Промышленные ветрогенераторы большой мощности: Промышленные ветрогенераторы большой мощности

как устроены ветровые электростанции, рентабельность и особенности конструкции

Ветроэнергетика как отрасль может базироваться только на использовании крупных и высокопроизводительных ветровых турбин. Установки малой мощности, обеспечивающие лишь отдельные дома или группы потребителей, интересны только как автономные источники энергии. Крупные ветротурбины успешно используются в странах Запада, США, Китае. Для использования таких устройств требуется достаточно сильный и стабильный ветер, что свойственно не всем регионам.

Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы?

Существующие ныне мощные ветрогенераторы имеют практически одинаковую конструкцию. За основу взят горизонтальный ротор с крыльчаткой. Большие размеры лопастей создают высокую площадь сопротивления потоку ветра, поэтому обычно устанавливается по три лопасти. Масса таких установок очень велика — одна из величайших установок Enercon E-126 весит 6000 т. При таких параметрах требуется достаточно сильный и ровный ветер.

Для старта вращения используются специальные электродвигатели. Большинство моделей не имеет устройства наведения, обходятся установкой на преобладающем направлении потока. Обычное место использования — степные или пустынные регионы, прибрежные или шельфовые районы с постоянными и ровными ветрами.

Конструкция мощного ветрогенератора состоит из следующих элементов:

• опорная башня. У образцов меньших размеров это мачта. Башня имеет коническую форму, способствующую большей устойчивости и равномерному распределению нагрузок. Изготавливается на месте путем последовательной заливки бетоном соответствующей опалубки. В основании имеется мощная бетонная площадка, являющая цоколем фундамента, обеспечивающего неподвижность и устойчивость
• гондола. Это камера, внутри которой расположены генераторный отсек, устройства передачи вращения. К ней же присоединяется ротор, конструктивно являющийся продолжением гондолы и образуюший вместе с ней обтекаемую форму. Внешняя часть ротора состоит из хаба и лопастей. Хаб — это центральный обтекатель, установленный на валу генератора и служащий для присоединения лопастей. Гондола имеет возможность вращения вокруг башни для установки на ветер, для чего используется асинхронный электродвигатель и зубчатая передача, опоясывающая всю верхнюю часть башни. Возможность вращения имеется не у всех моделей, для шельфовых ветряков, работающих на потоках двух противоположных направлений, эта функция необязательна.
• генератор турбины представляет собой устройство кольцевого типа. Ротор турбины конструктивно объединен с ротором генератора, это снижает потери и уменьшает материалоемкость. Для подобных конструкций принципиально важно в максимальной степени исключить узлы передачи вращения, взамен применяя единые цельные элементы.

Лопасти изготавливаются из специального композитного волокна с включениями стали. В зависимости от размеров они изготавливаются целиком или набираются из отдельных частей. Устройство лопастей предусматривает возможность изменения профиля или угла поворота, позволяя регулировать аэродинамику в соответствии с режимом ветрового потока.

В зависимости от размеров, фирмы-изготовителя и назначения ветряка, могут иметься какие-либо изменения в конструкции, дополнения или иные особенности, присущие только данной модели.

Размеры ветряка

Промышленные ветрогенераторы большой мощности обладают впечатляющими габаритами. Так, уже упоминавшийся Enercon E-126 имеет полную высоту 198 м при размахе лопастей 128 м. Площадь, которую ометают такие лопасти, составляет 12668 м².

Размеры других ветряков соответствуют вырабатываемой мощности. Существуют более крупные или мелкие модели, но все они велики и обладают большим весом. При этом, поверхность земли занимает только основание мачты, вся остальная площадь пригодна для использования под сельское хозяйство.

Примечательно, что мощные ветряки нерентабельны по отдельности. Они используются чаще всего в составе больших ветроэлектростанций, занимающих достаточно большие площади. В составе комплексов насчитываются десятки и даже сотни отдельных установок, объединенных в единую систему и выдающие суммарную мощность в несколько мВт. Они создаются в местах с оптимальными ветровыми условиями, способными обеспечить равномерную нагрузку и стабильную производительность оборудования.

Большие размеры означают высокие цены на оборудование. Так, стоимость турбины Enercon E-126 составляет 11 млн евро. Можно примерно подсчитать стоимость целой ветроэлектростанции, эксплуатационные расходы и затраты на доставку и монтаж таких гигантов. Соответственно, себестоимость энергии достаточно высока, а срок службы относительно низок — около 20 лет.

Мощные ветрогенераторы: сравнительная характеристика

Параметры мощных ветряков напрямую зависят от их мощности. Тип конструкции у всех моделей практически одинаков, так как аэродинамика лопастей, оптимальным образом подходящая для установок высокой мощности, должна соответствовать именно такой конфигурации. Поэтому сравнивать можно только пропорции крыльчатки того или иного устройства. Гораздо проще рассматривать мощность установок, поскольку она важнее для любых расчетов и может сказать гораздо больше для потенциального пользователя.

Флагманами в этом направлении являются известные фирмы Siemens, Enercon, Vestas и многие другие. Конкуренция между ними весьма жесткая, так как спрос ограничен, ошибки недопустимы. Отсюда высочайшее качество оборудования, отлаженный механизм работы всех узлов и агрегатов. Примечательно, что спрос на крупные устройства намного ниже, чем на менее производительные. Цена оборудования не позволяет широко распространять его повсеместно, выбор делается в сторону меньших расходов.

Промышленные ветровые электростанции

Функционирование нескольких сотен крупных ветряков способно создавать большие мощности. Создание ветровых электростанций позволило решить проблемы с электроснабжением регионов, не имеющих возможности строительства ГЭС или АЭС.

Примечательно, что запрет на строительство АЭС в ряде регионов мира и отсутствие других возможностей явились причинами возникновения множества ВЭС, хотя эксплуатационные и экономические параметры ветряков уступают более традиционным вариантам выработки энергии. Кроме того, ветроэнергетика признана экологически чистым направлением, что также сыграло немалую роль в развитии отрасли.

В последнее время наблюдаются две параллельные тенденции:

• рост числа мощных установок, объединенных в большие станции
• возрастание интереса к частным источникам, дающим возможность автономного существования без использования сетевых ресурсов

Возникает конкурентная ситуация, когда большие вложения в огромные комплексы перестают покрываться доходами от них, а небольшие установки становятся все более выгодными и удобными. Будущее покажет, какая система станет наиболее распространенной и эффективной.

Рекомендуемые товары

Промышленные ветрогенераторы большой мощности, как устроены и как работают

Нередко в наших статьях затрагивается тема альтернативной энергетики, и объясняется это несколькими важными причинами. Первая, и, пожалуй, наиболее важная причина, по которой мы освещаем эти новости, заключается в том, что для успешного преодоления энергетического кризиса человечеству необходимо освоить дополнительные источники энергии, к которым могут относиться энергия солнца и ветров, энергия течений воды и биомассы и т. п.

Вторая причина – это забота об окружающей среде и общем будущем земли: альтернативная энергетика подразумевает использование возобновляемых источников энергии, которые не загрязняют мир, в котором мы живем, и не истощаются по мере их использования.

И, наконец третья причина – прогресс не стоит на месте, внедряются новые технологии, увеличивается удельная мощность энергоблоков альтернативных электростанций, растет их эффективность, поэтому такие статьи призваны помогать знакомиться с последними достижениями альтернативной энергетики.

Об альтернативной энергетике в целом можно прочитать тут, о преобразовании солнечной энергии в электрическую – в соответствующей статье, а о разных типах солнечных электростанций – здесь. В данной же статье рассматривается еще один альтернативный источник энергии – ветрá. Энергия ветра – это возобновляемый вид энергии, то есть независимо от того, сколько ветра человек преобразует в тепло, движение или электричество, меньше ветров не станет, и дуть от этого они не перестанут. Дело в том, что ветер возникает из-за неравномерного нагрева слоев атмосферы солнцем, и пока над землей светит солнце и существует разность температур, будут дуть ветра. Именно этот фактор стал причиной бурного развития ветроэнергетики. По состоянию на 2018 год, установленная мощность всех ветровых электростанций (ВЭС) достигла 591 ГВт. Как же устроены и как работают ветрогенераторы большой мощности? Давайте узнаем.

Ни для кого не секрет, как выглядит современный ветрогенератор: это комплексная система, состоящая из мачты высотой 30-140 метров, закрепленной в земле на массивном железобетонном фундаменте, ветрогенератора, приводимого в движение лопастями длиной до 40 метров, и электрической части, в которую входят провода и кабели, инверторы, стабилизаторы тока и напряжения, а также аккумуляторы и контроллеры заряда. Начнем рассмотрение ВЭС в логическом порядке – снизу вверх.

Железобетонные фундаменты электростанций такого типа предназначены для мощной фиксации башен в грунте, потому что при сильных порывах ветра ВЭС испытывают колоссальные механические нагрузки. В случае шельфовых (расположенных в море на расстоянии 10-60 км от берега) ветровых электростанций башни могут устанавливаться на сваи длиной до 30 метров, вбитые в морское ложе. Фундаменты ветрогенераторов, устанавливаемых на суше, могут достигать 15 метров в диаметре и до примерно столько же в глубину, в случае ветрогенераторов малой мощности фундаменты мачт закладываются на полутораметровой глубине и размер основания мачты составляет около метра.

Для большей прочности и сопротивляемости ветрам мачты ветрогенераторов дополнительно укрепляются растяжками на тросах, расстояние которых от мачты выбирается в зависимости от скорости ветра в данном районе.

Высота лопастей ветрогенераторов, как уже отмечалось, может достигать 40 метров для генераторов мощностью около 2. 3 МВт. Количество лопастей – 3 – обусловлено оптимальным соотношением между крутящим моментом, создаваемым ветром и необходимым для преодоления инерции ротора генератора, и скоростью вращения пропеллера. Если увеличить количество лопастей, то можно вращать более массивный и соответственно более мощный генератор, но частота вращения будет низкой. Если уменьшить число лопастей, то пропеллер начнет вращаться быстрее, но не сможет раскрутить тяжелый ротор после отсутствия ветра, хотя на практике встречаются и двухлопастные, и многолопастные ветрогенераторы.

Фото 1. Испытание лопасти ветрогенератора на гибкость

Лопасти изготавливаются отдельно из легких, прочных и морозостойких материалов и крепятся к хабу – трехлучевой «крестовине», непосредственно присоединенной к валу генератора. С учетом размера хаба диаметр лопастей ветрогенератора может достигать сотни метров. Для лучшего соответствия параметров генератора скорости ветрового потока хабы снабжаются системой изменения угла атаки (шага винта) лопастей. От слишком высоких скоростей ветра лопасти защищены системой автоматической остановки движения, которая блокирует вращение.

Фото 2. Хаб

Турбина может поворачиваться на мачте для обеспечения генерации энергии при изменении направления воздушного потока, для этого в месте крепления турбины к мачте предусмотрен автоматический поворотный механизм.

Генераторы по конструкции не сильно отличаются от обычных асинхронных генераторов, на роторе устанавливается обмотка независимого возбуждения, на статоре – статорные обмотки. Генерация возможна на скоростях ветра от 3 до 25 м/с с максимальными характеристиками в районе 15 м/с. Генерируемый ток заряжает аккумуляторы, за зарядом которых следят контроллеры, далее инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное требуемой частоты.

К недостаткам современных ветрогенераторов можно отнести возможность гибели пернатых созданий, шум, создаваемый лопастями и движущимися деталями, а также электромагнитные помехи, возникающие из-за электроники, находящейся в движущихся лопастях. Существуют проекты парящих ветрогенераторов будущего, например, от компании Altaeros, представленные на фото ниже. На большей высоте потоки ветров не турбулентные, а ламинарные, т.е. более стабильные.

Фото 3. Проект компании Altaeros (турбина будет парить на высоте несколько километров)

Стоимость современных ветрогенераторов мощностью до 100 КВт составляет до $8000 за киловатт, КПД достигает 40%, себестоимость электроэнергии составляет от ¢5 до ¢10 за киловатт для районов с сильными и слабыми ветрами соответственно. Ветроэнергетика – стабильно развиваемая отрасль, имеющая большие перспективы.

Если вы хотите, чтобы большие перспективы были и у вашего предприятия, обращайтесь в «ТМРсила-М» за проведением электрофизических измерений, предоставлением ответственного за электрохозяйство и за разработкой однолинейных схем и проектной документации. Успехов!

 

 

 

Ветроэнергетика: размеры и пределы роста

Современная ветроэнергетика – энергетика больших мощностей и гигантских машин. Ветряные турбины становятся все больше и больше. Примерно так:

Если посмотреть на изменение парка материковых ветровых турбин во времени, например, в Германии, очевидно увеличение их среднего размера.

Всё растет. Увеличиваются как башни, которые у крупнейших машин сегодня достигают 140 метров, так и лопасти, достигающие в длину почти 90 м, и диаметры ротора, доходящие до почти 190 м.

