Федеральная ветроэнергетическая программа включает несколько проектов по разработке больших ВЭУ с горизонтально-осевым ветродвигателем крыльчатого типа, предназначенных для производства электрической энергии. Под общим управлением ERDA-NASA Центр LeRC осуществляет руководство проектами таких установок и прикладными научными исследованиями и технологическими разработками, связанными с их проектированием.
Программа разработки больших ВЭУ включает несколько проектов:
установка мощностью 100 кВт с ветроколесом диаметром 38 м, которая была обозначена Mod-0;
две ВЭУ с ветроколесом диаметром 38 м мощностью 125 и 200 кВт. Они подобны ВЭУ Mod-О и обозначены Mod-OA;
ВЭУ мощностью 1500 кВт с ветроколесом диаметром 61 м. Они обозначены Mod-1;
ВЭУ мощностью от 1000 до 2000 кВт с ветроколесом диаметром 91,5 м, обозначенной Mod-2 и рассчитанной на работу при скоростях ветра более низких, чем другие ВЭУ. ВЭУ Mod-2.
ВЭУ MOD-О мощностью 100 кВт
Проект ВЭУ мощностью 100 кВт описан в нескольких ранних отчетах. Цель проекта состоит в том, чтобы по возможности в короткий срок обеспечить получение технической информации для ее использования при выполнении других разделов ветроэнергетической программы, а сама ВЭУ рассматривается в качестве испытательного стенда для отработки отдельных узлов и систем. С этой целью ВЭУ спроектирована с ориентацией на применение существующей технологии и, по возможности, унифицированных деталей и узлов. Информация, использованная при предварительном проектировании больших двухлопастных ветродвигателей, взята из справочной литературы. Проектирование, изготовление и монтаж ВЭУ Mod-О осуществлены примерно за 18 мес.ВЭУ имеет двухлопастное ветроколесо диаметром 38 м, приводящее во вращение через повышающий редуктор синхронный генератор мощностью 100 кВт. Ветроколесо располагается за башней и вращается с постоянной частотой 40 об/мин. Трехфазный генератор имеет номинальную частоту вращения 1800 об/мин и вырабатывает напряжение частотой 60 Гц. Компоновка механизмов системы передачи вращающего момента от ветроколеса к генератору и ориентация ветроколеса по направлению ветра показаны на рис. 1. Ветроколесо начинает вращаться при скорости ветра 2,2 м/с и достигает частоты вращения 40 об/мин; полезная энергия начинает вырабатываться при скорости ветра 4,2 м/с (рис. 2).
Рис. 1. Поворотная головка и механизм ориентации ВЭУ мощностью 100 кВтг 1 — клиноременная передача; г —редуктор; 3 — втулка; 4 — лопасти; 5 — блок управления системой ориентации ветроколеса; 6 — генератор; 7 — блок управления гидравлической системой поворота лопастей.
Рис. 2. Зависимость развиваемой мощности Р от скорости ветра Vдля ВЭУ с установленной мощностью 100 кВт (1 — мощность 100 кВт при V =8 м/с. Частота вращения ветроколеса постоянная, равная 40 об/мин).
Рис. 3. Расчетная зависимость угла поворота лопастей ф (на радиусе 3/ iR ) от скорости ветра Vдля ВЭУ Mod = 0: ( 1 — экспериментальные точки при частоте вращения ветроколеса 40 об/мии и мощности 100 кВт; 2 — то же при нулевой мощности).
Оборудование поворотной головки ВЭУ было смонтировано в Центре LeRC и испытано до ее окончательного монтажа на строительной площадке в течение 50 ч, чтобы убедиться в удовлетворительной работе узлов и систем. Затем головка была соединена с механизмами ориентации и на ней были смонтированы втулка ветроколеса и лопасти. В таком положении были проверены все системы, за исключением тех, которые требовали вращения лопастей. Затем; лопасти были отсоединены и система транспортирована на строительную площадку для окончательной отладки и монтажа. Поворотная головка была установлена на испытательном стенде вблизи основания башни. После отладки всех механизмов в собранном виде головку установили на башне с помощью подъемного крана. Операция заняла приблизительно 4 ч и прошла без затруднений.
