Новая ветро-дизельная электрическая установка

Ю. И. Гром, В. А. Захаренко, А. Н. Лазарев, Г. С. Сергеев, ФГУП НИИЭМ,

В. П. Харитонов, ГНУ ВИЭСХ

В научно-исследовательском институте электромеханики (ФГУП НИИЭМ, г. Истра Московской обл.) завершены разработка, изготовление и государственные испытания двух опытных образцов автономной ветро-дизельной электрической установки ВДЭУ-10, имеющей в своем составе безредукторный ветроэлектрический агрегат ВТН8-10 с синхронным магнитоэлектрическим генератором. Предварительные испытания установок были выполнены на Истринском ветрополигоне ВИЭСХ. Натурные испытания образцов ВДЭУ-10 проводились на берегу Финского залива в течение двух лет в режиме эксплуатации с энергоснабжением реальных потребителей. Основные технические решения ВДЭУ-10 запатентованы [1].

В комплект ВДЭУ-10 входят: ветроагрегат ВТН8-10 и контейнер МК, в котором установлены:

- дизельный агрегат АД8С-Т400-1В;

- батарея аккумуляторная АБ-220 (18 аккумуляторов 6СТ-190);

- инверторный агрегат питания АП-10У;

- система пожарной сигнализации;

- система освещения и обогрева.

Блок-схема ВДЭУ-10 приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Блок-схема ВДЭУ-10

Установка работает следующим образом. Электрическая энергия, вырабатываемая ветроагрегатом (ВА), поступает на коммутатор (К) и выпрямительное устройство (ВУ), обеспечивающее заряд аккумуляторной батареи (АБ) и питание инвертора (И). Инвертор формирует трехфазное напряжение 230–400 В частотой 50 Гц, которое через блок переключения фидеров (БПФ) поступает на распредустройство (РУ) и далее к потребителям энергии (П). Если выработка электроэнергии, поступающей от синхронного генератора (СГ) ветроагрегата, становится ниже уровня потребления, то дефицит мощности покрывается за счет разряда аккумуляторной батареи. При разряде аккумуляторной батареи до уровня 170 В датчик напряжения (ДН) срабатывает и блок автоматики (БА) выдает команду на запуск дизеля (Д). Дизель запускается, и через коммутатор (К) обеспечивается подача напряжения от синхронного генератора дизельного агрегата (ДА) на выпрямительное устройство. В конце заряда аккумуляторной батареи от дизельного агрегата при достижении уровня напряжения 260–270 В датчик напряжения срабатывает, блок автоматики выдает сигнал на останов дизельного агрегата с переключением подачи питания на коммутатор вновь от ветроагрегата.

Рисунок 2. Ветроагрегат ВТН8-10 в период испытаний

Ветроагрегат ВТН8-10 (рис. 2), входящий в комплект ВДЭУ-10, прост по своей конструкции. Двухлопастное ветроколесо ветроагрегата выполнено из клееной древесины со специальным покрытием поверхности лопастей. Профиль лопастей – NACA 4425. Несмотря на высокую номинальную быстроходность ветроколеса (Z_н = 10–11), ветроагрегат уверенно разгоняется на холостом ходу при скорости ветра V ≈ 4 м/с и останавливается лишь при скорости ветра V < 2,5 м/с.

Рисунок 3. Характеристика холостого хода ВТН8-10

Характеристика холостого хода ветроагрегата приведена на рис. 3. Ограничение частоты вращения ветроколеса осуществляется регулятором частоты вращения центробежно-аэродинамического типа благодаря выводу лопастей на отрицательные углы установа (рис. 4). Ограничение частоты вращения ветроколеса обеспечивается настройкой регулятора на уровне n ≈ 250 об/мин. Безредукторный вариант исполнения стал возможен благодаря применению низкооборотного магнитоэлектрического генератора, разработанного и изготовленного на предприятии ФГУП НИИЭМ.