На нынешний день крупнейшими серийными ветряками являются 8-мегаваттные машины от Vestas (MHI Vestas V164), Adwen (AD-180) и Siemens (SWT-8.0-154 8MW), используемые в морской (офшорной) ветроэнергетике, а также 7,5 МВт модель Enercon E-126 – крупнейший материковый ветрогенератор (на фото в начале статьи).

Это серийные модели, находящиеся в эксплуатации. В виде прототипов существуют еще более крупные агрегаты.

Есть ли предел роста размеров ветряных турбин? Чем он обусловлен?

Понятно, размеры ветроустановок увеличивают не из прихоти, а исходя из экономических соображений – в попытке снизить стоимость электроэнергии. Высокие башни обеспечивают доступ к ветровым ресурсам более высокого качества (как говорят спецы: «на высоте 100 метров всегда есть коммерческий ветер»). Увеличение диаметра ротора позволяет «захватить» этих ресурсов побольше, а также задействовать менее качественный ветровой потенциал. Увеличение размеров может приводить к снижению удельных (на единицу мощности) капитальных и операционных затрат, что прямо отражается на стоимости электроэнергии.

В то же время рост размеров ветряных турбин наталкивается на ограничения, связанные как с характеристиками используемых материалов, так и с транспортировкой и технологиями монтажных работ. Кроме того, существуют физические лимиты увеличения размеров, описываемые законом квадрата-куба: объем (соответственно, масса и стоимость) используемых материалов может расти быстрее, чем отдача от этого увеличения.

Транспортно-логистические и монтажные ограничения касаются главным образом материковой ветроэнергетики. Перевозка секций башен большого диаметра и длинных лопастей наземным транспортном – серьезный технологический вызов. Диаметр перевозимых труб/конусов башен ветряков ограничен сегодня 4,3 метра в редких случаях возможны перевозки диаметров 4,6 метра. Разумеется, транспортировка таких агрегатов на дальние расстояния крайне затруднена. Одним из используемых компромиссных решений является комбинированная башня сталь/железобетон, в которой нижние железобетонные секции самого большого диаметра изготавливаются на месте. Кроме того, необходимо учитывать, что транспортная и монтажная техника (например, большие краны) имеет свои пределы.

Рассмотренные в предыдущем абзаце ограничения в меньшей степени касаются морской ветроэнергетики, где используются производственные технологии/мощности судостроения, строительства на шельфе и морских грузоперевозок.

Проведенное в текущем году в США исследование, включающее в себя опрос 163-х ведущих отраслевых экспертов, показало: размеры ветроустановок будут расти и дальше. При этом, очевидно, потенциал роста у офшорных ветрогенераторов существенно превышает потенциал наземной ветроэнергетики.

Результаты исследования представлены на следующих графиках.

К 2030 средняя высота башни ветрогенератора в материковой ветроэнергетике приблизится к 120 метрам и в Европе, и в США, средний диаметр ротора будет находится в интервале 130-140 метров, а средняя установленная мощность на один генератор в Европе превысит 3,5 МВт.

В офшорной ветроэнергетике намечаемые изменения куда существенней. Средняя мощность ветрогенераторов на европейском рынке достигнет 11 МВт, при высоте башен более 220 метров. Распространение получат плавающие ветроэлектростанции. Некоторые эксперты прогнозируют, что к 2030 году максимальная мощность морских ветряков на фиксированном фундаменте может достичь 18 МВт, то есть более чем в два раза превысить сегодняшние рекордные показатели.

В то же время очевидно, что ветроустановки не будут расти бесконечно. Вероятно, в скором времени мы узнаем оптимум, превышение которого будет затруднено с логистической, в первую очередь, точки зрения, и не будет оправдываться экономически.

Мощность и КПД ветрогенераторов различных типов: обзор технических характеристик

Описание и характеристики различных типов ветрогенераторов, их сильные и слабые стороны и применение в различных областях.

к содержанию ↑

Введение

Забота об окружающей среде и о собственном кошельке побудила светлые умы человечества к изобретению и внедрению новых методов производства энергии, источником, для которой, служили бы неисчерпаемые ресурсы: солнце, вода и ветер. Использование каждого такого источника имеет свои преимущества и недостатки, но наиболее доступной и эффективной считается энергия ветра.

Конечно, природа накладывает определённые ограничения на использование ветрогенераторов, и материальные затраты на выработку 1 кВт электричества от энергии солнца и ветра примерно сопоставимы. Но в северных широтах, особенно в прибрежных регионах, использование ветрогенераторов вне конкуренции.

Вопрос целесообразности установки упирается в среднюю скорость ветра по региону. Начиная с 4 м/с установка ветрогенератора считается целесообразной, а при 9-12 м/с он работает с максимальным КПД. Но мощность ветрогенератора зависит не только от скорости ветрового потока (схема 1), но и от диаметра ротора и площади лопастей (схема 2).

к содержанию ↑

Расчёт

Если известна средняя скорость ветра, то манипулируя величинами диаметра винта или его площади, можно вывести подходящую мощность установки, которая необходима.

Р = 2D*3V/7000, кВт, где
P — мощность;
D — диаметр винта в м;
V — скорость ветра в м/сек.

Данная формула расчёта эффективности ветрогенератора справедлива исключительно для крыльчатого — горизонтального типа.

к содержанию ↑

Виды

На данный момент в серийном производстве существует 2 вида ветрогенераторов:

1. Карусельные — ось вращения располагается вертикально по отношении к направлению ветра. Имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими — горизонтальными:
2. Вырабатывают электроэнергию при небольшой силе ветра;
3. Не нуждаются в сложных, активных системах направления на поток ветра, как следствие, идеально подходят для местности с турбулентными воздушными потоками;.
4. Некоторые промышленные модели не нуждаются в высокой мачте, сама ось для лопастей является мачтой. Поэтому удобны в обслуживании;
5. Низкий уровень шумового загрязнения, до 30 дБ;
6. Отличный внешний вид.

Но они имеют серьёзный недостаток — тихоходность. Для его преодоления применяют повышающие редукторы, что несколько снижает КПД.

2. Крыльчатые — горизонтальные ветряки. Этот вид ветрогенератора наиболее распространён при использовании в промышленной выработке электроэнергии.

Преимущества:

• Большая скорость вращения, это позволяет соединяться с генератором, что увеличивает КПД;
• Простота изготовления;
• Большое разнообразие моделей.

Недостатки:

• Высокий уровень шумового и ультразвукового загрязнения. Это может быть опасно для здоровья людей. Поэтому генерирующие промышленные мощности располагают в безлюдных местах;
• Необходимость применять стабилизатор и устройства наведения на поток ветра;
• Скорость вращения находится в обратной пропорции к количеству лопастей, поэтому в промышленных моделях редко используют более трёх лопастей.

Работы по преодолению последнего недостатка ведутся уже довольно давно. Было разработано и выпущено несколько небольших моделей ветрогенераторов. Их КПД довольно высокий для своего класса мощности, из-за оригинального строения лопасти.

Площадь сопротивления ветру в такой модели минимальна, она может работать при силе ветра и 2 м/с и выдавать при этом 30 Вт. Но учитывая, что на трение и иные потери, в моделях такого класса, уходит до 40% энергии, оставшихся 18 Вт не хватит даже на освещение одной лампочкой. Для использования на даче или в частном доме нужно, что-то серьёзнее.

к содержанию ↑

Выбор модели

Стоимость комплекта ветрогенератора, инвертора, мачты, ШАВРа — шкафа автоматического включения резерва, напрямую зависит от мощности и КПД.

Максимальная мощность кВт	Диаметр ротора м	Высота мачты м	Номинальная скорость м/с	Напряжение Вт
0,55	2,5	6	8	24
2,6	3,2	9	9	120
6,5	6,4	12	10	240
11,2	8	12	10	240
22	10	18	12	360

Как видим для полного или частичного обеспечения усадьбы электричеством необходимы генераторы большой мощности, установить которые самостоятельно довольно проблематично. В любом случае высокие капитальные вложения и необходимость производства работ по монтажу мачты с помощью спецтехники существенно снижают популярность ветровых энергетических систем для частного использования.

Существуют переносные ветрогенераторы малой мощности, которые можно взять с собой в путешествие. Эти модели компактны быстро монтируются на местности, не требуют особого ухода, и дают достаточно энергии, для комфортного времяпрепровождения на природе.

И хоть максимальная мощность такой модели всего 450 Вт, этого достаточно для освещения всего кемпинга и даёт возможность использовать бытовые электроприборы вдали от цивилизации.

Для средних и малых предприятий установка нескольких генерирующих ветровых станций могла бы дать существенную экономию в энергозатратах. Множество европейских фирм занимаются производством продукции такого типа.

Это сложные инженерные системы, требующие профилактики и обслуживания, но их номинальная мощность такова, что может перекрыть нужды всего производства. Для примера в Техасе на самой большой ветроэлектростанции в США всего 420 таких генераторов вырабатывают за год 735 мегаватт.

к содержанию ↑

Новейшие разработки

Прогресс не стоит на месте, и новые разработки поднимают эффективность ветрогенераторов на новую высоту, в буквальном смысле. Одной из самых трудозатратных частей при создании ветровой электростанции был монтаж наземных систем: мачты, генератора, ротора, лопастей. На малых высотах, возле земли ветровые потоки не постоянны, а подъём генерирующих мощностей на большую высоту, делает мачту слишком сложной и дорогой конструкцией.

Теперь этого можно избежать. Компания Makani Power разработала летающий ветрогенератор — крыло, запустив который на большую высоту 550 м, можно получить до 1 МВт электроэнергии в год.

Производство ветрогенераторов (ветряков) в России

Серийное производство ветрогенераторов, превышающее 50 штук в месяц, в России и странах СНГ на сегодняшний момент так и не налажено в виду отсутствия на них массового спроса, и лишь несколько производителей в нашей стране осуществляют производство ветряков.

Компания ЭнерджиВинд одна из первых в 2003 году начала производство ветряных электростанций собственной разработки

Это позволило занять выгодную конкурирующую позицию наряду с зарубежными производителями. Мы стали первым в России производством современных моделей тихоходных ветрогенераторов ручной сборки мощностью от 1 до 10 кВт.

В 2005 году цех экспериментального производства стал разрабатывать собственную радиоэлектронную составляющую ветроэлектростанций. На протяжении всего года проводились эксперименты, в которых проводилось разработка, тестирование и улучшение собственного контроллера. Далее мы стали сами разрабатывать и другие технологические продукты. Всё это позволило сократить расходы в 2-3 раза как на производство, так и на конечную стоимость ветрогенераторов. И сейчас мы предлагаем ветрогенераторы по стоимости в 2 раза дешевле, чем наши зарубежные конкуренты из развитых стран.

К 2007 году мы хорошо изучили направления потребительского спроса и смогли сформировать «базовые» комплекты оборудования с возможностью их модификации под каждого, конкретного потребителя. Данные варианты представлены в разделе «Ветрянные решения».

С 2009 года и по настоящее время наши клиенты имеют возможность приобрести ветрогенераторы российского производства, имеющие следующие преимущества в сравнении с импортируемыми аналогами:

• значительно ниже по стоимости;
• высокое качество комплектующих, в отличие от китайских;
• выполнение гарантийных обязательств перед потребителем;
• способны обеспечивать потребителей электроэнергией даже в период безветрия за счет питания от аккумуляторов;
• ручная сборка.

Ветрогенераторы производства России пользуются достаточным успехом, поскольку ввиду отсутствия электромагнитных и инфразвуковых колебаний не вызывают чувство дискомфорта у людей, при достаточно длительном сроке эксплуатации не нуждаются в сервисном обслуживании и способны работать в любых климатических условиях.

Несмотря на большое количество альтернативных источников энергии, существующих в России и в том числе предлагаемых нами производство ветрогенераторов с тех самых – давних времён остаётся сердцем нашей компании. Постепенно наша компания «обросла» внушительным «панцирем» из отделов продаж, логистики, закупок и прочих структурных подразделений, связанных с её ростом многие из которых, выделились в отдельные и дочерние компании и с 2010 года мы превратились в группу компаний… но «сердце» осталось всё то же — это собственное производство, состоящее из нескольких десятков высококвалифицированных профессионалов. Все наши специалисты имеют многолетний опыт по тем производственным процессам, за которые отвечают. 

В отличие от китайских предприятий, на которых производство ветряных электростанций осуществляется тысячными тиражами, наши ветряки выпускаются в ограниченном количестве, следовательно, качество выполнения каждой станции – на высшем уровне.

В 2011 году нашими клиентами по ветроустановкам уже стали известные государственные и частные компании страны:

• крупнейший Российский оператор сотовой связи О.А.О. «МТС»
• «Гидрометцентр России».

Выбор таких гигантов российского рынка являлся лучшим уже на тот момент доказательством нашего профессионализма и опыта, накопленного за годы работы нашего предприятия.

