Будажапов Т.В., Шумейко И.А.

Павлодарский государственный университет им. С.Торайгырова, Республика Казахстан, г. Павлодар

Повышение эффективности ветроэнергетической установки модифицированного АВЭУ6-4М

В статье представлена ветроэнергетическая установка АВЭУ6-4М с описанием конструкции, техническими характеристиками, с положительными и отрицательными отзывами и часто встречающимися поломками. Для усовершенствования ветроагрегата ставится задача внести изменения в его конструкцию и провести испытания в лабораторных условиях для определения наиболее оптимальных конструктивных параметров ветроколеса.

Республика Казахстан обладает достаточно большим ветроэнергетическим потенциалом и поэтому ветроэнергетике уделяется большое внимание. Интерес к развитию ветроэнергетики связан со следующими причинами:

- независимость стоимости электроэнергии от цен на топливо;

- экологически чистый источник питания;

- короткие сроки строительства ветроэнергетической установки;

- возможность поставки электроэнергии в отдаленные районы.

Важной проблемой в Казахстане является энергообеспечение отдаленных сельских хозяйств. В Республике около 360 тыс. км составляют линии электропередач, которые покрывают значительную часть Казахстана. Транспортировка электричества по электросетям на дальние расстояния требует очень больших затрат, так как происходят значительные потери в электросетях от 25% до 50%. В некоторых сельских хозяйствах передача электричества невозможна из-за неисправностей электросетей. Ремонт электросетей требует больших денежных затрат, что экономически не рентабельно. По данным МСХ РК около 255 сельских населенных пунктов и порядка девяти тысяч фермерских хозяйств нуждаются в электроснабжении. Во многих регионах стоит вопрос о водоснабжении сельских потребителей, так как из-за отсутствия электричества водоснабжение затруднено. Отсутствие электричества и воды в отдаленных сельских хозяйствах приводит к отставанию их развития в социально – экономическом плане.

По всей Республике Казахстан наблюдаются достаточно сильные ветра, а именно в Северо-восточном и Юго-западных направлениях скорость ветра достигает 6 м/с, что делает отдельные регионы перспективными для развития ветроэнергетики. С целью поддержания ветроэнергетики в Казахстане в настоящее время реализуется Национальная программа развития ветроэнергетики до 2015г. с перспективой до 2024года, подготовленная Министерством энергетики и минеральных ресурсов РК «Казахстан – инновации развития рынка ветроэнергетики».

Приоритетами Программы являются:

- поддержка развития научно-технической и промышленной базы ветроэнергетики;

- ввод мощностей ВЭС в районах с высоким ветроэнергетическим потенциалом и дефицитом электроэнергии [1].

Одним из путей решения проблемы с дефицитом электроэнергии может быть создание ветроэнергетической установки.

С 1968 по 1975гг. были разработаны новые ветроэлекрические агрегаты мощностью от 1 до 30 кВт, предназначенные для автономного применения в сельском хозяйстве. Разработка проводилась с учетом зоотехнических требований для ветроагрегатов сельскохозяйственного назначения. Под руководством профессора И.Д. Урусова были разработаны специальные бесконтактные генераторы мощностью от 1 до 30кВт. Ветроагрегаты мощностью 2-4 кВт и 8-16 кВт успешно выдержали государственные испытания и были рекомендованы к серийному производству.

Удачной конструкцией оказался двухлопастной ветроагрегат АВЭУ6 (рис.1) с диаметром ветроколеса 6 м, разработанный под руководством к.т.н. Федотова В.Е.

Агрегат ветроэлектрический унифицированный АВЭУ6 предназначен для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения ветроколеса и механической энергии – в электрическую. Агрегат используется в составе ветроэнергетических установок различного назначения для разнообразных автономных потребителей, а также:

- освещения, отопления и горячего водоснабжения жилых домов и производственных помещений; 

- электроприводов различных механизмов и машин; 

- подъема воды из колодцев, скважин и различных водоемов; 

- аэрации водоемов.

Агрегат работает автономно или в составе ветродизельных или ветробензоэлектрических (гибридных) систем, обеспечивающих гарантированное бесперебойное электроснабжение потребителей. 

Наибольших успехов НПО «Ветроэн» добилось в разработке эффективно работающих ветроустановок различного назначения, построенные на базе АВЭУ6 без использования аккумулятора.

Рисунок 1 – Ветроэлектрический агрегат АВЭУ6-4М.

1 - ветроколесо; 2 - мультипликатор; 3 - генератор; 4 - червячный редуктор; 5 - башня; 6 - фундамент; 7 - блок автоматики.

