В монографии рассматриваются факторы, ограничивающие развитие технологической базы ветроэнергетики, а также пути и методы их преодоления на всех этапах – от проектирования до эксплуатации ветроэнергетических объектов и систем. Предложены новые расчетные методики и подходы к модификации и проектированию ветроустановок на основе их оптимизации по критериям энергоэффективности. Представлены многочисленные конструкции новых и модифицированных ветроустановок на основе авторских патентных разработок. Составленная линейка конструкций отражает тенденции развития ветрогенерирующих систем. Рассмотрены особенности регулирования частоты и предложены алгоритмы ее стабилизации в автономных гибридных энергоустановках с ветрогенераторами и накопителями энергии при резкопеременной нагрузке.
Монография предназначена для студентов, аспирантов, специалистов и исследователей, работающих в области ветроэнергетики. Она будет полезна тем, кто изучает тренды и перспективы ветроэнергетики, а также стремится к разработке и практической реализации инновационных технических решений.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Принятые сокращения ......................................................................................................................... 7
Предисловие ......................................................................................................................................... 9
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ТУРБИН .............. 13
Введение ............................................................................................................................................. 13
1.1. Конфигурационная оптимизация коллинеарных турбин ........................................................ 20
1.1.1. Коллинеарные турбины. Обзор источников .................................................................... 20
1.1.2. Методология оптимизации коллинеарных турбин .......................................................... 24
1.1.3. Энергоэффективность коллинеарных турбин. Численный эксперимент ...................... 35
1.1.4. Совместимость методик для коллинеарных турбин ....................................................... 39
1.1.5. Факторы энергоэффективности коллинеарных турбин .................................................. 44
1.2. Конфигурационная оптимизация ортогональных турбин ....................................................... 46
1.2.1. Ортогональные турбины. Обзор источников ................................................................... 46
1.2.2. Методология оптимизации ортогональных турбин ........................................................ 55
1.2.3. Эффекты инверсии лопастей в ортогональных турбинах ............................................... 69
1.2.4. Совместимость методик для ортогональных турбин ...................................................... 76
1.2.5. Факторы энергоэффективности ортогональных турбин ................................................. 78
1.3. Структурная оптимизация турбин ............................................................................................. 83
1.3.1. Структурные факторы энергоэффективности. Обзор источников ............................... 83
1.3.2. Концепция равномерного распределения мощности ...................................................... 88
1.3.3. Сегментно-тарельчатая аэродинамическая модель ......................................................... 90
1.3.4. Континуальная аэродинамическая модель ....................................................................... 96
1.3.5. Двухроторная тихоходная турбина: пример расчета ...................................................... 98
Выводы по главе 1 ........................................................................................................................... 104
Библиографический список к главе 1 ............................................................................................. 106
ГЛАВА 2. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК .............................................................................................................. 111
Введение ........................................................................................................................................... 111
2.1. Варианты преобразования энергии ВП ................................................................................... 114
2.1.1. Принцип лобового сопротивления (Drag Principle) ....................................................... 114
2.1.2. Принцип подъемной силы ............................................................................................... 115
2.1.3. Эффект Магнуса ............................................................................................................... 116
2.1.4. Эффект автоколебаний..................................................................................................... 117
2.1.5. Вихревая ВЭУ ................................................................................................................... 117
2.1.6. Энергетические характеристики ВЭУ, широко используемых в настоящее время ...... 118
2.2. Концентраторы ВП ВЭУ .......................................................................................................... 119
2.2.1. Общие сведения ................................................................................................................ 119
2.2.2. Концентратор ВП в виде сопла Савельева ..................................................................... 121
2.2.3. Пирамидальный концентратор ВП ................................................................................. 122
2.2.4. Ветроэлектростанция с концентратором ВП ................................................................. 125
2.3. ВЭУ с горизонтальным валом .................................................................................................. 127
2.3.1. Общие сведения ................................................................................................................ 127
2.3.2. Ветроэнергетическая установка (ВЭУ-Х) ...................................................................... 131
2.3.3. Ветроэнергетическое устройство .................................................................................... 132
2.3.4. Ветрогенераторные станции на базе ВЭУ с горизонтальным валом ........................... 134
2.3.5. Многомодульный комплекс маломощных ВЭУ с горизонтальным валом
и общей системой ориентации ........................................................................................ 137
2.3.6. Цилиндрическая ветротурбина ....................................................................................... 138
2.3.7. Призматическая ветротурбина ........................................................................................ 140
2.3.8. Мультироторный ветродвигатель ................................................................................... 143