С 2014 года мы объединили коммерческие и инженерные усилия наших компаний с Московским заводом по производству инверторов и силовой электроники.

Это позволило значительно расширить предлагаемый нашими компаниями ассортимент продукции. Мы успешно вошли на такие рынки как Солнечные электростанции и системы бесперебойного питания.

К 2018 году наша группа компаний заняла лидирующие позиции на многих рынках, но настоящей гордостью для нас является даже не тот факт что мы это сделали преимущественно с продукцией собственного и отечественного производства…

А тот факт что не смотря на все кризисы и обстановку в стране в предыдущие годы мы сумели не только сохранить, но и приумножить главное для нас, наши «корни» – производство ветрогенераторов… то самое «сердце» теперь уже общее для группы наших компаний.

Наши установки из далеких 2000-x:

Ветрогенератор, вертикальные и горизонтальные конструкции их ТТХ

Данный способ получения энергии не оказывает негативного влияния на окружающую среду, а также в процессе не может возникнуть техногенной аварии. Кинетические свойства ветра доступны в любом уголке земного шара, поэтому оборудование можно устанавливать повсюду. К 2005 году мощность совокупной энергией ветра составил 59 тыс. мегаватт. И за весь год вырос на 24 %. Ветрогенератор, если говорить научным путём перерабатывает кинетическую энергию в механическую.

На понятном языке, с помощью этого агрегата энергия воздушного потока  перерабатывается в электричество, которое можно использовать в населенных и промышленных пунктах, отдалённых от центральной энергосети. Он имеет достаточно простой механизм работы: ветер крутит ротор, который вырабатывает ток и, в свою очередь, передаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразовывает напряжение на контактах аккумулятора в пригодное для использования.

Конструкция и технические характеристики  ветроэнергетической установки

Технические исследования доказали, что атмосферные циклоны намного мощнее наземные, поэтому необходимо выше устанавливать генерирующее устройство. Чтобы получить энергию высотных ветров необходимо определенная технология.

принцип работы зелёного тарифа с ветрогенератором

Её можно получить с помощью совокупности турбин и воздушных змеев. Электростанции, находящиеся на поверхности земли или морском шельфе получают поверхностный поток. Изучая технологический процесс производства двух типов станций, эксперты пришли к колоссальной разнице в эффективности. Наземные турбины смогут произвести более 400 ТВт, а высотные – 1800 ТВт.

Ветроэлектростанция на 100 квт в час на целые сутки

В общем, ветрогенераторы разделяют на домашние и промышленные. Последние устанавливаться на больших корпоративных объектах, так как имеют большую мощность, иногда их даже объединяют в сеть, что в результате составляет целую электростанцию. Особенностью таких способов выработки электричества является полное отсутствие как самого сырья для переработки, так и отходов. Все что нужно для активного функционирования электростанции — мощные порывы ветра.
Карта ветров по регионам и среднегодовая скорость.

 

Мощность можете достигать 7,5 мегаватт.

Роторные следует монтировать в местах где скорость ветра больше 4 м/с. Расстояние от мачты до ближайших построек или высоких деревьев, должно составлять не меньше 15 метров, а расстояние от нижнего края ветроколеса до ближайших веток деревьев и строений, должно быть, не меньше 2 метров. Требуется отметить, что конструкцию и высоту мачты каждый рассчитывает индивидуально, в зависимости от местных природных условий, наличия препятствий и скорости воздушного потока.

Установка и горизонтальных, и вертикальных ветрогенераторов производиться на фундамент. Мачту крепят на анкерные болты. Перед установкой мачты фундамент выдерживают месяц, это нужно, чтобы бетон уселся и набрал прочность. В обязательном порядке комплектуются системой грозовой защиты, поэтому могут надёжно обеспечить ваш дом электричеством, даже в дождливую погоду.

 

Новейшие технологии разработчиков компании NASA, направлены на генерирующие устройства воздушного змея. Это повысит коэффициент полезного действия до 90%. Так как, на земле будет расположен генератор, а в воздухе прибор, улавливающий атмосферные порывы. Сейчас тестируется система полета воздушного прибора, максимальная дальность 610 метров, а размах крыла приблизительно 3 метра. Вращательная фаза шара будет потреблять меньше ресурсов, а турбинные лопасти станут быстрее двигаться. Конструкторы предполагают, что такую инженерию можно внедрять в космосе, например на Марсе.

Змеи – электрогенераторы

Как видим, будущая перспектива достаточно оптимистична, осталось только дождаться, когда это все воплотится в жизнь. Не только космическое агентство предлагает инновационные методы, но уже множество компаний имеет планы на размещение таких конструкций на нужных географических участках Земли. Некоторые из них добились потрясающего прогресса и их детища уже эксплуатируются.

Чего только стоят башни – близнецы в Бахрейне, где два гигантских здания как одна электростанция. Высота достигает 240 метров. За год такой проект вырабатывает 1130 МВт. Примеров можно приводить очень много, суть в том, что с каждым годом растет количество заинтересованных компаний для участия в развитии индустрии.

Схема распределения энергии: 1 — ветрогенератор; 2 — контроллер заряда; 3 — аккумулятор; 4 — инвертор; 5 — распределительная система; 6 — сеть; 7 — потребитель.

Альтернативная ветроэнергетика СНГ

Естественно, ветроэнергетика стран СНГ отстает от передовых государств. Это объясняется многими причинами, в первую очередь экономическими. Правительственные ведомства разрабатывают программы, вводятся «зеленые тарифы», способствующие развивать отрасль.

Для этого есть огромный потенциал, но препятствий к реализации достаточно много. Например, Беларусь совсем недавно начала развиваться в этом направлении, но главной проблемой республики, является отсутствие собственного производства, приходиться заказывать оборудование в странах – партнерах. Говоря о России, данное производство находится в «замороженном» состоянии, поскольку базовыми источниками являются: вода, уголь и атом. Как следствие, 64 место в рейтинге производства электричества. Для Казахстана благоприятное географическое расположение должно способствовать, однако техническая база очень устарела и требует капитальной модернизации.

Развитие ветровой энергии в северной Европе

Норвегия расположена на Скандинавском полуострове, большая часть территории омывается морем, где дуют сильные северные ветра. Возможности получения электричества безграничны. В 2014 году был введен в эксплуатацию парк проектной мощностью 200 мегаватт. Такой комплекс обеспечит 40 тысяч жилых домов. Не стоит забывать, что Норвегия и Дания тесно сотрудничают на энергетическом рынке. Дания – это мировой лидер в области офшорной энергетики.

Большинство электростанций расположено в море, более 35% электроэнергии вырабатывается такими комплексами. Не имея атомных станций, Дания легко обеспечивает себя и Европу электричеством. Грамотное использование альтернативных источников позволило добиться такого прогресса.

Комплектация ветряков

Вертикальный, как правило, состоит из таких деталей:

• турбина
• хвост
• ориентирующий против потока ротор
• мачта с растяжками
• генератор
• аккумуляторы
• инвертор
• контроллер заряда аккумулятора
• сеть

Лопасти ветрогенератора

Отдельно хотелось бы затронуть тему лопастей, от их количества и материала, из которого они сделаны, напрямую зависит эффективность работы установки. Исходя из их количества, они бывают одно- двух-трёх и многолопастные. Последние характеризуются числом лопастей больше пяти, они обладают большой инерцией и КПД,, за счёт чего могут использоваться для работы водяных насосов. На сегодняшний день уже разработан довольно эффективный в работе, способный ловить потоки воздуха без лопастей. Он работает по принципу парусника, он ловит порывы воздуха, из-за чего двигаются поршни, что размещаются в верхней части, сразу за тарелкой.

Чертежи лопасти.

По материалам, из которых сделаны лопасти в установках, различают жёсткие и парусные конструкции. Парусные являются более дешёвым вариантом из стеклопластика, или из металла, но во время активной работы они очень часто ломаются.

Дополнительные элементы ветряка

Некоторые из современных моделей обладают модулем подключения источника постоянного тока для работы солнечных батарей. Порой конструкция вертикального ветряка дополняется необычными элементами, к примеру, магнитами. Очень большой популярностью пользуется из ферритовых магнитов. Эти элементы способны ускорить обороты ротора, а соответственно повысить мощность генератора и КПД.

Именно таким образом добываются повышения эксплуатационных характеристик на собственноручной сборке, к примеру, из старого автомобильного автогенератора. Требуется отметить  принцип ветроэлектростанции из ферритовых магнитов — он позволяет обойтись без редуктора, а это минимизирует шум и в несколько раз увеличивает надёжность._

Вертикально осевой Ротор Дарье. Особенности ротора

В новых конструкциях вертикальных ветряков используют Ротор Дарье, он имеет в два раза выше коэффициент переработки ветрового потока, чем все известные до сих пор установки подобного типа. Вертикально осевые с ротором Дарье целесообразно устанавливать для оборудования насосных станций, где нужен мощный момент на оси вращения при добыче воды с колодцев и скважин в условиях степи.

Ротор Савониуса новинка вертикальных генераторов

Русские учёные изобрели вертикальный генератор нового поколения, который работает на роторе Ворониных-Савониуса. Он являет собой, два полуцилиндра на вертикальной оси вращения. На любом направлении и шквалах, “ветряная мельница” на основе ротора Савониуса, будет полноценно вращаться вокруг своей оси и вырабатывать энергию.

Главным минусом его является низкое использование ветровой силы, так как лопасти-полуцилиндры функционируют только в четверть оборота, а остальную часть своей окружности вращения он тормозит своим движением. О того, какой ротор вы выберете, будет также зависеть долгосрочность эксплуатации объекта. К примеру, ветряки с геликоидным, могут равномерно вращаться благодаря закрутке лопастей. Этот момент уменьшает нагрузку на подшипник и увеличивает длительность службы.

Ветрогенератор с разной мощностью

Устройство “мельницы” требуется выбрать в зависимости от того, какая мощность должна быть у него на выходе. Мощность до 300 Вт является одним из самых простых типов оборудования. Такие модели легко помещаются в багажнике автомобиля, и могут быть установлены одним работником за считаные минуты. Он очень быстро ловит попутный поток воздуха и обеспечивают зарядку мобильных устройств, освещение и возможность просмотра телевизора.

5 квт является оптимальным вариантом для небольшого загородного дома. Мощностью в 5-10 квт он может полноценно функционировать на небольших скоростях ветра, поэтому имеют более широкую географию для своей установки.

Плюсы и преимущества использования

Если рассматривать плюсы, тогда в первую очередь хотелось бы отметить, что он даёт условно бесплатную электроэнергию, которая в наше время стоит не дешево. Чтобы обеспечить небольшой дом электричеством, приходиться платить огромные счета. Важно одно—современные ветряки хорошо совместимы с альтернативными источниками. К примеру, они могут функционировать в комплексе с дизельными генераторами, создавая единый замкнутый цикл.

• Эффективность напрямую зависит от выбора пространства, где она будет размещена
• Низкие энергопотери в момент транспортировки, потому как потребитель может находиться на близком расстоянии от источника
• Экологически чистое производство
• Легкое управление, нет необходимости постоянно обучать персонал
• Долгое использование комплектующих, не требуется частой замены

Оптимальным скоростным потоком считается уровень 5 – 7 м/с. Мест для достижения такого показателя очень много. Очень часто ветряную ферму используют в открытом море на расстоянии 15 км. от берега. Каждый год уровень добычи энергии повышается на 20 %. Если рассматривать дальнейшие перспективы, в этом ключе природный ресурс бесконечный, чего не скажешь о нефти, газе, угле и т. д. Также, не стоит сбрасывать со счетов безопасность такой промышленности. Техногенные катастрофы, связанные с атомом вызывают страх перед всем человечеством.

Перед глазами стоит ужасная картина, взорвавшегося атомного реактора на Чернобыльской АЭС в 1986 году. А аварию на Фукусиме охарактеризовали, как дежавю Чернобыля. Деструктивные последствия для всего живого после таких ситуаций, вынуждают многие страны отказываться от расщепления атома и искать альтернативные методы производства кВт.

Однажды заплатив определённую сумму, можно несколько лет пользоваться бесплатным электричеством. Неоспоримый плюс также в том, что есть возможность покупать уже бывшие в употреблении, а это позволяет сэкономить ещё больше.

