Энергия ветра, генерируемая с помощью ветряных турбин, является одним из наиболее быстро развивающихся устойчивых источников энергии.
Два типа ветряных турбин конкурируют за доминирующую конструкцию: редуктор и ветряные турбины с прямым приводом.
Их преимущества и недостатки.
Ветряная турбина с редуктором.
За последние несколько десятилетий технологии ветряных турбин заметно продвинулись, что привело к появлению ветряных турбин с регулируемой скоростью и многоступенчатой коробкой передач.
Этот тип турбины имеет редуктор между низкоскоростным ротором и электрическим генератором с более высокой скоростью вращения (обычно это относительно стандартный асинхронный генератор с двойной подачей).
Целью редуктора является увеличение скорости вращения ротора перед его подачей на генератор.
Для этого типа ветряных турбин лопасти вращаются с помощью вала, соединенного через редуктор с генератором.
Например, для выработки электроэнергии в случае ветротурбины мощностью 1 МВт коробка передач увеличивает скорость вращения лопастей с 15 до 20 оборотов в минуту до примерно 1800 оборотов в минуту.
Рисунок 1. Иллюстрация ветротурбины с редуктором.
Этот тип ветротурбины представляет собой сложную задачу для проектировщиков из-за нагрузки и условий окружающей среды, необходимых для работы коробки передач.
Мощность генерируется с помощью крутящего момента ротора; однако большие силы также прикладываются ротором турбины к трансмиссии.
Для предотвращения концентрации напряжений и отказов конструкторы должны отрегулировать редуктор так, чтобы он выдерживал нагрузки.
Уплотнения и системы смазки должны работать в широком диапазоне температур; в противном случае грязь и влага будут накапливаться внутри коробки передач.
Тип ветровой турбины с прямым приводом.
Для устранения отказов редукторов и потерь в передаче, производители разработали ветряные турбины без редукторов.
Этот тип ветряных турбин был введен в 1991 году и известен как ветряные турбины с переменной скоростью вращения.
Технология прямого привода является основой для ветряных турбин с прямым приводом; как показано на рисунке ниже, синхронный генератор питается напрямую от ротора.
Скорость генератора ветряной турбины с прямым приводом эквивалентна скорости ротора, потому что ротор подключен непосредственно к генератору.
Поскольку скорость вращения генератора низкая, конструктивное расположение нескольких магнитных полюсов в генераторе позволяет достичь соответствующей высокой выходной частоты.
Существуют две категории ветрогенераторов: генераторы с постоянными магнитами (PMG) и синхронные генераторы (EESG).
В EESG нет постоянных магнитов, изготовляемых из редких материалов, таких как неодим, извлечение которого может нанести вред окружающей среде.
С другой стороны, PMG имеют ряд преимуществ, таких как высокая эффективность с устранением потери поля, в дополнение к тому, что они небольшие и легкие по сравнению с EESG.
PMG обычно используются в небольших ветряных турбинах, но также могут использоваться в крупных мегаваттных установках.
Рисунок 2. Иллюстрация ветротурбины с прямым приводом.
Однако из-за высоких требований к крутящему моменту ветряные турбины с прямым приводом мощностью до 7-10 МВт требуют значительно более массивных и тяжелых генераторов.
В этом случае лучше выбрать одноступенчатую или двухступенчатую коробку передач, так как она намного меньше, легче и обеспечивает те же преимущества, что и генератор с прямым приводом.
Поскольку традиционные генераторы имеют цилиндрическую форму, синхронные генераторы с постоянными магнитами обеспечивают лучшую посадку прямого привода благодаря своей конструкции «пончик».
Однако для достижения требуемого высокого крутящего момента необходимо увеличить эффективное вращательное движение постоянного магнита.
В конечном счете, это означает, что диаметр генератора должен быть достаточно большим.
Рис. 3. Испытание ветродвигателя с прямым приводом на крупнейшем в мире испытательном комплексе приводных цепей ветротурбин в университете Клемсона.
Преимуществом турбин с прямым приводом является высокий КПД синхронных генераторов на постоянных магнитах.
Важным фактом является то, что из-за непоследовательности ветра турбины часто работают при частичной нагрузке.
Эффективность генератора ПМ превосходит даже в этих условиях, потому что он продолжает работать почти до номинальных значений.
Здесь добавлены некоторые преимущества в рамках расширенных функций управления, которые обеспечивают пользователям высокий выход энергии, тихую работу и долгосрочную надежность и доступность.
Поскольку ветряные турбины с прямым приводом не имеют редуктора, снижается механический шум, а также уменьшается количество вращающихся деталей.
Кроме того, этот тип ветряной турбины имеет один главный подшипник для узла ротора и генератора, что дополнительно снижает количество подвижных деталей, а также расходы на техническое обслуживание и ремонт.
Редуктор против прямого привода.
Когда речь идет о ветротурбине редуктора, турбулентность ветра может вызвать огромную нагрузку на колеса и подшипники в коробке передач, что, в свою очередь, может привести к дефектам компонентов турбины и, в конечном итоге, к остановке механизма.
