РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТИВОДЕЙСТВУЮЩЕЙ ПРУЖИНЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ОГРАНИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ ВЭУ

Петько Виктор Гаврилович

д-р техн. наук, профессор, Оренбургский ГАУ, г. Оренбург

Е-mail: VGPetko@mail.ru

Пугачёв Владимир Валерьевич

аспирант, Оренбургский ГАУ, г. Оренбург

Е-mail:

CALCULATION OF CHARACTERISTICS AGAINST SPRING FOR UNIT LIMITS OF POWER WIND TURBINE

Victor Petko

Professor, Doctor of Technical Sciences, Orenburg State Agrarian University, Orenburg

Vladimir Pugachev

graduate student, Orenburg State Agrarian University, Orenburg

АННОТАЦИЯ

В статье дано описание устройства ограничения мощности ветроэнергетической установки и приведены расчеты параметров пружины, противодействующей давлению ветра на боковую лопату.

ABSTRACT

The article describes the device limits the power of wind turbines and the calculations of the parameters of the spring, the wind pressure on the opposing side shovel.

Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, ограничение мощности.

Keywords: wind power plant, power limit.

В настоящее время в ветроэнергетике используются различные способы ограничения мощности ветроустановок при увеличении скорости ветра выше номинальной. Одними из основных являются: 1) изменение угла атаки лопастей ветротурбины; 2) использование определенного профиля лопастей, изменяющегося по всей длине лопасти; 3) вывод ветроколеса из-под ветра, т. е. изменение его положения относительно направления скорости ветра.

Использование такого устройства как виндроза 1 (небольшое ветроколесо, устанавливаемое за основной ветротурбиной) заключается в основном как один из способов ориентации на ветер. Нами же предлагается придать виндрозе возможность вращения относительно вертикальной 2 оси под действием потока ветра на связанную с ней боковую лопату 3 (рис. 1).

Рис. 1. Устройство ограничения мощности ВЭУ

Для предотвращения отклонения боковой лопаты виндрозы при случайных порывах ветра ее необходимо закрепить с помощью пружины 4 или другого устройства к неподвижной части головки ветроагрегата 5. В качестве неподвижной части может выступать диск или дуга постоянного радиуса, к которому через трос закреплена пружина. При скоростях ветра не выше расчётной величины плоскость виндрозы повёрнута относительно плоскости ветроколеса 6 на угол 90^о благодаря первоначальному натяжению пружины. Такая конструкция виндрозы будет не только ориентировать ветроустановку по ветру, но и ограничивать ее мощность при превышении скорости ветра выше номинальной.

При увеличении скорости ветра, он начнет действовать на боковую лопату виндрозы и повернет ее на определенный угол γ. В результате крыльчатка виндрозы установится под углом к ветру и начнет вращаться, пока не установиться в прежнее состояние. Но при ее вращении начнет изменять свое положении основное ветроколесо, которое повернется на тот же угол γ относительно направления ветра. Ограничение мощности в такой установке будет происходить за счет поворота ветроколеса на определенный угол, зависящий от скорости ветра.

Требуемый закон изменения γ от скорости ветра, обеспечивающий неизменную мощность ветроколеса при скорости ветра V больше расчётной скорости ветра V>V_р может быть получен из выражения [1]:

Тогда

Однако под действием боковой лопаты и виндрозы фактический угол поворота ветроколеса будет отличаться от оптимального его значения γ≠ В результате и мощность ветроколеса при V>V_р не будет постоянной, равной расчётной мощности. С целью выявления, насколько эта разница будет существенной, следует определить, каков будет фактический угол поворота ветроколеса под действием боковой лопаты при той или иной скорости ветра V.

С одной стороны на виндрозу действует момент боковой лопаты, зависящий от её геометрических размеров и скорости:

где - сила напора ветра, действующего на лопату, Н;

L – плечо приложения силы боковой лопаты, м;

ab – площадь лопаты, м²;

ρ – плотность воздуха, кг/м³;

 - коэффициент момента лопаты, 1/кг.

С другой стороны на виндрозу действуют противодействующие моменты системы пружин:

,

где , ,  и  - угловое смещение точек упора вторых концов соответственно нулевой (основной), первой, второй, и n-ной пружин, рад. При этом ;

G₀, G_1, G₂ и G_n – угловые коэффициенты жёсткости соответственно основной, первой, второй и n-ной корректирующих пружин, численно равные моменту противодействия пружины при закручивании её на угол один радиан, Нм.

В установившемся состоянии при V>Vр

или

Отсюда, задавшись коэффициентами жёсткости пружин и начальными углами их установки, можно определить скорость ветра, при которой поворот ветроколеса осуществится на требуемый угол γ. При этом, если выражение в скобках будет отрицательно, то составляющая момента от соответствующей пружины и всех последующих принимаются равными нулю. Следовательно, в пределах изменения γ от нуля до γ₁ (работает основная пружина):

В пределах изменения γ от γ₁ до γ₂ (работает основная и первая корректирующая пружина):

В пределах изменения γ от γ₂ до γ₃ (работает основная, первая и вторая корректирующие пружины):

В пределах изменения γ от γ_n и выше (работает основная и n корректирующих пружин):

Полученные уравнения позволяют определить скорость ветра необходимую для поворота ветротурбины на фиксированный угол γ. Так скорость ветра, при которой только что начнётся поворот виндрозы (γ=0),

;

Она же будет и расчётной скоростью ветра, а мощность ветротурбины при этой скорости – расчётной (номинальной) скоростью ветроагрегата.

