Гидравлическая система ветрогенератора для регулирования частоты вращения генераторного вала

В современном мире наиболее применяемыми источниками электроэнергии являются тепло-, гидро- и атомные электростанции. Но эти источники не очень экологичны и наносят вред здоровью человека. Главным перспективным решением мировой и российской энергетики может служить переход на использование альтернативных видов энергии, которые основаны на применении возобновляемых источников энергии(ВИЭ). Они безопасны для экологии, а также для человеческого здоровья.

Современная наука выделяет 2 группы энергетических источников:

Рис.1. Классификация энергетических источников

В данной работе рассмотрена одна из наиболее развиваемых на сегодняшний день отраслей ВИЭ — ветроэнергетика.

К началу 2016 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов превзошла суммарную мощность атомной энергетики и составила 432 гигаватта [1].

Рис. 2. Состояние Российской энергетики в 2014 году [1]

Россия — большая северная страна, и в ней есть, где разгуляться ветрам. Идеально место для ветроэнергетики. Но к сожалению данная отрасль в нашей стране не получила широкого развития. Эксперты давно определили, что Россия владеет огромными ветропотенциалами. Энергетические ветровые зоны расположены в основном на побережье и островах Северного Ледовитого океана, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, на побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского морей, в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.

Ветрогенератор — это устройство, которое преобразовывает кинетическую энергию ветрав механическую энергию вращения ротора и в дальнейшем преобразовывает её в электрическую энергию. Самым распространенным видом ветрогенераторов является трёхлопастной горизонтальный ветрогенератор с фиксированным шагом винта(Рис.3).

Рис. 3. Трёхлопастной горизонтальный ветрогенератор

Ветрогенератор с фиксированным шагом винта, в котором вал ветротурбины непосредственно связан напрямую с валом электрогенератора имеет следующие недостатки: возникает необходимость применения многополюсных генераторов для получения электроэнергии с промышленной частотой ~50 Гц, так как диапазон частоты вращения вала ветротурбины находится в различных пределах. Данные электромеханизмы обладают большими габаритами и массой, а также имеют сложную коммутационную аппаратуру, которая увеличивает стоимость ветроустановки [2].

Применение регулируемого объёмного гидропривода позволяет решить проблемы, описанные выше. Существует два варианта применения гидропривода в ветряке:

1) Изменение угла атаки лопастей с помощью гидроцилиндров;

2) Регулирование скорости вращения роторного вала ветрогенератора с помощью объёмного насоса с регулятором расхода;

Второй вариант является наиболее оптимальным, т. к. он является менее громоздким и использует всего один исполнительный гидродвигатель, тогда как для поворота лопастей требуется три гидродвигателя.

Рассмотрим более подробно второй вариант. В качестве объёмного насоса выбран аксиально-поршневой насос, т. к. этих гидронасосов диапазон регулирования частоты вращения намного шире (500–4000 об/мин), чем у радиально-поршневых, частота вращения которых ограничена величиной 1500 об/мин. Применение аксиально-поршневых насосов очень удобно для ветровых установок из-за изменения скорости ветра. Принцип работы гидравлической системы этого ветряка состоит в следующем. При изменении скорости ветра изменится частота вращения ротора, а насос 1 будет регулироваться, настраиваясь при этом под нужную частоту вращения. Насос нагнетет гидравлическую жидкость к гидромотору 1. Мотор преобразует гидравлическую энергию в механическую. Также в гидросистеме присутствуют нерегулируемый аксиально-поршневой насос 2 и радиально-поршневой гидромотор 2, которые нужны для поворота платформы. Массо-габаритные характеристики платформы довольно большие, не менее 1300 кг с учетом массы лопастей. Чтобы повернуть такую платформу нужны большие усилия и высокие моменты. Как известно: гидропривод может передавать мощность на единицу массы привода; в частности, масса гидравлических машин примерно в 10–15 раз меньше массы электрических машин такой же мощности. В этом можно отметить ещё одно преимущество гидравлических приводов. Насос 2 будет приводиться во вращение с помощью электродвигателя, который в свою очередь будет работать от аккумулятора. Заряжать аккумулятор будет тот же генератор, что исключит внедрение дополнительных источников энергии. Скорость ветра может быть довольно критической, создавая не пригодные для насоса частоты вращения. Для этого перед насосом 1 будет установлен редуктор 1. Также редуктор будет применен для поворота платформы, который нужно установить после гидромотора 2. Применение такой гидравлической системы позволит повысить надежность работы ветроэнергетической установки и улучшить качество вырабатываемой электроэнергии.

Рис. 4. Упрощенная гидравлическая система ветрогенератора

1. Ветроэнергетика [Электронный ресурс] // «Википедя — Свободная энциклопедия» URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветроэнергетика (дата обращения 02.03.2017)
2. Ветроэнергетическая установка с гидроприводом [Электронный ресурс] // «Независимый научно-технический портал» URL: http://www.ntpo.com/38552-vetroenergeticheskaya-ustanovka-s-gidroprivodom.html (дата обращения 03.03.2017)
3. Ахметов И. И., Галлямов Ш. Р. Ветрогенератор с использованием гидропривода для регулировки скорости вращения генераторного вала. Материалы Всероссийской НТК «Мавлютовские чтения», Уфа, УГАТУ.- 2015 С. 73–75