт. В Германии установлено ВЭУ общей мощностью 2647 МВт. В Испании эксплуатируются ветроустановки общей мощностью 6920 МВт. Важно отметить, что в последние годы себестоимость 1 кВт·ч электроэнергии, вырабатываемой на оффшорных ВЭС, составляет 0,049 – 0,064 евро.
Экономическое развитие Украины, которая вынуждена закупать за рубежом свыше половины энергоносителей (нефть, газ и т.д.), невозможно без укрепления энергетической базы. В условиях дефицита органических энергоресурсов нетрадиционные способы получения электроэнергии, в первую очередь – ветроэнергетика, приобретают особое значение, отвечая самым высоким требованиям экологии и энергоснабжения [3]. На начало 2002 года суммарная мировая установленная мощность электростанций на возобновляемых источниках энергии составила около 30000 МВт, а первое место среди них занимают ветроэлектрические установки (ВЭУ) и ветроэлектростанции (ВЭС) – около 20000 МВт.
По планам развития ВЭУ в Украине до 2012 года общая мощность ВЭС должна достичь 3500 МВт, а до 2030 года – 16000 МВт. При этом ежегодное производство электроэнергии на базе ВЭУ планируется вывести на уровень 20-35% от общего количества вырабатываемой в стране электроэнергии.
Перспективными для внедрения ветроэнергетики в Украине являются районы, где среднегодовые скорости ветра превышают 5 м/с. Это Азово-Черноморская зона, равнинный и горный Крым, Карпаты, Донецкая и Луганская области.
При работе ВЭУ и ГЭУ в составе ВГЭУ на один генератор возникает проблема, особенно в пиковые нагрузки. Эта проблема связанна с определенными требованиями к оператору, который должен своевременно включить либо выключить ту или иную энергоустановку (ЭУ). Например: несвоевременное подключение (отключение) ВЭУ от общего вала с ГЭУ, ВЭУ может превратиться из источника энергии в потребителя, что недопустимо. В связи с этим возникает проблема разработки системы как объединения двух валов, так и разработки системы автоматического управления (САУ) включением либо выключением ЭУ, обладающей качественными характеристиками намного превышающих характеристики оператора. Это необходимо для повышения надежности и недопущения перехода одной из ЭУ из качества источника энергии в потребителя.
Исследуемая схема ВГЭУ объединяет в своем составе: ВЭУ – Н-типа с поворотными лопастями и ГЭУ – классического типа. Для объединения их выходных валов, используется магнитопорошковая муфта (МПМ). Ниже проводятся исследования качественных характеристик отдельно взятых как ВЭУ и ГЭУ, а также исследования при их совместной работе на общую нагрузку. Особое внимание уделено переходному процессу при подключении ВЭУ к ГЭУ при помощи МПМ в пиковые моменты нагрузки. При этом основное потребление электроэнергии обеспечивается – ГЭУ (до 80%), а в пиковые нагрузки, когда добавляется более 20% – обеспечивается ВЭУ.
На рис. 1 изображена общая конструктивная схема ветрогидроэнергетической установки, на рис. 2 – магнитопорошковая муфта обеспечивающая объединение двух выходных валов ЭУ.
На рис. 1 обозначено:
Принцип действия ветро- и гидроэнергетической установок достаточно известный, потому основное внимание уделим вопросам разъединения и объединения валов ветро- и гидроэнергетических установок с помощью магнитопорошковой муфты 14 (см. рис. 1). При отсутствии питания катушки 18, которое подается от источника питания Uп (см. рис. 2) через контакты а и б вертикальный вал ветроэнергетической установки 1 и вертикальный вал гидротурбины 2 не имеют жесткого соединения. Это обусловлено тем, что частицы магнитного порошка 16, не будучи намагниченными, не имеют между собой связи. Таким образом, вертикальный вал гидротурбины 2 свободно вращается вокруг вертикального вала ветроэнергетической установки 1, что обеспечивается наличием шарикового подшипника 21 и шаровой опоры 20. При подаче питания в катушку 18 частицы магнитного порошка 16 за счет магнитного поля катушки 18 намагничиваются и жестко сцепляются между собой. При этом магнитный порошок 16 превращается в цельную массу, которая жестко соединяет внешний корпус магнитопорошковой муфты 15, который в свою очередь жестко соединен с вертикальным валом гидротурбины 2, с внутренним корпусом магнитопорошковой муфты 17, который в свою очередь, жестко соединен с вертикальным валом ветроэнергетической установки 1.
1. Кривцов В. С. Неисчерпаемая энергия. Кн.1. Ветроэнергогенераторы [Текст] : учебник / В. С. Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т Харьк. авиац. ин-т
, Севастополь: Севаст. нац. полит. ун-т, 2003. – C. 400.
2. Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки [Текст] : учеб. пособие / Е. М. Фатеев. – М.: ГосИздат. с.-х. лит., 1957. – C. 536.
3. Кривцов В. С. Неисчерпаемая энергия. Кн. 3. Альтернативная энергетика [Текст : учебник / В. С. Кривцов, А. М. Олейников, А. И. Яковлев. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т Харьк. авиац. ин-т
, Севастополь: Севаст. нац. полит. ун-т, 2006. – C. 643.