Минусы и недостатки

Несмотря на все позитивные качества ВЭС, также имеют места быть негативные стороны. В большинстве случаев, недостатки похожи на пропаганду и носят противоречивый характер. Рассмотрим наиболее тиражируемые во всех ТВ передачах, газетных статьях и интернет ресурсах:

• Первым из недостатков является то, что человек не научился контролировать природные явления, поэтому предугадать, как будет работать генератор в тот или иной день, невозможно
• Ещё одним минусом ветряков есть их аккумуляторы. Они обладают относительной долговечностью и в следствии их обязательно менять через каждые 15 лет
• Финансовые инвестиции требуют больших затрат. На самом деле, новые технологии имеют тенденцию к снижению
• Зависимость от силы горизонтального воздушного потока. Данный минус более адекватный, ведь нельзя повлиять на силу вихря
• Отрицательное воздействие на среду шумовым эффектом. Как показали последние изучения по этому вопросу—нет основательных причин так утверждать
• Уничтожение птиц, которые попадают в лопасти. Согласно статистическому анализу вероятность столкновения равносильна с ЛЭП
• Искажение приема сигнала. По оценкам очень маловероятна, тем более множество станций находится вблизи аэропортов
• Они искажают ландшафт( неподтверждено)

Это лишь малая часть мифов – страшилок, которыми пытаются напугать людей. Это повод и не более, ведь на практике работа ВЭС мощностью 1 МВт, позволяет сэкономить за 20 лет, примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти. Ведущие страны рекордными темпами осваивают альтернативный источник, отказываясь от атомного комплекса. Германия, США, Канада, Китай, Испания активно устанавливают оборудование на своих местностях.

Также требуется напомнить о том, что некоторые типы установок создают сильные шумы. Чем больше мощность установки, тем сильнее будет от него исходить шум. Монтировать необх

Как работают ветряные турбины?

Вы здесь

Ветровые турбины работают по простому принципу: вместо того, чтобы использовать электричество для производства ветра, как вентилятор, ветровые турбины используют ветер для производства электроэнергии.Ветер вращает похожие на пропеллер лопасти турбины вокруг ротора, который вращает генератор, который вырабатывает электричество.

Ветер — это форма солнечной энергии, вызванная комбинацией трех одновременных событий:

1. Солнце неравномерно нагревает атмосферу
2. Неровности земной поверхности
3. Вращение Земли.

Характер и скорость ветрового потока сильно различаются на территории Соединенных Штатов и зависят от водоемов, растительности и особенностей местности. Люди используют этот поток ветра или энергию движения для многих целей: для плавания, запуска воздушного змея и даже для выработки электроэнергии.

Термины «энергия ветра» и «энергия ветра» описывают процесс, с помощью которого ветер используется для выработки механической энергии или электричества. Эта механическая мощность может использоваться для конкретных задач (например, измельчения зерна или перекачивания воды), или генератор может преобразовывать эту механическую энергию в электричество.

Ветряная турбина преобразует энергию ветра в электричество, используя аэродинамическую силу от лопастей ротора, которые работают как крыло самолета или лопасти винта вертолета. Когда ветер проходит через лезвие, давление воздуха с одной стороны лезвия уменьшается. Разница в давлении воздуха на двух сторонах лопасти создает подъемную силу и сопротивление. Сила подъемной силы сильнее сопротивления, и это заставляет ротор вращаться. Ротор подключается к генератору либо напрямую (если это турбина с прямым приводом), либо через вал и ряд шестерен (редуктор), которые ускоряют вращение и позволяют использовать генератор меньшего размера.Этот перевод аэродинамической силы во вращение генератора создает электричество.

Типы ветряных турбин

Большинство ветряных турбин делятся на два основных типа:

Деннис Шредер | NREL 25897

Ветровые турбины с горизонтальной осью — это то, что многие люди представляют, когда думают о ветряных турбинах.

Чаще всего они имеют три лопасти и работают «против ветра», при этом турбина поворачивается наверху башни, так что лопасти обращены против ветра.

Ветровые турбины с вертикальной осью выпускаются нескольких разновидностей, включая модель Дарье в стиле взбивания яиц, названную в честь ее французского изобретателя.

Эти турбины являются всенаправленными, то есть для работы их не нужно настраивать так, чтобы они были направлены против ветра.

Ветряные турбины могут быть построены на суше или в море в больших водоемах, таких как океаны и озера. В настоящее время Министерство энергетики США финансирует проекты по развитию морских ветроэнергетических установок в США.С. вод.

Применение ветряных турбин

Современные ветряные турбины можно разделить на категории по месту их установки и способу подключения к сети:

Наземные ветряные турбины имеют размеры от 100 киловатт до нескольких мегаватт.

Более крупные ветряные турбины более рентабельны и объединены в ветряные электростанции, которые обеспечивают большую мощность для электросети.

Деннис Шредер | NREL 40484

Морские ветряные турбины обычно массивные и выше Статуи Свободы.

У них нет таких же проблем с транспортировкой, как у наземных ветряных установок, поскольку крупные компоненты можно перевозить на кораблях, а не по дорогам.

Эти турбины способны улавливать мощные океанские ветры и генерировать огромное количество энергии.

Когда ветряные турбины любого размера устанавливаются на стороне «потребителя» электросчетчика или устанавливаются в месте или рядом с местом, где будет использоваться производимая ими энергия, их называют «распределенным ветром».

Многие турбины, используемые в распределенных приложениях, представляют собой небольшие ветряные турбины. Одиночные небольшие ветряные турбины мощностью менее 100 киловатт обычно используются в жилых, сельскохозяйственных и небольших коммерческих и промышленных целях.

Небольшие турбины могут использоваться в гибридных энергетических системах с другими распределенными энергоресурсами, такими как микросети с питанием от дизельных генераторов, батарей и фотоэлектрических элементов.

Эти системы называются гибридными ветровыми системами и обычно используются в удаленных автономных местах (где подключение к коммунальной сети недоступно) и становятся все более распространенными в приложениях, подключенных к сети, для обеспечения отказоустойчивости.

Узнайте больше о распределенном ветре из Distributed Wind Animation или прочтите о том, что делает Управление технологий ветровой энергии для поддержки развертывания распределенных ветровых систем для домов, предприятий, ферм и местных ветровых проектов.

Энергия ветра — образование в области энергетики

Рисунок 1. Ветряная электростанция в Техасе. ^[1]

Ветровая энергия — это выработка электроэнергии из ветра.Энергия ветра использует поток первичной энергии атмосферы, образующийся в результате неравномерного нагрева поверхности Земли Солнцем. Следовательно, энергия ветра — это косвенный способ использования солнечной энергии. Энергия ветра преобразуется в электрическую энергию ветряными турбинами. ^[2]

Ресурс ветра

Несколько различных факторов влияют на потенциальный ветровой ресурс в районе. На выходную мощность влияют три основных фактора: скорость ветра , плотность воздуха и радиус лопасти . ^[3] Ветряные турбины должны постоянно находиться в районах с сильным ветром, что более важно, чем периодические сильные ветра.

Скорость ветра

Рисунок 2. Произвольная кривая мощности ветряной турбины мощностью 1 МВт в сравнении со скоростью ветра. Обратите внимание на скорость резки. ^[4]

Скорость ветра во многом определяет количество электроэнергии, вырабатываемой турбиной. Более высокая скорость ветра генерирует больше энергии, потому что более сильный ветер позволяет лопастям вращаться быстрее. ^[3] Более быстрое вращение приводит к большей механической мощности и большей электрической мощности от генератора.Взаимосвязь между скоростью ветра и мощностью для типичной ветряной турбины показана на рисунке 2.

Турбины предназначены для работы в определенном диапазоне скоростей ветра. Пределы диапазона известны как скорость включения и скорость отключения. ^[5]
Скорость включения — это точка, при которой ветряная турбина может вырабатывать энергию. Между скоростью включения и номинальной скоростью, где достигается максимальная мощность, выходная мощность будет увеличиваться кубическим образом с увеличением скорости ветра. Например, если скорость ветра увеличится вдвое, выходная мощность увеличится в 8 раз.Это кубическое соотношение делает скорость ветра таким важным фактором для ветроэнергетики. Эта кубическая зависимость действительно отключается при номинальной скорости ветра. Это приводит к относительно плоской части кривой на Рисунке 2, поэтому кубическая зависимость наблюдается при скоростях ниже 15 м / с (54 км / ч).

Скорость отключения — это точка, при которой турбина должна быть остановлена, чтобы избежать повреждения оборудования. Скорости включения и выключения зависят от конструкции и размера турбины и определяются до начала строительства. ^[6]

Плотность воздуха

Выходная мощность связана с местной плотностью воздуха, которая является функцией высоты, давления и температуры. Плотный воздух оказывает большее давление на роторы, что приводит к увеличению выходной мощности. ^[7]

Конструкция турбины

Ветряные турбины предназначены для увеличения радиуса лопастей ротора и увеличения выходной мощности. Лопасти большего размера позволяют турбине улавливать больше кинетической энергии ветра, перемещая больше воздуха через роторы. ^[8] Однако для работы более крупных лопастей требуется больше места и более высокая скорость ветра. Как правило, турбины располагаются на расстоянии в четыре раза больше диаметра ротора. ^[6] Это расстояние необходимо для предотвращения помех между турбинами, что снижает выходную мощность. ^[5] Относительное расстояние между ветряными турбинами показано на Рисунке 1.

Интерактивный график

Ветроэнергетика развивается довольно быстро во многих регионах; изучите приведенные ниже данные, чтобы увидеть, как растет энергия ветра в разных странах. ^[9]

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GreenMountainWindFarm_Fluvanna_2004.jpg#/media/File:GreenMountainWindFarm_Fluvanna_2004.jpg
2. ↑ Развитие ветроэнергетики. (18 августа 2015 г.). Основы ветроэнергетики [Online], доступно: http://windeis.anl.gov/guide/basics/
3. ↑ ^{3,0 3,1} Европейская ветроэнергетическая ассоциация.(2013, 4 ноября). Как работает ветряная турбина [Online]. Доступно: http://www.ewea.org/wind-energy-basics/how-a-wind-turbine-works/
4. ↑ По материалам: R. Wolfson, Energy, Environment and Climate, 2nd ed. Нью-Йорк: Norton, 2012. и WindPowerProgram, [Online], Доступно: http://www.wind-power-program.com/popups/powercurve.htm
5. ↑ ^{5,0 5,1} Д. Вуд, частное сообщение, октябрь 2013 г.
6. ↑ ^{6,0 6.1} Отдел энергетических исследований (нет данных). (2013, 4 ноября). Energy Research Unit Meteorological Data [Online]. Доступно: http://www.elm.eru.rl.ac.uk/ins4.html
7. ↑ WindTurbines.net (2013, 4 ноября). Факторы, влияющие на КПД ветряных турбин [Online]. Доступно: http://www.slideshare.net/windturbinesnet/factors-affecting-wind-turbine-efficiency-7146602
8. ↑ Оренда. (2013, 4 ноября). Имеет ли значение длина лопастей ветряной турбины? [Интернет]. Доступно: http: // orendaenergy.com / действительно-имеет значение-длина-лопасти-ветряной турбины /
9. ↑ BP Worldwide. (2014, 1 июля). Статистический обзор мировой энергетики, 2017 г. [Онлайн]. Доступно: https://calculators.io/statistical-review-of-world-energy/

Производители и турбины — Интернет-доступ

Имя	Страна	Замечание
2-B Energy	Нидерланды
AAER (Pioneer Power Solutions)	Канада	Приобретено (2010)
Acciona	Испания	Приобретено (2016)
ACSA	Испания	Не активен
ADES	Испания
Adventure Power	Южная Африка	Больше нет активности (2018)
Adwen (Gamesa)	Испания	Приобретено (2016)
Aerodyn Energiesysteme GmbH	Германия
Aerodyn Engineering GmbH	Германия
Aeronautica Windpower	США
Alizeo	Франция	Больше не активен (2016)
Alstom Power (GE Energy)	Франция	Приобретено (2015)
Amperax Energie GmbH	Германия
Areva	Франция	Больше не активен (2015)
ATB Riva Calzoni SpA	Италия
Autoflug	Германия	Не активен (1995)
Avantis	Германия
AVIC Huide	Китай	Больше не активен (2016)
AWE	Канада	Больше не активен (2016)
AWT Inc	USA	Не активен
Бард	Германия	Больше нет (2014)
Северный Пекин	Китай	Не активен
BEST-Romani	Франция	Не активны (1968)
Blaaster	Норвегия	Не активен
Бонус (Siemens)	Дания	Приобретено (2004)
BWU (Repower)	Германия	Приобретено (2001 г.)
C&F Green Energy	Ирландия	Не активны (2019)
Картер	Исландия	Не активен
CATUM Engineering	Германия	Не активен (2018)
China Creative Wind Energy	China
Машинка для стрижки	США	Не активна (2012 г.)
CNYD	Китай	Не активен
Continental Windpower	USA	Не активен
CSIC HZ Windpower	Китай
CSR	Китай	Приобретено (2016)
CWEL	Индия
Danish Wind Technology (Vestas)	Дания	Приобретено (1989)
Danregn (Бонус)	Германия	Приобретено (1983)
Dansk Vind Teknik (Danish Wind Techonoly)	Дания	Больше не активен (1983)
Danwin (GET Danwin)	Дания	Приобретено (1992)
Darwind (XEMC-Darwind)	Нидерланды	Приобретено (2009 г.)
DDIS	Франция
Dencon	Дания	Больше не активен (1989)
DESA	Испания	Не активен
Dewind	USA	Не активен (2017)
Dongfang Electric Corporation	Китай
Doosan	Южная Корея
DWP	Дания	Больше нет (1993)
e.нет энергия	Германия
Ebara	Япония	Не активен
Ecotecnia (Alstom Power)	Испания	Приобретено (2007 г.)
Elecon Engineering	Индия	Не активен
Electria Wind	Испания
Элеон	Эстония
Elsam	Дания	Не активен (2005 г.)
Эльсеведи	Египет
Enercon	Германия
Enron (GE Energy)	США	Приобретено (2002)
Envision	Китай
Eozen	Испания	Не активен (2015)
Equinor (Statoil)	Норвегия
Евротурбина	Нидерланды	Не активна
Eviag (Fuhrländer)	Германия	Больше не активен (2012)
EWT	Нидерланды
Extol Wind	Индия
FloWind	USA	Не активен (1996)
Förde WindWerk	Германия
Fuhrländer	Германия	Больше не активен (2013)

Производители ветряных турбин | Windpower Monthly

Краткий перечень основных производителей оригинального оборудования (OEM) в современном мире.Консолидация рынка резко сократила количество поставщиков турбин на рынке за последние пару десятилетий. А некоторые, в том числе перечисленные ниже, также могут столкнуться с риском слияния.