Чем сильнее ветер, тем более уязвимы коробки передач; это означает, что морские турбины более уязвимы, чем наземные.
Коробка передач является частью самого высокого технического обслуживания турбины; следовательно, снятие коробки передач повышает надежность турбины.
Коробка передач также является самым тяжелым элементом турбины, поэтому ее снятие также улучшает этот аспект.
Рисунок 4. Расположение редуктора ветротурбины.
Производители годами изучали, как повысить конкурентоспособность турбин с прямым приводом по сравнению с турбинами с редуктором.
Вот почему технология первого усовершенствована в конструкции, как с точки зрения сложности, так и в плане технического обслуживания, что делает турбины с прямым приводом практичными для применения в морских ветровых установках.
Однако недостатки технологии с прямым приводом - стоимость и вес турбин с прямым приводом - до недавнего времени не позволяли ей представлять серьезную конкуренцию турбинам с коробкой передач.
Разработки в области магнитов с прямым приводом и механизмов генераторов привели к созданию более доступной и легкой модели с прямым приводом.
Цена на постоянные магниты, используемые в турбинах с прямым приводом, также значительно снизилась, увеличивая популярность турбин с прямым приводом.
С другой стороны, в настоящее время на рынке доступны и используются тысячи турбин с редукторами, что означает, что этот тип турбины не может внезапно выйти из эксплуатации.
Поэтому производители ветряных турбин продолжают разрабатывать технологию редукторов, чтобы уменьшить простои и повысить их надежность.
В результате магнитные системы ветряных турбин стали легче и требуют меньше меди.
Ключевые детерминанты для технологии доминирующих турбин.
Аспекты, которые влияют на эффективность технологии и определяют, какой тип турбины станет доминирующим на рынке:
· Репутация и авторитет бренда производителя;
· Технологические характеристики: общий выход энергии, стоимость и надежность;
· Цена (цена товара и стоимость услуг и обслуживания);
· Наличие дефицитных материалов (например, магниты, используемые для генераторов с прямым приводом на постоянных магнитах);
· Гарантия производителя;
· Количество поставщиков комплектующих.
Наиболее важными факторами выбора правильных ветряных турбин являются стоимость и надежность технологии.
Стоимость энергии является ключевым фактором, который влияет на стратегическое решение о строительстве новых ветропарков.
В идеале цена должна оставаться фиксированной в течение определенного периода времени, что позволит получить представление о технологии, обеспечивающей наименьшую стоимость энергии и имеющей преимущество перед конкурентами.
Вторым важным фактором является надежность ветряных турбин.
Ветряные турбины должны работать в различных местах, от легкодоступных полей до удаленных морских или горных районов.
Ремонт и внеплановое техническое обслуживание, обусловленное низкой надежностью, могут быть чрезвычайно дорогостоящими и длительными.
Такие технологии, как интеллектуальный онлайн-мониторинг, могут повысить общую надежность. [2]
Эксперты оценивают перспективы обеих технологий на ближайшее время практически одинаково.
Возможны два варианта: либо обе технологии будут продолжать развиваться до тех пор, пока одна из них не превалирует; либо оба типа найдут достаточно пользователей, чтобы сосуществовать на рынке.
Некоторые эксперты утверждают, что технология прямого привода в конечном итоге станет доминирующей.
Заявляя об этом, они приводят три аргумента:
1. Затраты на морскую опорную конструкцию для ветряных турбин с прямым приводом ниже из-за ее меньшего веса.
2. Прямой привод имеет больше возможностей для дальнейшего совершенствования. Эксперты утверждают, что ветровая турбина редуктора почти достигла максимальной эффективности, в то время как турбины с прямым приводом имеют больше возможностей для улучшения.
3. Прямой привод более эффективен для будущего ветра с более высокой номинальной мощностью, поскольку ветряные турбины редуктора требуют дополнительных ступеней передач, что приводит к большим потерям.
В конце концов, технология коробки передач не скоро исчезнет.
Однако задействованные вращающиеся детали должны повысить ее эффективность и результативность, поскольку затраты на технологию прямого привода снижаются.
Кроме того, это также заставит технологию коробки передач повысить свою надежность.
Существует также возможность гибридной конструкции, сочетающей элементы коробки передач и конструкции с прямым приводом.
Литература:
[1] Обнаружение неисправностей подшипников в коробке передач ветряных турбин, Сулиман Шанбр, Фарис Элаша, Мохамед Эльфорджани, Жоао Амарал Тейшейра, Опубликовано в 2017 г. Международная конференция по зондированию, диагностике, прогнозированию и контролю (SDPC) 2017
[2] Коробка передач в сравнении с прямым приводом - открытие черного ящика технологических характеристик, Гертен ван де Кааа, Мартейн ван Экб, Линда М. Кампа, Джафар Резаиа в Технологическом университете Дельфта, Яффалаан 5, 2628BX, Делфт, Нидерланды, Croonwolter & dros, Мартен Мисвег 25, 3068AV, Роттердам, Нидерланды.