2.3.9. Мультироторная ВЭУ с горизонтальным валом ........................................................... 148
2.3.10. Ветродвигатель ............................................................................................................... 149
2.3.11. Оптимизированный ветродвигатель ............................................................................. 152
2.3.12. ВЭУ с горизонтальным валом большой мощности ..................................................... 155
2.3.13. ВЭУ с горизонтальным валом и большим диаметром ветроколеса .......................... 157
2.3.14. Составная ВЭУ большой мощности ............................................................................. 159
2.3.15. Мощное ветрогенерирующее устройство .................................................................... 161
2.3.16. Мощная двухроторная ВЭУ .......................................................................................... 164
2.3.17. Ветродвигатель с N ветроколесами............................................................................... 168
2.3.18. Ветродвигатель с N M ветроколесами ....................................................................... 171
2.3.19. Многоэтажная ветроустановка ...................................................................................... 174
2.4. ВЭУ с вертикальным валом ..................................................................................................... 177
2.4.1. Общие сведения ................................................................................................................ 177
2.4.2. Ротор Савониуса ............................................................................................................... 178
2.4.3. Ротор Дарье с фиксированными лопастями ................................................................... 179
2.4.4. Ветродвигатели с «дифференциальным лобовым сопротивлением» .......................... 181
2.4.5. ВЭУ с вертикальным валом роторного типа.................................................................. 181
2.4.6. ВЭУ с вертикальным валом и аэродинамическими лопастями ................................... 182
2.4.7. Усовершенствованный ротор Дарье ............................................................................... 182
2.4.8. Способ преобразования кинетической энергии ВП во вращательное движение ....... 184
2.4.9. Способ преобразования кинетической энергии текущей среды во вращательное
движение ........................................................................................................................... 186
2.4.10. ВЭУ с вертикальным валом «ГРЦ Вертикаль» ............................................................ 187
2.5. ВЭУ с плоскими лопастями ..................................................................................................... 189
2.5.1. Ветродвигатель – ВЭУ с вертикальным валом и плоскими лопастями ...................... 189
2.5.2. Способ оптимизации ВЭУ с вертикальным валом и прямыми лопастями ................. 192
2.5.3. Способ преобразования кинетической энергии ВП во вращательное движение
плоской лопасти ......................................................................................................................... 192
2.5.4. Способ преобразования кинетической энергии ВП во вращательное движение
плоской лопасти при высоких скоростях ВП .......................................................................... 196
2.5.5. Ветронасос с вертикальным валом и плоскими лопастями .......................................... 198
2.5.6. Усовершенствованный ветронасос ................................................................................. 200
2.5.7. Карусельное ветроколесо, вариант 1 .............................................................................. 204
2.5.8. Карусельное ветроколесо, вариант 2 .............................................................................. 206
2.5.9. Карусельное ветроколесо, вариант 3 .............................................................................. 209
2.5.10. Карусельное ветроколесо, вариант 4 ............................................................................ 210
2.5.11. Карусельное ветроколесо, вариант 5 ............................................................................ 212
2.6. ВЭУ с коленчатым валом ......................................................................................................... 214
2.6.1. Способ преобразования энергии ВП в поступательное движение крыла ................... 214
2.6.2. Способ преобразования энергии ВП во вращательное движение ................................ 217
2.6.3. Ветродвигатель с коленчатым валом, вариант 1 ........................................................... 219
2.6.4. Ветродвигатель с коленчатым валом, вариант 2 ........................................................... 222
2.6.5. Ветродвигатель с коленчатым валом, вариант 3 ........................................................... 225
2.6.6. Ветродвигатель с коленчатым валом, вариант 4 ........................................................... 229
2.7. Безлопастные ветротурбины .................................................................................................... 233
2.7.1. Вертикальная безлопастная ВЭУ, вариант 1 .................................................................. 233
2.7.2. Вертикальная безлопастная ВЭУ, вариант 2 .................................................................. 235
2.7.3. Вертикальная безлопастная ВЭУ, вариант 3 .................................................................. 237
2.7.4. Вертикальная безлопастная ВЭУ, вариант 4 .................................................................. 238
2.7.5. Вертикальная безлопастная ВЭУ, вариант 5 .................................................................. 240
2.7.6. Безлопастная ВЭУ, вариант 6 .......................................................................................... 241
2.8. Высотная ветроэнергетика ....................................................................................................... 242
2.8.1. Общие сведения ................................................................................................................ 242
2.8.2. Летающая ВЭУ компании Omnidea ................................................................................ 244
2.8.3. Летающие ВЭУ Makani .................................................................................................... 246
2.8.4. Летающие ВЭУ компании Ampyx Power ....................................................................... 248
2.8.5. Летающие ВЭУ компании Kite Power Systems .............................................................. 249
2.8.6. Летающие ВЭУ компании Altaeros Energies .................................................................. 250
2.8.7. Летающая ВЭУ – электрогенерирующий гироплан ...................................................... 251
2.8.8. ВЭУ – летающая тарелка ................................................................................................. 253