В течение нескольких последующих месяцев проводились приемные испытания ВЭУ и были получены предварительные энергетические и технические эксплуатационные данные. На рис. 3 представлен график расчетной зависимости от скорости ветра угла поворота лопасти, необходимого для того, чтобы при частоте вращения ветроколеса 40 об/мин получить мощности, равные нулю и 100 кВт. Показаны также экспериментальные точки, соответствующие этим мощностям. Видно, что экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными. ВЭУ впервые работала в проектном режиме при частоте вращения ветроколеса 40 об/мин и мощности 100 кВт. Когда ВЭУ вырабатывала электрическую энергию, она подключалась к блоку резисторов с переменным сопротивлением.
Рис. 4. Зависимость изгибающего момента лопасти М от угла фи, определяющего ее положение при вращении:
1 — полученная экспериментально; 2 — рассчитанная по программе MOSTAB при экранирующем эффекте башни 24 %; 3 — то же при 93 %. (Экспериментальная Кривая соответствует мощности ВЭУ, равной 100 кВт. частоте вращения ветроколеса 40 об/мин, углу поворота лопасти — 8°, скорости ветра 12 м/с.)
Основные показатели ВЭУ соответствуют проектным, за исключением того, что изгибающие моменты у основания лопастей оказались больше, чем ожидалось: при скорости ветра 12 м/с они были почти вдвое больше, чем расчетные (рис. 4). Нулевой градус на графике рис. 4 соответствует нижнему положению лопасти. Расчетное значение изгибающего момента было вычислено по машинной программе MOSTAB для определения нагрузок винтов вертолетов, видоизмененной применительно к расчетам ветроколес. Для принятой степени экранирования ветра башней, равной 24 %, расчетное значение циклического изгибающего момента изменяется от —81 400 до +5430 Нм. При эксперименте получены значения моментов, изменяющихся от —163 000 до +9500 Нм. При расчете по программе MOSTAB были получены значения изгибающего момента, близкие к наибольшим экспериментальным в том случае, когда степень экранирования ветра башней принимается равной 93 %.
ВЭУ MOD-0A мощностью 125—200 кВт
Цель создания ВЭУ Mod-ОА состоит в том, чтобы получить первоначальный •опыт по эксплуатации ВЭУ, работающих на сети энергосистем. В частности, планировалось обосновать фактические требования, связанные с особенностями использования ВЭУ в энергосистемах, получить эксплуатационные данные и выявить организационные проблемы, возникающие при эксплуатации ВЭУ в энергосистемах.Для достижения этой цели были изготовлены две ВЭУ, подобные ВЭУ Mod-О мощностью 100 кВт, но большей мощности. Их проекты получены путем частичной переработки проекта ВЭУ Mod-О для увеличения мощности со 100 кВт при скорости ветра 8 м/с до 200 кВт при скорости ветра 10,3 м/с. Однако сначала запланированная мощность первой ВЭУ составляла 125 кВт, поскольку для обеспечения более быстрого выполнения программы использовался имевшийся запасной редуктор от ВЭУ Mod-О, рассчитанный на 125 кВт. Запланировано позже заменить этот редуктор на редуктор мощностью 200 кВт. Обе ВЭУ Mod-ОА имеют генераторы переменного тока мощностью 200 кВт. Лопасти ветроколес ВЭУ Mod-ОА подобны металлическим лопастям используемым на ВЭУ Mod-0.
Башня представляет собой стальную ферму, подобную башне ВЭУ Mod-(L Однако она проектируется так, чтобы свести к минимуму сопротивление ветру и, следовательно, уменьшить влияние экранирования ветра башней на изгибающий момент лопасти. Вместо огражденной маршевой лестницы башни Mod-O на башне Mod-OA установлен простой пассажирский лифт для подъема наверх и простая лестница для использования в аварийных ситуациях.