Рисунок 4. Ветроколесо ВТН8-10 с центробежным регулятором частоты вращения

Ориентация ветроколеса по направлению ветра производится самоустановом благодаря расположению ветроколеса за «башней». Впервые в ветроэнергетике фундамент ветроагрегата мощностью 10 кВт выполняется без использования бетона. Фундаментные анкеры четырех растяжек башни закладываются в небольшие траншеи глубиной 1 м. Они выкапываются вручную. Подъем ветроагрегата после установки анкеров и засыпания траншей грунтом производится силами двух человек с помощью ручной лебедки, входящей в комплект ВДЭУ-10. Для останова работающего ветроагрегата используется «электрический тормоз», обеспечивающий интенсивное торможение ветроагрегата, при включении короткозамыкателя синхронного генератора ветроагрегата.

Высота башни ветроагрегата Н = 9,75 м, масса ветроагрегата 1 200 кг. Контейнерный модуль, в котором располагается электрооборудование ВДЭУ-10 (аккумуляторы, выпрямитель, инвертор, блок автоматики, дизельный агрегат и др.) устанавливается от ветроагрегата на расстоянии, которое может варьировать в пределах 50–200 м.

Рисунок 5. Мощностная характеристика ВТН8-10 в режиме заряда аккумуляторной батареи

Экспериментальная мощностная характеристика ветроагрегата приведена на рис. 5. Из ее рассмотрения следует, что расчетная мощность Р = 10 кВт обеспечивается при скорости ветра 10 м/с, что соответствует паспортным данным ветроагрегата. Максимально возможная годовая выработка энергии ветроагрегата ВТН8-10 с приведенной мощностной характеристикой согласно выполненным расчетам составляет 18 870 кВт•ч при среднегодовой скорости ветра 5 м/с и 37 132 кВт•ч при V_г = 7 м/с.

Использовать всю энергию, которую способен выработать ветроагрегат, как правило, не удается из-за несоответствия временного графика потребления и производства энергии. Например, когда нагрузка потребителя мала, и аккумуляторная батарея не требует заряда, то напряжение батареи достигает уровня 260–270 В, и происходит автоматическое отключение режима заряда. В результате, производительная работа ветроагрегата прерывается и ветроагрегат переходит на работу в режиме холостого хода.

В ГНУ ВИЭСХ разработаны и используются специальные блоки отбора мощности, которые при отключении режима заряда аккумуляторной батареи автоматически подключаются к выходу ветроагрегата и работают на электронагреватели в режиме максимально возможного отбора мощности [2]. Разработаны и испытаны такие блоки мощностью 1,5 и 5 кВт, причем последний был проверен при испытаниях ветроагрегата ВТН8-10 в диапазоне малых скоростей ветра (3,5–7 м/с). Пример регистрации выходной мощности ВТН8-10 через каждые 10–20 с времени при работе через блок отбора мощности БОМ-5 на электронагреватель приведен на рис. 6. Избыточная энергия ветроагрегата может быть использована не только для целей отопления или нагрева воды в термосах, но и для подъема воды из подземных источников и ее аккумулирования в уже имеющихся резервуарах. Разработка и организация производства блоков БОМ мощностью 10 кВт – реальная задача, решение которой сможет существенно увеличить выработку энергии ветроагрегата и приблизить ее к теоретическому максимуму.

Рисунок 6. Регистрация мощности ВТН8-10 в диапазоне скоростей ветра 3,5–7,0 м/с

В настоящее время ФГУП ВНИИЭМ располагает возможностями для организации серийного производства ветро-дизельных электрических установок ВДЭУ-10. При этом по желанию заказчика могут поставляться ветроагрегаты ВТН8-10 в комплекте с модульным контейнером, дизельным агрегатом или без него. По предварительному заказу возможна поставка ВДЭУ увеличенной мощности. ВДЭУ мощностью 30 кВт комплектуется тремя ветроагрегатами ВТН8-10, работающими на один инвертор, одну аккумуляторную батарею и резервным дизельным агрегатом мощностью 30 кВт. Более подробную информацию по ВДЭУ можно получить по электронному адресу: lazarev@istranet.ru

Литература

1. Патент РФ № 40769. Автономная ветроэнергетическая установка. 27.09.04.

2. Харитонов В. П., Абрамов Н. Д., Салимов И. Э. Новые российские ветроустановки дают свет и тепло // Энергосбережение. 2003. № 4. С. 68–69.