2.8.9. ВЭУ – летающее аэродинамическое крыло ................................................................... 255
2.9. Плавающие ВЭУ ....................................................................................................................... 262
2.9.1. Сооружение надводной ветряной электростанции с фиксированным основанием ...... 262
2.9.2. Другой принцип крепления конструкции плавающих ВЭУ ......................................... 263
2.9.3. Способ ориентирования ВЭУ с горизонтальным валом ............................................... 267
2.10. ВЭУ с безредукторным приводом генератора ...................................................................... 270
2.10.1. Общие сведения .............................................................................................................. 270
2.10.2. Безредукторная ВЭУ SWT-2,3-113 фирмы SIEMENS ................................................ 272
2.10.3. Безредукторная ВЭУ SWT-3,0-101 фирмы SIEMENS ................................................ 272
2.10.4. Безредукторный ветрогенератор конструкции Н.С. Голубенко ................................. 274
2.10.5. Двухроторная безредукторная ВЭУ ............................................................................. 275
2.10.6. Безредукторная ВЭУ ограниченной мощности ........................................................... 277
2.10.7. Трансформаторный вариант безредукторной ВЭУ ..................................................... 279
2.10.8. Способ преобразования кинетической энергии ........................................................... 283
Выводы по главе 2 ........................................................................................................................... 285
Библиографический список к главе 2 ............................................................................................. 288
ГЛАВА 3. РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ В АВТОНОМНЫХ ГИБРИДНЫХ
ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ ........................................................................................... 293
Введение ........................................................................................................................................... 293
3.1. Особенности регулирования частоты в автономных энергосистемах ................................. 296
3.1.1. Традиционный метод ведущего агрегата ....................................................................... 298
3.1.2. Метод «master-slave» с задействованием одного регулятора ....................................... 298
3.1.3. Построение системы регулирования частоты верхнего уровня ................................... 299
3.2. Проблемы регулирования частоты в энергосистемах с возобновляемыми
источниками энергии (ВИЭ) .................................................................................................... 299
3.2.1. Общие положения ............................................................................................................ 299
3.2.2. Стохастический характер генерации .............................................................................. 303
3.2.3. Электрический способ управления ВЭС ........................................................................ 304
3.2.4. Механический способ управления ВЭУ ......................................................................... 306
3.2.5. Снижение инерции энергосистемы ................................................................................. 309
3.2.6. Сложность настройки релейной защиты и автоматики в энергосистемах
с ВИЭ-генерацией ............................................................................................................ 309
3.3. Опыт и перспективы применения систем накопления электрической энергии
для регулирования частоты в энергосистемах ........................................................................ 310
3.3.1. Применение накопителей энергии для регулирования частоты за рубежом .............. 310
3.3.2. Перспективы применения накопителей энергии для регулирования частоты
в ЕЭС России .................................................................................................................... 317
3.3.3. Перспективы применения накопителей энергии для регулирования частоты
в автономных энергосистемах России ........................................................................... 319
3.4. Анализ характерного графика нагрузки потребителей автономной энергосистемы
и формулирование требований к качеству регулирования частоты ..................................... 321
3.4.1 Анализ отклонений частоты в автономной системе электроснабжения
нефтедобывающего предприятия ................................................................................... 321
3.4.2. Анализ нагрузочной диаграммы и отклонений частоты ............................................... 324
3.5. Определение требований к системе автоматического регулирования частоты .................. 327
3.5.1. Требования с точки зрения обеспечения эффективной работы
электроприемников .......................................................................................................... 327
3.5.2. Требования с точки зрения допустимых режимов работы традиционных
генераторов ....................................................................................................................... 329
3.5.3. Определение критериев эффективности системы автоматического
регулирования .................................................................................................................. 331
3.6. Алгоритмы управления накопителем энергии для стабилизации частоты .......................... 332
3.6.1. Математическая модель автономной гибридной энергоустановки ............................. 332
3.6.2. Отклонение частоты при ступенчатом изменении нагрузки при работе
АРС ГТУ ........................................................................................................................... 335
3.6.3. Управление СНЭ по отклонению регулируемой величины ......................................... 337
3.6.4. Управление СНЭ по возмущению .................................................................................. 341
3.6.5. Алгоритм управления накопителем по возмущению и по отклонению ...................... 345
3.6.6. Апробация комбинированного алгоритма управления для стабилизации
частоты в автономной гибридной энергоустановке с резкопеременной
нагрузкой промышленного объекта ............................................................................... 347
Выводы по главе 3 ........................................................................................................................... 350
Библиографический список к главе 3 ............................................................................................. 351
Заключение ....................................................................................................................................... 357