Непосредственный монтаж ВЭУ выполняется по производственным контрактам заключенным с целью широкого привлечения и эффективного использования промышленности США в выполнении ветроэнергетической программы. Фирма-подрядчик осуществляет монтаж ВЭУ на выбранных участках и отвечает за пусковые испытания и первоначальную эксплуатацию.
ВЭУ MOD-1 мощностью 1500 кВт
Цель создания ВЭУ Mod-1 состоит в том, чтобы привлечь промышленность. и потенциальных потребителей к проектированию и производству наиболее эффективных ВЭУ, которые были бы способны производить электрическую энергию, стоимость которой была бы не выше стоимости электроэнергии, получаемой на тепловых электростанциях. В процессе этих усилий внимание должно быть уделено также оценке общественной реакции на развитие больших ВЭУ. Для достижения указанных целей был принят проект, включающий следующие этапы: заключение контрактов на проектные исследования; оценка проектов и предварительных разработок; заключение контрактов на рабочее проектирование, изготовление, монтаж и эксплуатацию; наконец, обобщение опыта эксплуатации экспериментальных ВЭУ и подготовка отчетной документации.Задачи указанных этапов разработки ВЭУ Mod-1 подробно описаны в справочной литературе.
С целью выбора и проектирования ВЭУ с минимальной стоимостью вырабатываемой энергии с фирмами General Electric Company (GE) и Kaman Aerospace Corporation (Kaman) были заключены два параллельных исследовательских контракта стоимостью приблизительна 500 тыс. долл. каждый. Работа была ограничена рассмотрением горизонтально-осевых ВЭУ с ветроколесом крыльчатого типа, которые могли бы производить, электрическую энергию, пригодную для подачи в энергосистемы. Исследования включали разработку проектной концепции, выбор параметров, составление предварительного проекта и определение требований, связанных с включением ВЭУ в энергосистемы.
На основании оценки альтернативных схем ВЭУ и предварительных экономических исследований подрядчики независимо пришли к выводу, что для получения минимальной стоимости энергии ВЭУ должна иметь двухлопастное ветроколесо с регулируемым углом установки лопастей и постоянной частотой вращения. Ветроколесо, работающее при расположении за башней, должно приводить во вращение синхронный или асинхронный генератор через повышающий редуктор. Первые результаты этих исследований, полученные фирмой Kaman, обобщены.
В процессе решения задачи по выбору оптимальных параметров были определены капитальные вложения и стоимость энергии для ряда ВЭУ в диапазоне изменения мощности от 50 до 3000 кВт, рассчитанных по условию минимума стоимости вырабатываемой энергии. Управлением NASA были заданы кривые распределения скорости ветра, которые были использованы для всех энергетических расчетов в проектных исследованиях. При этом предполагалось, что исходные характеристики скорости ветра соответствуют высоте 9,1 м.
Результаты решения задачи по выбору оптимальных параметров ВЭУ на рис. 5 показаны непрерывными линиями в виде зависимости стоимости энергии от среднегодовой скорости ветра Vrи установленной мощности ВЭУ /уст-Эти кривые соответствуют ВЭУ с параметрами, оптимизированными по условию минимума стоимости вырабатываемой энергии для заданной Vr. Для сравнения отметим, что стоимость вырабатываемой в США электроэнергии находилась в пределах от 0,1 до 5 цент/(кВт-ч). Приведенные данные показывают, что ВЭУ могут быть конкурентоспособными при сравнении с некоторыми существующими энергоустановками.
Рис. 5. Зависимости стоимости энергии сэ, производимой ВЭУ, от их установленной мощности Руст и среднегодовой скорости ветра Vr , полученные в результате исследования по выбору параметров, выполненного фирмами Kaman (а) и GE (б):
1 — Vr=5,4 м/с; 2—Vr=8 м/с (точки соответствуют стоимости энергии, полученной в результате разработки предварительных проектов).