2018 Доля рынка: 5,6%

Основанная в 1984 году инженером Алоисом Воббеном как специализированный производитель ветряных турбин, Enercon в настоящее время имеет около 30 000 турбин, установленных по всему миру. Ассортимент его продукции варьируется от менее 1 МВт до нового E-138 4,2 МВт.

В 2017 году компания Enercon приобрела голландского производителя турбин Lagerwey и использует свой генератор на постоянных магнитах 4.Платформа мощностью 5 МВт как основа для новой линейки береговых турбин мощностью 5 МВт +. Основанная в Аурихе, Нижняя Саксония, Германия, Enercon сосредоточила большую часть своей деятельности в Европе, с некоторым успехом также в Канаде и Бразилии.

Несмотря на то, что Enercon не работает в США, Китае или оффшорных ветроэнергетических установках, она регулярно входит в шестерку ведущих производителей оборудования в мире благодаря постоянным сильным позициям в Германии, где она часто является ведущим поставщиком турбин.

Директор-распорядитель: Ханс-Дитер Кеттвиг

2018 Доля рынка: 8.4%

Запущенная в 2007 году со штаб-квартирой в Шанхае, Китай, Envision быстро выросла и стала вторым по величине поставщиком ветряных турбин на внутреннем рынке, а также оказала небольшое влияние за рубежом. Это турбина так называемых «умных» ветряных турбин включает модели мощностью 2 МВт, 3 МВт и 4 МВт как для наземного, так и для морского развертывания.

В то время как его влияние на внешние рынки остается ограниченным, у него есть точки опоры в Северной Европе, и он готовился перебраться в Индию. Установленная база составляет около 5 ГВт.

Envision любит быть на переднем крае технологий как в турбинах, так и в управлении электричеством; европейский консорциум выбрал одну из своих маловетровых турбин, которая будет оснащена сверхпроводящим генератором с прямым приводом для ранней стадии проекта разработки. Envision также сотрудничает с Microsoft в программе Интернета вещей.

Генеральный директор: Лэй Чжан

2018 Доля рынка: 9,8%

GE Renewable Energy — производитель оборудования для экологически чистой энергии американского конгломерата General Electric.С момента выхода на рынок ветроэнергетики в 2002 году компания установила более 35 000 турбин по всему миру. Ассортимент наземной продукции варьируется от машины мощностью 1,7 МВт до модели Cypress мощностью 5,3 МВт, представленной в конце 2018 года.

В 2015 году GE приобрела энергетический бизнес французской компании Alstom, в том числе проект морской ветряной турбины Haliade мощностью 6 МВт. Эта турбина была выбрана для первого морского ветроэнергетического проекта в США, Block Island, а также была установлена ​​в Китае, что сделало GE Renewable Energy со штаб-квартирой в Париже первым OEM-производителем, установившим оффшорные ветряные турбины на трех континентах.

В начале 2018 года компания представила свою турбину Haliade-X мощностью 12 МВт, коммерческое использование которой запланировано на начало 2020-х годов. Он также владеет датским производителем лопастей LM Wind Power и британским дизайнером Blade Dynamics.

Генеральный директор: Жером П é cresse

2018 Доля рынка: 13,8%

Goldwind — крупнейший производитель ветряных турбин в Китае, по данным CWEA, на долю которого в 2017 году приходилось более 26% рынка страны. Компания также утверждает, что является ведущим в мире производителем турбин с постоянным магнитом и прямым приводом, установив более 44 ГВт — примерно 28 500 машин.В 2008 году Goldwind приобрела контрольный пакет акций немецкой турбинной компании Vensys.

Goldwind производит модели наземных ветряных турбин мощностью 1,5–3,5 МВт и морские ветряные установки мощностью 6–8 МВт. Штаб-квартира компании находится в Урумчи, Синьцзян, северо-запад Китая, после основания в 1998 году.

Оставаясь зависимой от внутреннего рынка по большей части своего портфеля заказов, Goldwind является одним из немногих китайских OEM-производителей, которые расширяют свою деятельность за рубежом с активными дочерними компаниями в Австралии и Америке.

Председатель: У Ган

2018 Доля рынка: 5.2%

Основанный в 2006 году, производитель из Чжуншань заработал прочную позицию в Китае — 12,5% доли на рынке 2017 года — в частности, благодаря европейским технологиям, которые он производит в рамках лицензионного соглашения с немецким дизайнером Aerodyn.

Эта доля означает, что компания регулярно входит в десятку лучших в мире, но ее охват далеко за пределами страны происхождения. Компания утверждает, что установленная база составляет 23 ГВт по всему миру, в том числе в Болгарии, Индии, Пакистане и Южной Африке.В его портфель турбин входит несколько моделей на платформах мощностью 1,5-2 МВт, 3 МВт и 4 МВт.

Компания также позиционирует себя, чтобы воспользоваться преимуществами морского ветроэнергетического сектора Китая с моделью мощностью 5,5-7 МВт, прототип которой будет введен в эксплуатацию в 2018 году.

Генеральный директор: Чжан Чуаньвэй

2018 Доля рынка: 5,0%

Немецкая компания Nordex — один из пионеров в области ветряных турбин. В 1995 году она произвела первую турбину мощностью в мегаватт — модель N54 мощностью 1 МВт.

Nordex, расположенный в Гамбурге, Германия, имеет более 25 ГВт турбин, установленных на 40 рынках по всему миру.Этому способствовало приобретение Acciona Wind Power у испанской группы Acciona Energia в 2016 году. Комбинация двух OEM-производителей в целом дополняла друг друга: продукция Nordex ориентирована на Европу, а более легкие машины Acciona подходят для развивающихся рынков и НАС.

Однако портфель остается сложным: платформы мощностью 3 МВт предлагают оба подразделения бизнеса. Nordex был одним из первых крупных производителей, вошедших в класс 4 МВт с N149 — частью своей серии Delta 4000.

Генеральный директор: Хосе Луис Бланко

2018 Доля рынка: 1,8%

Основанная в 2001 году как REpower, быстро представила оффшорную ветряную турбину мощностью 5 МВт, которая легла в основу нынешней модели компании мощностью 6,3 МВт.

В 2007 году Senvion была приобретена индийским производителем Suzlon, а затем в 2015 году продана американской частной инвестиционной фирме Centerbridge Partners. Портфель турбин варьируется от 2 до 4 МВт, а также платформа мощностью 6 МВт для морских платформ.

Компания также разрабатывает морской ветряк мощностью 10 МВт в рамках исследовательского проекта, поддерживаемого ЕС.Компания Senvion, расположенная в Гамбурге, Германия, установила по всему миру около 8000 турбин общей мощностью около 17 ГВт.

Генеральный директор: Ив Ранну

2018 Доля рынка: 12,4%

Созданный в 2017 году в результате слияния компаний Siemens и Gamesa, этот OEM-производитель имеет большой опыт производства ветряных турбин. Компания «Сименс» была и остается лидером на рынке морских ветроэнергетических установок, первыми реализовав первые проекты в Дании в 1991 году для обеспечения некоторых из последних и крупнейших объектов.SWT-6.0-154 компании превратился в версию на 8 МВт. С тех пор он обнародовал планы по турбине мощностью 10 МВт, которая будет действовать в качестве ступени для удовлетворения спроса до тех пор, пока в начале 2020-х годов не будет разработана машина мощностью 12-15 МВт. В нее также вошли Adwen, совместное предприятие по производству ветряной энергии между Gamesa и Areva.

История компании

Siemens в области ветроэнергетики восходит к 1980 году, когда была основана компания Bonus, и с тех пор она создала прочный послужной список в Европе и США. Тем временем Gamesa вошла в ветроэнергетический сектор в 1994 году и впоследствии стала ведущим поставщиком турбин в Индии и имела значительную долю рынка в Латинской Америке, а также на внутреннем рынке Испании.

Onshore, SGRE имеет ряд машин мощностью 2 МВт и значительно упрощенное предложение на 3 и 4 МВт по сравнению с тем, когда две компании объединились. Компания SGRE, базирующаяся в Мадриде, установила около 90 ГВт по всему миру.

Генеральный директор: Маркус Таке

2018 Доля рынка: 1,8%

Штаб-квартира Suzlon Energy расположена в Пуне, Индия, с 1995 года. Компания Suzlon Energy имеет более 18 ГВт ветроэнергетических мощностей, установленных в 18 странах, из которых 12 ГВт расположены в Индии. Имеет производственные мощности в Индии и Китае.

Турбины

Suzlon включают модели S211, S120 и 2,6 МВт S128 мощностью 2,1 МВт для условий низкой и средней скорости ветра. В 2007-2015 годах Suzlon владел немецким производителем Senvion (или Repower), но продал его, чтобы снизить свой долг.

Suzlon надеется извлечь выгоду из индийского рынка оффшорной ветроэнергетики, который должен иметь свои первые генерирующие мощности в начале 2020-х годов.

Председатель: Тулси Танти

2018 Доля рынка: 2,5%

United Power, находящаяся в полной собственности China Guodian Corporation, одной из пяти крупнейших государственных электростанций в стране, почувствовала на себе последствия замедления темпов роста ветряных установок в Китае, но также выиграет от восстановления рынка.

Основанная в 2007 году, она быстро стала вторым по величине поставщиком турбин в Китае после Goldwind, но в 2017 году уступила Envision и Ming Yang с долей рынка 6,7%. Продажи сосредоточены на турбине мощностью 1,5 МВт с диаметром ротора 86 метров, разработанной немецкой консалтинговой компанией Aerodyn Engineering, занимающейся ветроэнергетикой, которая также повлияла на ее модели мощностью 2 МВт (диаметр ротора 97 метров) и 3 МВт (120 метров).

Прототип морской турбины мощностью 6 МВт с диаметром ротора 136 метров был представлен несколько лет назад.

Генеральный директор: Лю Дунъюань

2018 Доля рынка: 20,3%

Vestas работает в ветроэнергетическом бизнесе с 1970-х годов, и сейчас у нее установлено более 100 ГВт в 80 странах. Его разнообразный портфель береговых ветряных турбин варьируется от рабочей лошадки V90-2MW до V162-5.6MW в рамках платформы Enventus, представленной в начале 2019 года.

Его совместное предприятие по морской ветроэнергетике с Mitsubishi Heavy Industries (MHI Vestas) установило прочный послужной список с платформой V164 мощностью от 8 до 9 МВт.5 МВт. Это также был первый OEM-производитель, который коммерчески предложил оффшорную ветряную турбину мощностью 10 МВт.

Отчасти сильная сторона Vestas заключается в ее географическом расположении. Штаб-квартира компании находится в Орхусе, Дания, в 2018 году она установила новые машины на 39 рынках.

Генеральный директор: Хенрик Андерсен

Проверки редукторов ветряных турбин

1. Предпосылки

Производство энергии ветра более экономично, чем производство ядерной и тепловой энергии, и оно быстро растет как источник чистой энергии.Естественный ветер предоставляется бесплатно, поэтому основные затраты на строительство и обслуживание ветроэнергетики. Говорят, что срок службы ветряных турбин составляет 20 лет. Как и тепловые электростанции, ветровые турбины требуют периодических осмотров и ремонтов для достижения этого 20-летнего срока службы. На протяжении В течение этого периода работы коробка передач, лопасти и все другие части каждой ветряной турбины тщательно проверяются. При осмотре редукторов ветряных турбин дистанционный визуальный осмотр является наиболее проверенным и эффективным методом.

