В статье рассмотрены основные проблемы ветроэлектрических установок (ВЭУ) и применение магнитолевитации, магнитных подвесов, для решения некоторых из них. Рассмотрены виды магнитных подвесов и их преимущества и недостатки.
Ключевые слова: энергосбережение, ветроэлектрические установки, ВЭУ, вертикально осевые, горизонтально осевые, магнитолевитация.
По мере развития человечеством науки и техники, разработкой новых устройств и увеличения количества потребителей возрастает необходимость в качественных и недорогих источниках энергии. Так же сейчас очень важным стал вопрос экологической чистоты вырабатываемой энергии, что привлекло особое внимание к нетрадиционной энергетике, энергетике, основанной на использовании возобновляемых источников энергии. Очень популярным направлением сейчас является развитие одного из направлений нетрадиционной энергетики – ветроэнергетических установок (ВЭУ) [1].
Сегодня ВЭУ подразделяются на 2 типа [1]:
1) ВЭУ с горизонтальной осью вращения – ротор располагается в сторону ветрового потока. Что является основной проблемой, так как даже лучшим устройствам, в своем роде, необходимо слишком много времени, чтобы приспособиться к изменению направления ветра [2-3].
2) ВЭУ с вертикальной (ортогональной) осью вращения – ротор расположен перпендикулярно потоку ветра. Главным преимуществом таких установок является отсутствие необходимости ориентации на ветряной поток. Такие установки способны работать даже при малых скоростях ветра, но имеют малых КПД. Однако такие установки имеют и ряд проблем [2-3].
Во-первых, с ростом габаритных размеров установки растет и сила, которую необходимо приложить, чтобы установка вошла в рабочий режим [4]. Отсюда вытекает и вторая проблема, растет нагрузка на опорные подшипники, что ведет к растрате энергии, а иногда даже к выходу ВЭУ из строя.
Решение проблемы
Решением обеих проблем является использование явления магнитной левитации. Магнитные подвесы могут полностью избавить нас от необходимости использования опорных подшипников. Технология магнитных подвесов основывается на достижениях в области электромагнетизма, обработки сигналов, статики и динами и развивалась вмести с ними. Эта технология основана на силах взаимного отталкивания(притяжения) магнитных полей благодаря чему в этих подшипниках исключается механический контакт, что является его главным преимуществом увеличивая срок службы, уменьшая потери мощности. Таким образом, эти подвесы находят широкое применение во многих областях и устройствах где нужно уменьшить механическое воздействие между быстро движущимися частями [2].
Так многие страны уже широко используют их для создания скоростных поездов (скорость которых может достигать 500 км/ч). Это такие страны как: Германия, Япония, Китай. Так же эта технология используется в аэрокосмической отрасли. Лучших результатов здесь добились в США и Японии. В США с помощью магнитных подшипников разработали искусственный сердечный насос. В энергетике эти подвесы используются для уменьшения трения, шума, потерь и пускового момента, что позволяет получать энергию при меньшей скорости ветра (относительно обычных подшипников) уменьшая время простоя ветрогенератора.
В зависимости от места применения используют:
- Электромагнитный подвес(ЭМП) используется ЭМ с изменяемой магнитодвижущей силой взаимодействующий с непрерывным феррорельсом.
- Электродвижущий подвес (ЭДП) их действие опирается на явление отталкивания источника магнитного поля и проводником, при их взаимном движении. Магнитное поле – управляемо. Система контролирует положение ротора и регулирует его подвеску.
- Подвес на постоянных магнитах (ППМ) наиболее прост, по своей конструкции, и экономичен. Он не нуждается в дополнительных источниках энергии для создания магнитного поля, имеет низкие потери мощности. Минусом такого подшипника является низкая грузоподъёмность.
В общем, выбор и сравнение магнитных подвесов в основном проводят по оценке их левитационного качества вычисляемого по формуле:
(1)
где Fпр– сила притяжения,Fот – сила отталкивания,Fт – сила торможения,Fп – подъемная сила, Fр - результирующая сила. Подробнее об оценке левитационных качеств магнитных подвесов можно узнать из работы LiuShuqin [2].