Скорость ветра, при которой  станет равно  (момент вступления в действие первой корректирующей пружины):

.

Скорость ветра, при которой  станет равно  (момент вступления в действие второй корректирующей пружины):

.

Скорость ветра, при которой  станет равно  (момент вступления в действие n-ной корректирующей пружины):

.

Тогда определить, как будет изменяться γ в зависимости от скорости ветра можно будет по формулам:

при V₀<V<V₁                           ;

при V₁<V<V₂                           ;

при V₂<V<V₃                           ;

при V_n<V                                 ;

Так как угловое смещение точки крепления первой пружины с целью создания начального напряжения осуществлено в обратную сторону, то .

Выражения позволяют подобрать такие значения входящих в них коэффициентов, при которых поворот виндрозы начнётся при расчётной скорости ветра. Например, можно предварительно задавшись величинами К_л и  определить нужную величину G₀, или, наоборот, задавшись величинами К_л и G₀, определить предварительную закрутку первой пружины .

По выведенным законам будет происходить фактическое изменение γ при изменении скорости ветра. Подбором коэффициентов жёсткости пружин фактическое изменение γ можно приблизить с заданной точностью к оптимальному изменению.

При расчётной скорости ветра и мощность ветроколеса будет считать расчётной Р_р:

,

где К_р – геометрический коэффициент мощности ветроколеса, зависящий от его диаметра, конструкции и количества лопастей, а также от плотности воздуха, м²/кг.

Тогда мощность при скорости ветра больше расчётной и γ=0:

,

Однако в связи с тем, что при скорости ветра больше расчётной происходит поворот ветроколеса на угол γ, мощность ветроколеса снижается до величины:

=, Вт

Для того чтобы рассчитать параметры ветроколеса при различных скоростях ветра зададимся некоторыми постоянными величинами: ; ; ; ;  (при угловом коэффициенте жесткости основной пружины G₀=0,74 Нм); ; .

Отклонение мощности фактической  при регулировании от мощности расчетной  будем считать по формуле:

Поочередно вводя корректирующие пружины и подбирая их угловые коэффициенты жесткости добьемся отклонения мощности  ±5%. Фактическое отклонение ветроколеса при работе основной и корректирующих пружин рассчитаем по формулам (1.6)—(1.8). Оптимальный угол отклонения найдем по формуле (1.2). Начиная с расчетной скорости ветра и изменяя ее, найдем параметры ветроколеса при работе основной и корректирующих пружин (табл. 1).

Таблица 1

Расчёт характеристик ветроколеса

При расчете дойдя до значения скорости ветра 8,6 м/с отклонение мощности от расчетной составило порядка 5 % в сторону убывания. При этом отклонение ветротурбины от направления ветра составило почти 24º. В этот момент включается в работу первая корректирующая пружина (G₁=3,15 Нм) и постепенно происходит стабилизация мощности ветроколеса. При достижении скорости ветра значения 10,8 м/с будет задействована вторая корректирующая пружина (G₂=7,6 Нм), посредством которой мощность ветроколеса останется в заданных пределах. Угол отклонения ветротурбины составит при этом порядка 43º. При отклонении ветроколеса на угол порядка 1 радиана и больше коэффициент использования энергии ветра резко падает, что вызывает снижение вырабатываемой мощности. Это доказывают и результаты расчетов: при V>14 м/с значение фактической мощности уменьшается и при V=20 м/с составляет около 60 Вт. Ветроколесо полностью выводится из под ветра о чем говорит его угол отклонения γ_ф=86º.

По полученным результатам расчёта построим зависимости мощности ветроколеса и угла отклонения от скорости ветра.

Рис. 2. Характеристики ветроколеса в результате работы

противодействующих пружин

В интервале скоростей ветра от 0 до 8 м/с мощность ветроколеса изменяется по закону . При скорости ветра больше 8 м/с включается в работу устройство виндрозы, которое поддерживает мощность на заданном уровне () путем поворота ветроколеса на определенный угол (зависимость ). Пунктирной линией показано изменение мощности при отсутствии устройства ограничения. С достижением скорости ветра значений около 14 м/с мощность ветроколеса падает.

Список литературы:

1.Адрианов, В. Н. Ветроэлектрические станции [Текст] / В. Н. Адрианов, Д. Н. Быстрицкий – М.: Государственное Энергетическое Издательство, 1960. – 310 с.

2.Д. де Рензо. Ветроэнергетика [Текст] / Д. де Рензо – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 272 с.

3.Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки [Текст] / Е. М. Фатеев – М.: ОГПЗ-СЕЛЬХОЗГИЗ, 1956. – 544 с.

4.Харитонов, В. П. Автономные ветроэлектрические установки [Текст] / В. П. Харитонов. – М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. – 280 с.