2. Проблемы и решения

При передаче вращающей силы ветряной турбины диаметром от 90 до 200 м на генератор редуктор должен работать в условиях сильной нагрузки и, естественно, требует осмотра и обслуживания.

(1) Подшипники ступени высокой скорости (HSS-B)

• Challenge

Высокоскоростной вал поддерживается подшипниками высокоскоростной ступени, расположенными на передней и задней сторонах вала, что обеспечивает скорость от 1500 до 1800 оборотов в минуту во время выработки электроэнергии. Если есть несоосность между высокоскоростным валом и подключенным генератором, возникнут неожиданные незначительные вибрации, которые могут вызвать повреждение подшипников. Подшипники ступени высокой скорости также могут быть повреждены посторонними предметами, воздухом или влагой, содержащейся в смазочном масле. Что еще хуже, из-за высокой скорости вращения подшипников высокоскоростной ступени, если ролик подшипника сломался, это может привести к поломке других частей коробки передач, В результате возникла необходимость в замене всей коробки передач.

• Решение

В большинстве коробок передач подшипники ступени высокой скорости легко доступны с помощью видеоскопа IPLEX через люк (отверстие), расположенный над ним. IPLEX видеоскоп может быть вставлен в зазор при роликовом подшипнике, чтобы осмотреть и записывать незначительные недостатки на поверхности ролика, внутреннее кольцо и наружное кольцо. Если вы обнаружите, что дефекты стали больше, чем при предыдущей проверке, вы можете заменить высокоскоростной вал и ступень высокой скорости. подшипники ветряной турбины до того, как повреждение распространится на другие участки.Это означает, что вы можете выполнять техническое обслуживание, не опуская коробку передач на землю с помощью крана или других дорогостоящих устройств и вызывая потерю мощности во время ремонта.

(2) Подшипники промежуточной ступени (ISS-B)

• Challenge

Промежуточный вал расположен между высокоскоростным и низкоскоростным валами и поддерживается подшипниками промежуточной ступени, расположенными на передней и задней сторонах вала.Эти подшипники могут быть повреждены теми же факторами, что и упомянутые выше подшипники ступени высокой скорости.

• Решение

Методы проверки подшипников ступени высокой скорости эффективны и для подшипников ступени промежуточной скорости. Однако этот осмотр может быть более трудным, потому что необходимо ввести эндоскоп за пределы высокоскоростного вала. Чтобы обеспечить беспрепятственный ввод эндоскопа, его можно вставить через полугибкую направляющую трубку, изготовленную из полимера и алюминия, обладающего высокой маслостойкостью.

(3) Подшипники планетарной ступени

• Challenge

Сила ветра, действующая на турбину, варьируется в зависимости от влияния рельефа, высоты над землей и турбулентности, вызванной изменениями погоды. В то время как эта переменная сила ложится тяжелой нагрузкой на коробку передач, планетарный редуктор и подшипники планетарной ступени служат для поглощения переменного напряжения ветра. Хотя скорость вращения составляет всего 20–30 оборотов в минуту, планетарный редуктор подвергается значительным нагрузкам, создаваемым турбулентным потоком воздуха.По этой причине визуальный осмотр с помощью эндоскопов требуется не только для подшипников планетарной ступени, но и для планетарной передачи.

• Решение

Планетарные передачи имеют сложную конструкцию и, как правило, труднодоступны, но эффективность контроля можно значительно повысить, вставив видеоскоп IPLEX через уретан с памятью формы Olympus направляющая трубка, адаптированная для индивидуальных целей проверки.Кроме того, видеоскоп IPLEX с внешним диаметром 6,2 мм со встроенным каналом может удалять смазочное масло, прилипшее к планетарной ступени. подшипники, планетарный редуктор или наконечник прицела путем нагнетания сжатого воздуха из наконечника прицела, что позволяет проводить проверки в условиях хорошей видимости.

(4) Зубья шестерни

• Challenge

Зубчатые передачи работают для поглощения ветровых нагрузок, воздействующих на лопасти турбины. Постоянная сила ветра приводит к старению шестерен.Несмотря на то, что все состояние коробки передач постоянно контролируется анализаторами вибрации, визуальный осмотр с помощью эндоскопа важен для определения местоположения и уровня повреждений деталей коробки передач, включая зубья шестерни.

• Решение

Зубья шестерни для каждого вала также подлежат визуальному осмотру, как и подшипники. В частности, для осмотра шестерни низкоскоростного вала, планетарной шестерни и коронной шестерни требуются эндоскопы.При осмотре этих сложных шестерен необходимо следить за тем, чтобы на наконечнике прицела не было масла. Направляющая трубка Olympus, используемая для проверки подшипников, также может использоваться в этой проверке. Большинство зубьев шестерен длиннее 10 см, но есть недостатки. обнаружены, как правило, очень малы. Близкофокусные оптические адаптеры видеоскопов IPLEX значительно облегчают проверку зубьев шестерен.

(5) Лопатки турбины

• Задача

Как правило, проверки качества лопаток турбины длиной более 40 м проводятся во время производства.Чтобы проверить соединение на задней кромке лезвия, вы можете пройти половину лезвия, но не можете пройти дальше, потому что пространство становится меньше по направлению к кончику лезвия. Кроме того, рабочие лопатки турбины также нуждаются в осмотре, поскольку они подвергаются воздействию суровых условий в течение всего года. Если сливное отверстие на конце лезвия забито, внутренняя вода может внезапно испаряться в случае удара молнии и может сломать лезвие изнутри. Зимой внутренняя вода сливного отверстия может замерзнуть и расшириться, что приведет к поломке лезвия.

• Решение

Небольшой и легкий видеоскоп серии IPLEX позволяет легко вставить его на половину длины лезвия и провести визуальный осмотр кончика лезвия.

3. Основные преимущества Olympus

(1) Мобильность для повышения эффективности работы инспекторов

При проверке крупногабаритной ветряной турбины высотой более 70 м инспекторы должны подниматься по длинной лестнице с инструментами для проверки.Olympus предлагает различные видеоскопы, сочетающие отличное качество изображения и портативность. Модели IPLEX с уникальной технологией PulsarPic раскрывают детали внутри коробки передач с помощью ярких и четких изображений, при этом точно регулируя объем света, чтобы уменьшить отражение, которое часто возникает при наблюдении за металлическими деталями. Технология шарнирного соединения TrueFeel позволяет оператору точно контролировать шарнирное соединение прицела в коробке передач, предотвращая соприкосновение наконечника прицела со смазочным маслом на шестернях.

Портативную модель серии IPLEX размером с ладонь можно удобно носить даже с труднодоступными местами, такими как вершина башен ветряных турбин.

(2) Отличные оптические характеристики для четкого наблюдения за опорными поверхностями.

Подшипники проверяются чаще всего из всех частей редуктора ветряной турбины, и подходящие эндоскопы различаются в зависимости от конструкции и расположения подшипников.Видеоскопы IPLEX диаметром от φ4 мм до φ8,5 мм могут переключать увеличение и направление обзора для оптимального наблюдения путем замены оптических адаптеров на наконечнике прицела. Использование адаптера ближнего фокуса с полем обзора 120 ° позволяет наблюдать опорные поверхности в большом поле зрения, вставив эндоскоп в небольшой зазор на несущий ролике.

(3) Специальные инструменты, облегчающие четкое наблюдение за крупными деталями шестерен

Вся коробка передач смазана маслом, поэтому много масла остается на шестернях и подшипниках даже после остановки коробки передач.При осмотре этих частей с помощью эндоскопа необходимо очищать линзу от масла. Видеоскопы IPLEX с внешним диаметром 6,2 мм со встроенным каналом могут устанавливать тонкую воздушную трубку и могут выдувать масло с зубчатых колес и поверхностей подшипников, нагнетая воздух из воздушной трубки. Даже если масло прилипает к наконечнику линзы прицела, его можно удалить путем нагнетания воздуха, что устраняет необходимость частого вытирания масла с наконечника прицела.

Кроме того, в некоторых случаях требуется большое количество света для проверки шестерен.Изготовленная на заказ светодиодная направляющая трубка Olympus, которая может сгибаться по желанию оператора, может быть легко вставлена ​​в коробки передач через порт доступа и обеспечивает дополнительную светодиодную подсветку на предназначенных частях.

(4) Программное обеспечение Inspection Assist для надежной записи проверок

При осмотре коробки передач с помощью эндоскопа обычно записывают от 100 до 400 изображений. Проверенные изображения подшипников, поддерживающих различные валы, будут очень похожи друг на друга, поэтому вам придется приложить большие усилия, чтобы правильно классифицировать похожие изображения по проверяемому месту во время и после проверок. В такой ситуации наше программное обеспечение Inspection Assist — это решение. Выполняя проверку в соответствии с инструкциями программного обеспечения, вы можете классифицировать изображения проверки с диагностикой по папкам и добавлять комментарии к изображениям. После проверки вы можете быстро составить отчет, содержащий более 50 изображений, используя программное обеспечение в собственном индивидуальном формате отчета.

(5) Оборудование для проверок, кроме визуальных.

Olympus также предлагает ультразвуковые дефектоскопы и рентгеновские анализаторы для проведения инспекций ветроэнергетических объектов.

Ультразвуковые дефектоскопы позволяют обнаруживать повреждения внутри лопаток турбины. Кроме того, с помощью нашего рентгеновского анализатора с батарейным питанием вы можете сразу уточнить тип, размер и количество металла, содержащегося в смазочном масле внутри коробок передач на местах осмотра.

Технологии редукторов ветряных турбин | IntechOpen

1. Введение

Обсуждаются вопросы надежности, связанные с ветряными турбинами, оборудованными трансмиссией или редуктором, и существующие решения по использованию передач с прямым приводом (без редуктора) и передач с разделением крутящего момента в конструкциях ветряных турбин.Соответственно, определяется диапазон применимости различных вариантов конструкции редуктора в зависимости от номинальной мощности ветряной турбины. По мере увеличения номинальной мощности оказывается, что варианты конструкции с разделением крутящего момента и безредукторной передачей становятся предпочтительными вариантами по сравнению с традиционная бесступенчатая трансмиссия (CVT) и трансмиссии на магнитных подшипниках, которые по-прежнему будут оставаться жизнеспособными вариантами для ветряных турбин с более низкой номинальной мощностью.

Рассмотрены история проблем с коробкой передач и соответствующие статистические данные, а также уравнения, связывающие передаточные числа, количество полюсов генератора и скорости вращения высокоскоростных и низкоскоростных валов.

Помимо систем прямого привода, обсуждаются вопросы разделения крутящего момента, магнитных подшипников и их применения в газовых и ветровых турбинах, а также бесступенчатых трансмиссий (CVT).

Опыт эксплуатации показывает, что редукторы современных электрических ветряных турбин с номинальной мощностью мегаватт (МВт) являются их самым слабым звеном в цепи. Небольшие ветряные турбины с номинальной мощностью кВт не нуждаются в использовании редукторов, поскольку их роторы вращаются со скоростью, значительно превышающей скорость турбин коммунального уровня, и могут быть напрямую связаны с их электрическими генераторами.

Порывы ветра и турбулентность приводят к смещению трансмиссии и постепенному выходу из строя компонентов шестерни. Такой интервал отказов приводит к значительному увеличению капитальных и эксплуатационных затрат и времени простоя турбины, при этом значительно снижая ее рентабельность и надежность. Существующие редукторы являются побочным продуктом морской техники, используемой в судостроении и локомотивной технике. Редукторы представляют собой массивные компоненты, как показано на рис. 1.

Типичный расчетный срок службы ветряной турбины общего пользования составляет 20 лет, но редукторы, которые преобразуют скорость вращения лопастей ротора от 5 до 22 оборотов в минуту (об / мин) в необходимая для генератора частота вращения составляет от 1000 до 1600 об / мин, обычно выходит из строя в течение 5 лет эксплуатации и требует замены.Эта 20-летняя цель по сроку службы сама по себе является сокращением по сравнению с предыдущей 30-летней проектной целью (Ragheb & Ragheb, 2010).

2. История проблем с коробкой передач

Страховые компании проявили пристальное внимание при страховании ветроэнергетики. Страховщики присоединились к быстрорастущему рынку в 1990-х годах до того, как были полностью определены требования к надежности и долгосрочному обслуживанию ветряных турбин. Чтобы удовлетворить спрос, ряд единиц был принят на вооружение с ограниченными эксплуатационными испытаниями прототипов.

В период быстрого внедрения скорости отказы в работе ветряных турбин были обычным явлением. К их числу относились обломки лопастей ротора, короткие замыкания, трещины в основании и отказ коробки передач. До того, как был разработан набор международно признанных стандартов проектирования редукторов ветряных турбин, существенная недооценка эксплуатационных нагрузок и присущие конструктивные недостатки редукторов привели к ненадежным редукторам ветряных турбин.