Таблица 1 – Техническая характеристика

№	Параметры	Значения
1	-Номинальная мощность, кВт - Скорость ветра для достижения номинальной мощности, м/с * - Номинальное напряжение, В - Число фаз - Номинальная частота тока, Гц	4 9,0 400/230 3 50
2	Ветроколесо - Диаметр, м - Число лопастей, шт. - Номинальная частота вращения, об./мин. - Скорость ветра для достижения номинальной частоты вращения, м/с - Регулировка частоты вращения ветроколеса - Система ориентации ветроколеса на ветер	6,6 2 230 6,5 Центробежно-аэродинамич. поворот лопастей Виндрозный механизм
3	Мачта -Высота,м - Тип	9,6 Металлическая, трубчатая
4	Диапазон рабочих скоростей ветра, м/с	4,5 – 40
5	Масса ветроагрегата (без фундамента), кг	1100

Регулирование частоты вращения ветроколеса - центробежноаэродинамическое; система ориентации ветроколеса на ветер - с помощью червячного редуктора и виндрозного механизма; мультипликатор - цилиндрический, двухступенчатый с передаточным отношением 3,4. При изменении направления ветрового потока виндрозное колесо приводится в действие и через двухступенчатую передачу поворачивает головку ветроагрегата. 

Башня предназначена для монтажа на ней головки ветроагрегата с червячным редуктором и состоит из трех секций труб. В вертикальном положении башню удерживают четыре растяжки, которые через талрепы крепятся к выпускам арматуры фундамента. Талрепы осуществляют выравнивание башни в вертикальном положении и натяжение растяжек. К нижней секции башни шарнирно крепится стрела подъема, которая служит для бескранового подъема и опускания ветроагрегата.

Ветроагрегат АВЭУ6 очень хорошо показал себя в антарктической станции Новолазаревская. Полученная энергия от ветроустановок использовалась для отопления домов полярников. Годовая эффективность топлива составила около 4 т в расчете на одну ветроустановку. Рабочая температура окружающей среды +50 -50⁰С. Наибольшее число положительных отзывов о работе получено от потребителей, использующих ветроагрегат на водопойных пунктах круглогодичного содержания, как для подъема воды, так и для выработки тепла[2].

Вместе с тем ветроагрегат имеет ряд существенных недостатков.

При наблюдении за работой ветроагрегата с электронасосом при скорости ветра от 3 до 6 м/с, которые чаще всего имеют место, в течение часа было зафиксировано:

- развиваемая мощность генератором от 0,15 до 1,4 кВт;

- три случая развозбуждения генератора. Такой режим работы для генератора и электронасоса является нежелательным.

На диаграмме приведена запись мощности, развиваемой ветроагрегатом при его работе с электронасом.

Диаграмма 1 – Запись мощности, развиваемой ветроагрегатом при его работе с электронасом

Ветроэлектрический унифицированный модернизированный АВЭУ6-4М, изготовленный на АО Павлодарского машиностроительного завода был установлен в одном из фермерских хозяйств Павлодарской области. За время эксплуатации произошли следующие поломки:

- на валу крыльчатки для ориентации к направлению ветра произошел срез шпонки из-за чего вышло из строя устройство ориентации лопастей ветроустановки к потоку ветра;

- произошла поломка лопасти ветроустановки из-за сильного порыва ветра, как следствие несрабатывания буревой защиты.

За 1,5 года работы ветроагрегат показал недостаточную устойчивость к порывам ветра.

На фотографиях 1 и 2 приведены типовые поломки ветроагрегата в результате порывов сильного ветра.

В связи с этим возникает задача внести конструкторские изменения в конструкцию силовой головки, которые повысили бы эффективность использования ветроэнергетической установки и ее устойчивость к сильным порывам ветра. С этой целью планируется разработка и создание действующей модели АВЭУ 6-4М, испытание ее в лабораторных условиях при постоянной скорости ветра с целью выявления наиболее оптимальных конструктивных параметров ветроколеса, а именно выявления: формы лопасти, их числа и относительной площади, для получения максимального значения момента частоты вращения и мощности при прочих равных условиях.

Фотография 1 Фотография 2

Так же ставится задача разработки и применения более надежного метода регулирования частоты вращения лопастей и буревой защиты.

Литература:

1. Государственная программа индустриально-инновационного развития Республики Казахстан на 2015-2019 годы, утвержденная Указом Президента РК от 1 августа 2014 года № 874.

2. Харитонов В.П. Ветроэнергетические установки и их применение в сельском хозяйстве / ЦБНТИ Минводхоза СССР. Серия 3 Обводнение и сельскохозяйственное водоснабжение. – М., 1984, Выпуск 2. – 275 с.