Главной проблемой создания неконтактных подвесов является обеспечение устойчивости движения вывешенного тела. Из истории развития магнитных подвесов – зачастую они были неработоспособными по причине возникновения вихревых токов в материале вращающегося тела. Тогда возникла необходимость изучения влияния магнитного трения на устойчивость вращающегося ферромагнитного тела [7]. Исследования показали, что причиной неустойчивости являются силы, лежащие в плоскости, перпендикулярной оси симметрии поля и направленные перпендикулярно вектору смещения центра масс относительно оси подвеса. Такая же проблема возникла в электрических машинах, тогда В. В. Болотин показал, что в уравнениях возмущенного движения появляются циркуляционные (псевдогироскопические) силы. Проблема устойчивости прямолинейного движения возникает при создании высокоскоростного транспорта с электродинамическим подвесом.
Дальнейшие работы по увеличению точности устройств и улучшение устройств с неконтактным подвесом требуют учета гистерезисных явлений. Сейчас в приборах с магнитными подвесами используют либо ферромагнитные материалы, имеющие высоким удельным сопротивлением, либо шихтованные материалы для валов магнитных подшипников и для высокоскоростного наземного транспорта с неконтактными подвесами. В этих материалах гистерезисные потери могут превышать потери на вихревые токи. Нахождение этих величин и учет влияния на динамику объекта становится важным звеном инженерных расчетов [7].
На данный момент основные исследования применения магнитных сосредоточены на горизонтально осевых ВЭУ [2] для них популярным являются ППМ. Их как правило изготавливают из NdFeb (неодим-железо-бор) это лучший выбор благодаря высокой величине магнитного поля и низкой цене.
Заключение
В итоге, магнитные повесы являются качественной заменой опорных подшипников, давая ВЭУ множество плюсов и ликвидируя некоторые её минусы:
1) ЭМП уменьшают скорость запуска ВЭУ и время вхождения в рабочий режим.
2) При применении ЭМП, благодаря магнитной подушке, уменьшает трение, вследствие чего увеличивается КПД ВЭУ.
3) При уменьшении трения возрастает срок службы установки.
Литература:
- Бубенчиков А.А., Артамонова Е.Ю., Дайчман Р.А., Файфер Л.А., Катеров Ф.В., Бубенчикова А.А. Применение ветроэергетических установок с концентраторами ветровой энергии в регионах с малой ветровой нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 5-2 (36). — С. 31-35.
- Бубенчиков А.А., Артамонова Е.Ю., Дайчман Р.А., Файфер Л.А., Катеров Ф.В., Бубенчикова Т.В. Применение ветроколес и генераторов для ветроэнергетических установок малой мощности // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 5-2 (36). — С. 35-39.
- Бубенчиков А.А., Артамонова Е.Ю., Р.А. Дайчман Р.А., Файфер Л.А., Катеров Ф.В., Бубенчикова Т.В. Проблемы применения ветроэнергетических установок в регионах с малой ветровой нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 5-2 (36). — С. 39-43.
- Пархоменко Т. А. Параметры, повышающие эффективность работы вертикально-осевой ветроэнергетической установки / Т.А. Пархоменко. // Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ». – 2011. – №10(87). – С. 54-57.
- Козорез В.В. Динамические системы магнитновзаимодействующих свободных тел / В. В. Козорез. – К.: Наук. думка, 1981. – 140 с.
- Писаревский Ю. В. Разработка магнитных левитационных подшипниковых узлов для использования в вертикально-осевых ветроэнергетических установках малой мощности / Ю. В. Писаревский, П. Ю. Беляков, А. Ю. Писаревский и др. // Электротехнические комплексы и системы управления. — 2014. — №3. — С. 53-56.
- Влияние магнитного трения на динамику твердого тела в неконтактном подвесе [Электронный ресурс] // Научная библиотека диссертаций и авторефератов disserCat. – URL: http://www.dissercat.com/content/vliyanie-magnitnogo-treniya-na-dinamiku-tverdogo-tela-v-nekontaktnom-podvese (дата обращения: 13.11.2016)
- Chaware K. D. Experimental Investigation of Windmill to Generate Electric Power using Magnetic Levitation: A Review / K.D. Chaware, Dr. P. V. Washimkar, N.N. Wadaskar // International Advanced Research Journal in Science, Engineering and Technology. — 2016. — №3. — С. 40-42.
- Поляхов Н. Д. Обзор способов практического применения активных магнитных подшипников / Н. Д. Поляхов, А. Д. Стоцкая. // Научное приборостроение. Т.22.— 2012. — №4. — С. 5-18.