Отсутствие полного учета критических расчетных нагрузок, нелинейность или непредсказуемость передачи нагрузок между трансмиссией и ее монтажным приспособлением, а также несоответствие надежности отдельных компонентов коробки передач — все это факторы, которые были идентифицированы.

Рисунок 1.

Вид сверху коробки передач ветряных турбин Liberty Quantum Drive мощностью 2,5 МВт (Источник: Clipper Windpower).

Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL) как способствующий сокращению срока службы редукторов (Musial et al., 2007).

Сообщается, что в 2006 году немецкий Allianz получил 1 000 исков о повреждении ветряных турбин. Оператор должен был ожидать повреждения своего объекта с интервалом в 4-5 лет, без учета неисправностей и незастрахованных поломок.

В результате этих предыдущих сбоев страховщики приняли положения, требующие включения оператором требований по техническому обслуживанию в свои договоры страхования.Одним из общих требований к техническому обслуживанию является замена редуктора каждые 5 лет в течение 20-летнего расчетного срока службы ветряной турбины. Это дорогостоящая задача, поскольку на замену редуктора приходится около 10 процентов затрат на строительство и монтаж ветряной турбины, что отрицательно скажется на предполагаемом доходе от ветряной турбины (Kaiser & Fröhlingsdorf, 2007). На рисунке 1 показан размер коробки передач Quantum Drive ветряной турбины Liberty 2,5 МВт (Clipper Windpower, 2010)

Отказ редукторов ветряных турбин может быть связан с случайными порывами ветра.Даже самый слабый порыв ветра создаст неравномерную нагрузку на лопасти ротора, что приведет к возникновению крутящего момента на валу ротора, который будет неравномерно нагружать подшипники и смещать зубья шестерен. Это смещение шестерен приводит к неравномерному износу зубьев, что, в свою очередь, способствует дальнейшему рассогласованию, что приводит к более неравномерному износу и так далее, что является положительной обратной связью.

Шасси машины переместится, что приведет к смещению коробки передач с валом генератора и, в конечном итоге, может вызвать отказ высокоскоростной задней зубчатой ​​передачи коробки передач.Проблема неравномерной нагрузки на лопасти ротора еще более усугубляется эффектом срезания порывов, который относится к нескольким лопастям, которые постоянно проходят через локализованный порыв ветра (Burton et al., 2004). Если бы порыву ветра потребовалось 12 секунд, чтобы пройти через зону движения ротора ветряной турбины, работающего со скоростью 15 об / мин, каждая из трех лопастей подверглась бы порыву трижды, в результате чего редуктор подвергнется в общей сложности девять неравномерных загрузок в быстрой последовательности.

Большинство коробок передач на 1.В ветряных турбинах номинальной мощностью 5 МВт используется одно- или двухступенчатая планетарная зубчатая передача, которую иногда называют планетарной зубчатой ​​передачей. В этой схеме несколько внешних шестерен, планет, вращаются вокруг единственной центральной шестерни, солнца. Для изменения скорости вращения требуется внешнее кольцо или кольцевое пространство.

Рисунок 2.

Планетарная зубчатая передача.

Как и в случае с ветряной турбиной, кольцевое пространство на рис. 2 будет соединено со ступицей ротора, а солнечная шестерня будет соединена с генератором.Однако на практике современные редукторы намного сложнее, чем редукторы, показанные на рис. 2, а на рис. 3 показаны два разных редуктора для ветряных турбин General Electric (GE).

Рис. 3.

GE 1P 2.3 одноступенчатый планетарный и двухступенчатый параллельный вал (вверху) и 2P 2.9 двухступенчатый планетарный редуктор и одноступенчатый параллельный вал (внизу) редукторы ветряных турбин (Изображение: GE).

Планетарные передачи демонстрируют более высокую удельную мощность, чем шестерни с параллельными осями, и могут предлагать множество вариантов передачи и большое изменение оборотов в минуту в пределах небольшого объема.К недостаткам планетарных зубчатых передач относятся необходимость в очень сложной конструкции, общая недоступность жизненно важных компонентов и высокие нагрузки на подшипники вала. Именно последний из этих трех оказался наиболее проблемным в применениях ветряных турбин.

Чтобы вычислить понижающий потенциал планетарной зубчатой ​​передачи, первым шагом является определение количества зубьев N, которое имеет каждая из трех составных шестерен. Эти значения будут обозначаться как:

Nsun, Nannulus и NplanetE1

, поскольку они относятся к количеству зубьев на солнечной, кольцевой и планетарной шестернях соответственно.

Используя соотношение, что количество зубьев прямо пропорционально диаметру шестерни, три значения должны удовлетворять уравнению. 1, из которого видно, что солнечная и кольцевая шестерни подходят внутри кольцевого пространства.

Nsun + 2Nplanet = NannulusE2

С уравнением. 1 уравнение движения для трех шестерен: планеты — угловые скорости соответствующих шестерен.

Поскольку угловая скорость и прямо пропорциональны оборотам в минуту (об / мин), уравнение. 2 может быть изменен на формулу. 3 ниже.

(2 + NsunNplanet) rpmannulus + NsunNplanetrpmsun − 2 (1 + NsunNplanet) rpmplanet = 0E4

Известные значения можно подставить в уравнение. 3, чтобы определить относительные значения частоты вращения солнечной и кольцевой шестерен, принимая во внимание два равенства формул. 4 и 5 ниже (Ragheb & Ragheb, 2010).

rpmsun = (- NsunNplanet) rpmplanetE5

rpmplanet = (- NplanetNannulus) rpmannulusE6

Исторически коробка передач была самым слабым звеном в современной ветряной турбине общего назначения.Следуя нынешней тенденции к более крупным ветряным турбинам для морских применений с их большим диаметром ротора и более тяжелыми лопастями ротора, редукторы подвергаются значительно увеличенным нагрузкам.

Незначительные улучшения в системе смазки редуктора и фильтрации масла повысили надежность ветряных турбин, но для значительного повышения надежности редуктора необходимо изменить конструкцию нынешней планетарной передачи. Эта повышенная надежность особенно важна для морских применений, поскольку ветряные турбины обычно намного больше, а стоимость обслуживания намного выше.

3. Ветряные турбины без редуктора / с прямым приводом

Компания Enercon из Германии и ScanWind из Норвегии выступили пионерами в создании безредукторных ветрогенераторов или ветрогенераторов с прямым приводом. Увеличивая количество пар магнитных полюсов в генераторе с 4 или 6 обычных генераторов до 100 или более, можно исключить необходимость в редукторе.

Для выработки электроэнергии 60 или 50 Гц для США или Европы 4-полюсный генератор должен работать со скоростью 1800 или 1500 об / мин соответственно.Увеличение числа полюсов до 6 снизит частоту вращения генератора до 1200 и 1000 соответственно. Соотношение между оборотами генератора, числом полюсов n и частотой f определяется следующим образом:

f = nrpm120 [Гц] E7

Четырехполюсный генератор 1800 об / мин имеет частоту:

f = 41, 800120 = 60 [Гц] E8

Обороты генератора могут быть выражены как:

об / мин генератор = 120f (Гц) nE9

‘

Увеличение числа полюсов n в генераторе до 160 для выработки электричества 60 Гц позволяет ему вращаться с меньшее значение об / мин:

об / мин генератор = 12060160 = 45E10

Передаточное число G определяется в уравнении.7.

G = rpmgeneratorrpmrotorbladeE11

Используя пример производства электроэнергии с частотой 60 Гц с 4-полюсным генератором и лопастью ротора, работающей при 15 об / мин, уравнение. 7 показано, что потребуется передаточное число G:

G = 1,80015 = 120E12

между валом лопасти ротора и валом генератора.

Если, однако, используется 160-полюсный генератор, передаточное число снижается до:

G = 4515 = 3E13

при сохранении всех остальных значений постоянными.

Наконец, 400-полюсный генератор, работающий на лопасти ротора при 18 об / мин, даст передаточное число:

об / мин генератор = 12060400 = 18G = 1818 = 1E14

Единственное передаточное число означает, что редуктор не потребуется. .

Первым участником ветряной турбины с прямым приводом широко называют Enercon GmbH из Ауриха, Германия. Они предполагают, что их кольцевой генератор, помимо исключения необходимости в редукторе, содержит меньшее количество движущихся частей, что еще больше способствует повышению надежности и снижению потерь на трение.Поскольку рабочие скорости генератора намного ниже, он практически не подвержен износу, что позволяет продлить срок его службы и выдерживать большие нагрузки.

Уникальной особенностью Enercon является то, что они вручную наматывают медный провод в статорной части кольцевого генератора, что оправдано тем, что в каждом генераторе используется сплошная проволочная жила, что снижает резистивные потери. Компания Enercon очень гордится своими замкнутыми изолированными лаком проводами, имеющими класс температурной устойчивости F (155 F), что позволяет предположить, что обрывы изоляции, особенно в местах стыков, могли быть серьезной проблемой на ранних этапах строительства генераторов.Чтобы поддерживать высокий уровень контроля качества, Enercon производит кольцевые генераторы на собственных производственных мощностях компании.

Начиная со своей первой ветряной турбины с прямым приводом в 1993 году, Enercon доминировала на рынке ветряных турбин с прямым приводом, а в 2007 году заняла четвертое место по доле мирового рынка ветряных турбин, захватив 14 процентов рынка после Vestas, GE, и Gamesa. В то время как в прошлом ряд конкурентов на рынке прямого привода заявляли о банкротстве или неоднократно покупались и продавались, как это было в случае продажи Lagerwey компании Zephyros, которая была продана Harakosan, а затем оказалась в руках STX. Heavy Industries Кореи, рынок, похоже, обосновался с приходом промышленных гигантов GE и Siemens.На рисунках 4 и 5 показаны кольцевые генераторы в процессе сборки на производственных площадях компании Enercon.

Одно из требований к ветряной турбине с прямым приводом — отсутствие прямой связи с электрической сетью. Это связано с тем, что лопасти ротора ветряной турбины работают в диапазоне оборотов, а с генератором с прямой связью выходное напряжение и частота меняются незначительно. Линия постоянного тока и инвертор преобразуют произведенную энергию в параметры, подходящие для передачи в электрическую сеть.До разработки этих активных электронных систем в ветряных турбинах использовались конденсаторы и статические вольт-амперные-реактивные (VAR) системы, которые были далеки от оптимальных.

Еще одним важным аспектом ветряных турбин с прямым приводом является их повышенная стоимость производства и материалов. Когда немецкая компания Siemens приступила к двухлетней программе испытаний своей турбины с прямым приводом мощностью 3,6 МВт, Хенрик Штиесдал отметил, что ветряные турбины с прямым приводом могут стать конкурентоспособными по сравнению со своими шестеренчатыми аналогами в районе верхнего предела размеров турбин (в то время в диапазон 4-6 МВт), и с помощью испытательных стендов они определили, на каком уровне прямой привод может быть конкурентоспособным (Ragheb & Ragheb, 2010).Три года спустя эти комментарии оказались почти пророческими, поскольку в большинстве конструкций ветряных турбин с номинальной мощностью около 1,5 МВт все еще используется планетарная зубчатая передача, в то время как

Рисунок 4.

Многополюсные кольцевые генераторы в стадии сборки (фото : Энеркон).

Рисунок 5.

Ротор и статор ветряной турбины Enercon E-70 (Фото: Enercon).

более поздние и более крупные конструкции, многие из которых продаются для морских применений, созданы на базе генераторов с прямым приводом.Похоже, что эта точка переключения между редукторными ветряками и ветряными турбинами с прямым приводом находится в диапазоне номинальной мощности 1,5–3 МВт.

Согласно Министерству энергетики США, генераторы с прямым приводом требуют больших диаметров, что требует использования большого количества магнитов из редкоземельных элементов, и, следовательно, они дороги и требуют более крупной и тяжелой трансмиссии. В дополнение к этому, требуется поддерживать небольшой воздушный зазор в миллиметровом масштабе между ротором и статором, чтобы обеспечить достаточно высокие плотности магнитного потока.Как следствие, требуемые жесткие производственные допуски и детальный дизайн, позволяющий выдерживать сложные возникающие нагрузки, добавляют еще один набор проблем, которые могут установить верхний предел размера таких генераторов (Министерство энергетики, 2010).

Хотя это была первая компания, Enercon — не единственная компания, которая продает ветряные турбины с прямым приводом. Japan Steel Works (JSW) лицензировала технологию Enercon и конкурирует с такими компаниями, как Vensys, Leitwind, MTorres и ScanWind, теперь приобретенными General Electric (GE).В таблице 1 представлена ​​сводка некоторых существующих в настоящее время конструкций ветряных турбин с прямым приводом для коммунальных предприятий.

В конце 2009 года GE приобрела ScanWind примерно за 15 миллионов евро, что, казалось, было технологическим шагом, направленным на возвращение в сектор морских ветряных турбин. Предыдущим опытом GE в области морских ветряных турбин был проект ветряного парка Арклоу Бэнк (Ирландия), в котором были установлены семь демонстрационных ветряных турбин мощностью 3,6 МВт. В отличие от турбин с прямым приводом ScanWind, в этих ветряных турбинах использовалась трехступенчатая планетарная передача.