Оба исследования показали, что для заданной среднегодовой скорости ветра vrстоимость энергии выше для ВЭУ, имеющих малую мощность в пределах их рассмотренных значений. В исследованиях GE получено, что затраты на производство энергии очень медленно снижаются при увеличении уровня мощности для всех среднегодовых скоростей ветра. Расчеты фирмы Kaman показывают, однако, что после снижения стоимость энергии начинает возрастать при повышении мощности до уровня приблизительно 700 кВт для Vr = 5,4 м/с, 800 кВт для Vr=6,7 м/с и 1500 кВт для Vr=8 м/с. Тот факт, что одна кривая уже достигает минимума, в то время как другие кривые продолжают еще монотонно снижаться, является, главным образом, следствием различия в используемых предположениях об изменении стоимости ветроколеса при увеличении его диаметра.
Как видно из рис. 5, в выполненных исследованиях стоимость энергии, производимой ВЭУ, имеющими оптимальные параметры, отличается почти вдвое. После выполнения программы предварительных разработок ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт различия в стоимости энергии в обоих исследованиях сократились: в разработках фирмы Kaman стоимость уменьшилась, а фирмы GE — увеличилась. Полученные при этом оценки стоимости энергии показаны на рис. 3.5 точками. Стоимости подсчитаны с использованием оценок капитальных вложений, выработки энергии, годовой нормы процента на капитал, эксплуатационных расходов и затрат, связанных с техническим обслуживанием, налоговыми издержками и другими расходами.
Первоначально фирма GE принимала норму годовых издержек, равную 0,16, а фирма Kaman — 0,20. Это различие объясняет основное расхождение между результатами расчета стоимости энергии. Чтобы сопоставить стоимость вырабатываемой энергии в обоих исследованиях, была использована норма годовых издержек, равная 0,16.
Для расчета стоимости энергии сэ использована следующая зависимость:
где К — суммарные капитальные вложения; W— годовая выработка энергии. Из рис. 5 видно, что стоимость энергии, определенная для ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт фирмой Kaman, составляет соответственно 5,5 и 2,0 цент/(кВт ч), тогда как значения стоимости энергии, определенные фирмой GE для ВЭУ такой же мощности, равны 4,2 и 1,7 цент/(кВт • ч).
Представляет интерес также вопрос о значении коэффициента использования установленной мощности ВЭУ &и,уст. Он определяется как отношение энергии, вырабатываемой ВЭУ в течение года, к энергии, которая могла бы быть получена при работе ВЭУ постоянно с установленной мощностью Рус.
Коэффициент использования установленной мощности показывает, насколько эффективно используется ВЭУ. Чтобы увеличить этот коэффициент, применяют ветроколеса большего диаметра, чем это нужно для данной установленной мощности. Поэтому ВЭУ эксплуатируется с установленной мощностью большее число часов. Однако ВЭУ с высоким кш, уот не обязательно производят энергию с наименьшей стоимостью; они вырабатывают больше энергии, но являются более дорогими вследствие увеличенного размера ветроколеса.
Выбор ВЭУ с минимальной стоимостью энергии или с более высоким kn , vct зависит от условий ее эксплуатации: если вся вырабатываемая энергия может быть использована в любое время, ВЭУ с минимальной стоимостью энергии предпочтительнее; если же для использования всей энергии необходимо ее аккумулирование, то лучше ВЭУ с более высоким коэффициентом использования установленной мощности. Во многом выбор определяется условиями и требованиями потребителей.
По выбора основных параметров ВЭУ и проектных значений среднегодовых скоростей ветра была, установлена чувствительность оптимального варианта ВЭУ к изменению среднегодовой скорости ветра. Определено, как повлияет на стоимость энергии, вырабатываемой ВЭУ с оптимальными параметрами, например, мощностью 1500 кВт для Vr = 8 м/с, ее эксплуатация на участках с Vrот 6,7 до 9,4 м/с.
Расчеты показали, что при увеличении стоимости энергии менее чем на 10 °/о ВЭУ мощностью 500 кВт, спроектированная для Vr = 5,4 м/с, может быть использована на участках с Vrот 4,0 до 6,7 м/с, а ВЭУ мощностью 1500 кВт — в зонах с Vrот 6,7 до 9,4 м/с. Таким образом, обе ВЭУ могут быть использованы на участках с относительно широким диапазоном среднегодовых скоростей ветра при небольших изменениях в стоимости энергии.
Таблица 1. Результаты предварительных проектных разработок ВЭУ мощностью 500 и 1500 кВт
| Характеристика | Яуст= 500 кВт | яуст= 1500 кВт |
| Среднегодовая скорость ветра, м/с Расчетная скорость ветра, м/с Выработка энергии, млн. кВт-ч/год Диаметр ветроколеса, м Коэффициент заполнения ветроколеса, % Частота вращения ветроколеса, об/мин Стоимость энергии, цент/(кВт-ч)* Удельные капитальные вложения, долл/кВт Стоимость ВЭУ, тыс. долл. Коэффициент использования установленной МОЩНОСТИ | 5,4/5,4 7,3/9,2 1,88/1,3 55,8/45,6 3/3 29/32,3 4,2/5,5 974/901 486/450,67 0,42/0,29 | 8/8 10/11,2 6,6/5,7 58/54,а 3/3 40/34,4 1,7/2,0 449/481 674/720,8 0,51/0,43 |
Примечание. В числителе — данные исследований фирмы GE, в знаменателе — фирмы Kaman.
В результате исследования для дальнейшей разработки были выбраны две ВЭУ мощностью 500 кВт для работы в зонах с Кг = 5,4 м/с и мощностью 1500 кВт для работы на участках с Vr = 8 м/с. Проектирование и исследование по выбору параметров ВЭУ проводились с учетом необходимости обеспечения минимальной стоимости вырабатываемой энергии. Однако при окончательном выборе было обращено внимание также на значение коэффициента использования установленной мощности ВЭУ и выбранные проекты несколько отличались от оптимальных с тем, чтобы получить высокие k „, yCT при незначительном увеличении (на несколько процентов) стоимости энергии. Капитальные вложения в этом случае увеличиваются, но вырабатывается существенно больше энергии, и поэтому ее стоимость оказывается близкой к минимальной, соответствующей оптимальным проектам (табл. 1).
Кроме разработки оптимальных проектов в качестве одной из основных задач исследования ставилось выявление требований, связанных с присоединением ВЭУ к типовым сетям энергосистем, в том числе требований к электрическому оборудованию, автоматической защите и системе управления, к операциям по эксплуатации и техническому обслуживанию.
Исследования показали, что нет сколько-нибудь серьезных проблем, связанных с присоединением ВЭУ к энергосистеме, а также организационных трудностей, которые явились бы существенными препятствиями для использования их в энергосистемах.
ВЭУ MOD-2 мощностью 1000—2000 кВт
Цель создания ВЭУ Mod-2 состоит в том, чтобы разработать большие ВЭУ. которые могли бы вырабатывать электрическую энергию с низкой стоимостью при эксплуатации на участках со среднегодовыми скоростями ветра около 5,4 м/с. Предварительные проекты показывают, что для работы на таких участках ВЭУ с оптимальными параметрами должны иметь ветроколеса с диаметром приблизительно 90 м.
Материал этой статьи основан на отчетах Центра Lewis Research Center ( LeRC ), Лаборатории Martin Marietta Laboratories , Центра United Technologies Research Center ( UTRC ), Принстонского университета и различных докладах, представленных на Второй симпозиум по системам преобразования энергии ветра.