Подход с прямым приводом к проблеме с коробкой передач, похоже, достаточно хорошо применяется в ветряных турбинах большой мощности. Из-за меньшего количества движущихся частей он кажется идеально подходящим для крупных оффшорных приложений.

Однако прямой привод не может решить существующие проблемы с редуктором для всех ветряных турбин в диапазоне номинальной мощности от 1,5 до 10 МВт, так как он приводит к увеличению веса примерно на 25 процентов и увеличению стоимости примерно на 30 процентов.

Дальнейшее развитие решения с прямым приводом объединяет концепцию прямого привода со сверхпроводящими материалами, с потенциальными преимуществами, заключающимися в уменьшении массы и объема и, как следствие, меньших транспортных расходов и меньших нагрузок на градирню.Экономические преимущества сверхпроводящих генераторов с прямым приводом, скорее всего, не будут существовать для турбин мощностью менее 5 МВт, но с турбинами 10 МВт, которые уже строятся для использования на море, эта концепция трансмиссии может вскоре стать реальностью (Министерство энергетики, 2010 г.) ).

4. Разделение крутящего момента

Другая попытка решения проблемы с редуктором на ветряных турбинах мощностью 2+ МВт была предпринята компанией Clipper Windpower из Карпинерии, Калифорния. В рамках партнерства с Министерством энергетики США (DOE) и Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL) компания Clipper разработала 2.Ветряная турбина Liberty мощностью 5 МВт, самая большая из изготовленных в США. Эти турбины, произведенные в 2006 году, были введены в эксплуатацию в начале 2007 года в рамках проекта Steel Winds Project, расположенного на берегу озера Эри в Лакаване, штат Нью-Йорк, и в 2007 году компания получила награду Министерства энергетики США за выдающиеся партнерские исследования и разработки. всего через несколько месяцев эксплуатации в их коробках передач с распределенным редуктором были обнаружены проблемы. Последующий анализ выявил неисправность в неправильной синхронизации трансмиссии, вызванной неправильными допусками передач на деталях, поступающих от поставщиков (Robb, 2008).

0

GE 4,019-1 936 910 США Штаты LT18 9183 9183

Италия

Компания	Страна	Номинальная мощность турбины (МВт)	Диаметр лопастей ротора (м)
Клипер [ветровая сила] Дата развертывания на судне: 2012	UK	UK
Sway	Норвегия	10	145
Enercon E-126	Германия	7,5	127
Nordex N35018 / 6000 6193	150
Xingtan Electric Manufacturing Corporation	Китай	5,0	—
GE 4.1-113	США	4,1	113
4,0	110
ScanWind 3.5 (преобразован в серию GE 4.X)	Норвегия	3,5	90
Enercon E-101	Германия	3.0	101
Leitwind LTW101	Италия	3,0	101
Siemens SWT 3,0-101	Германия	3,0	101 Ener18			3,0	101 Ener 183 918 918 936			9183 918 918 9183 9182 2,0 — 3,0	83
Guangxi Yinhe Avantis Wind Power (в стадии тестирования)	Китай	2,5	—
Vensys 2,5 MW	Германия	2.5	90-100
Enercon E-70	Германия	2,3	71
Leitwind LTW70	Италия	1,7 — 2,0	70,1
1,5 — 1,8	80,3
MTorres TWT 1,65 / 70	Испания	1,65	70
MTorres TWT 1,65 / 77	Испания	1.65	77
MTorres TWT 1,65 / 82	Испания	1,65	82
Leitwind LTW77	Италия	1,5	76,66	1,5	76,66	86,3
Vensys 1,5 МВт	Германия	1,5	70-82

Таблица 1.

Номинальная мощность ветряной турбины с прямым приводом (МВт) и диаметры лопастей ротора.

Рис. 6.

Распределение крутящего момента между четырьмя электрическими генераторами на Clipper Liberty мощностью 2,5 МВт (Изображение: Clipper Windpower).

Используя запатентованный силовой агрегат распределенной генерации Quantum Drive, ветряная турбина Liberty мощностью 2,5 МВт использует конструкцию многоступенчатого редуктора для равномерного распределения крутящего момента от лопастей ротора длиной 89–99 метров между четырьмя генераторами, которые работают параллельно. В отличие от планетарной зубчатой ​​передачи, Clipper использует внешние двойные косозубые шестерни, чтобы обеспечить широкие поверхности с их более низкой чувствительностью к отклонению, меньшими диаметрами и меньшими производственными затратами из-за более низких требуемых допусков.Набор шестерен для каждого из генераторов спроектирован в виде «картриджа», чтобы можно было производить замену без снятия коробки передач. Кроме того, в случае возникновения неисправности в одном из генераторов или зубчатых передач с картриджами, производственная мощность ветряной турбины снижается всего на 25 процентов, пока проблема не будет устранена (Mikhail & Hahlbeck, 2006).

После продажи 370 турбин в 2006 г. и 825 в 2007 г. компания, похоже, оправилась от своих ранних проблем с контролем качества.Clipper Wind была приобретена в декабре 2010 года корпорацией United Technologies Corporation. 24 марта 2011 г. компания Clipper Wind открыла первую крупномасштабную ветряную электростанцию ​​на острове Оаху, которая состоит из 12 ветряных турбин мощностью 2,5 МВт, соединенных с системой хранения аккумуляторной батареи на 15 МВт для сглаживания колебаний выходной мощности. Этот проект был разработан бостонской компанией First Wind, одним из давних клиентов Clipper Windpower. По состоянию на начало 2011 года в 17 проектах в США задействовано 375 турбин Clipper Windpower с совокупной номинальной мощностью 938 МВт.

Разделение крутящего момента представляется более дешевой альтернативой решению с прямым приводом, хотя кажется, что верхний допустимый предел разделения крутящего момента может быть ниже, чем у машин с прямым приводом.

В дополнение к Clipper Windpower компания CWind из Онтарио, Канада, представляет проект ветровой турбины мощностью 2 МВт с 8 генераторами. Они тестировали ветряную турбину мощностью 65 кВт и объявили о планах разработки турбины мощностью 7,5 МВт. быть гибридом между разделением крутящего момента и бесступенчатой ​​трансмиссией (CVT), поскольку они намекают на «систему фрикционного привода» для поглощения внезапных всплесков ветра.Привод с фрикционным контактом является одним из многих типов вариаторов. Наконец, следует отметить, что, как показано в таблице 1, дочерняя компания Clipper Windpower, Clipper Marine, выбрала систему прямого привода на своей турбине мощностью 10 МВт. может дать подсказки относительно максимального экономичного размера ветряной турбины, построенной на основе концепции разделения крутящего момента.

5. Магнитные подшипники

Очень многообещающее потенциальное решение проблемы несоосности валов может исходить от аэрокосмической промышленности и промышленности по обогащению урана в виде магнитных подшипников или активных магнитных подшипников (AMB).

Недавние исследования NASA, MTU и других указывают на исследования в области высокотемпературных магнитных подшипников для использования в газотурбинных двигателях для приведения в движение самолетов. Следующим большим шагом в использовании двигателей коммерческих транспортных самолетов является турбовентиляторный двигатель с редуктором. (GTF), который предназначен для двигателей Mitsubishi MRJ, Bombarider C-Series и A320neo, и может служить платформой, на которой AMB могут использоваться в аэрокосмической отрасли. Система AMB состоит из магнитного вала, контроллера, несколько электромагнитных катушек, прикрепленных к валу статора, как показано на рис.7. В случае отказа системы управления AMB обычно имеют систему пассивных резервных подшипников, которая по умолчанию использует подшипник качения для датчиков рабочего режима «аварийного дома» (Clark et al., 2004).

Рис. 7.

Схема активного магнитного подшипника (Кларк и др., 2004).

Двигатель GTF ни в коем случае не является новой концепцией, поскольку производитель двигателей Пратт и Уитни понимали теоретическое обоснование этой концепции в начале 1980-х годов. В последнее время достигнут уровень развития технологий и материалов, необходимый для соответствия строгим требованиям безопасности, надежности и прочности современных газотурбинных двигателей.Компания Pratt and Whitney предполагает, что за тысячи часов разработки в их новое семейство GTF были внесены усовершенствования в подшипниках, зубчатой ​​передаче и конструкции смазки, причем первоначальные отчеты предполагают многообещающие данные по теплоте и эффективности.

SAE International сообщает, что Pratt and Whitney использует технологию самоцентрирующихся подшипников, которая практически устранила проблемы перекоса шестерни и напряжения в коробке передач PW8000 GTF. Кажется более вероятным, что это было достигнуто за счет их запатентованного подшипника с короткозамкнутым ротором (Костка, 2010), но, учитывая высокую устойчивость AMB к высоким температурам, магнитный подшипник в газотурбинном двигателе не кажется слишком далеким. .

Использование магнитных подшипников в газотурбинных двигателях было тщательно изучено, и в работах по этой теме указывается ряд их потенциальных преимуществ, а также их недостатки. Преимущества магнитных подшипников включают долговечность и устойчивость к повреждениям (Clark et al., 2004), гораздо меньшие потери на трение (Schweitzer, 2002) и повышенную надежность при меньшем весе. Магнитные подшипники также обладают потенциалом для устранения систем смазки и предотвращения износа подшипников, и уже продемонстрировали свое успешное применение в шпинделях машин, турбомашинах среднего размера и больших центробежных компрессорах (Becker, 2010).Исключение масляной системы в редукторе аэродинамической трубы дает очень большую потенциальную выгоду, так как многочисленные возгорания ветряных турбин были связаны с возгоранием масла в перегретой коробке передач. На рис. 8 представлена ​​фотография одной из многих ветряных турбин, в которых перегрев редуктора вызвал возгорание смазочного масла.

Рис. 8.

Горит ветряная турбина коммунального масштаба (Фото: flickr).

Подшипники качения, используемые в настоящее время в ветряных турбинах, имеют относительно короткий срок службы при высоких нагрузках.Как фольговые, так и магнитные подшипники обеспечивают более длительный срок службы, при этом магнитные подшипники превосходят фольговые подшипники при использовании в большом вращающемся оборудовании при высоких нагрузках и относительно низкой скорости (Clark, 2004). Большой, сильно нагруженный и относительно медленно вращающийся — почти идеальное описание современного ветряного генератора коммунального масштаба.

Общая критика магнитных подшипников заключается в том, что они требуют высокой мощности для генерации достаточного тока для создания магнитного поля, достаточно большого, чтобы создать достаточную магнитную силу для работы с большими нагрузками.Эта критика просто устарела, поскольку недавние достижения в области постоянных магнитов позволяют создавать такие же сильные магнитные поля с помощью упомянутых магнитов, а не с помощью тока. Именно эти достижения в области постоянных магнитов позволили создать вышеупомянутые генераторы с прямым приводом.

Магнитные подшипники кажутся хорошо подготовленными для смягчения некоторых текущих проблем с коробкой передач, но их применение в ветряных турбинах значительно отстает от текущего состояния развития решений с прямым приводом и разделением крутящего момента.Это решение может помочь в решении проблем с редуктором на нижнем уровне ветряных турбин коммунального масштаба, поскольку оно может быть адаптировано к существующим конструкциям редукторов с минимальными изменениями конструкции. По мере развития технологии магнитные подшипники могут позволить обычным конструкциям редукторов приблизиться к номинальной мощности турбины до 4 МВт, если конкретные конструктивные ограничения требуют использования обычного редуктора.

6. Бесступенчатая трансмиссия, CVT

Другой вариант решения проблемы с коробкой передач — использование бесступенчатой ​​трансмиссии (CVT).Эта конструкция зубчатой ​​передачи только недавно достигла массового производства в легковых автомобилях, хотя она уже долгое время используется в сельскохозяйственной технике, сеялках, снегоходах и садовых тракторах. Коробки передач типа CVT могут непрерывно изменяться с помощью бесконечного числа передаточных чисел, в отличие от дискретного изменения между заданным числом конкретных передаточных чисел стандартной коробки передач.

Именно эта гибкость зубчатой ​​передачи позволяет выходному валу, подключенному к генератору в ветряных турбинах, поддерживать постоянную скорость вращения для изменения входных угловых скоростей.Изменчивость скорости ветра и соответствующее изменение оборотов ротора в сочетании с фиксированными требованиями к фазе и частоте для передачи электроэнергии в электрическую сеть создают впечатление, что вариаторные трансмиссии в сочетании с пропорциональным регулятором положения, интеграла и производной (PID) имеют потенциал для значительного повышения эффективности и рентабельности ветряных турбин.

Одним из недостатков вариаторов является то, что их способность обрабатывать крутящие моменты ограничена прочностью среды передачи и трением между указанной средой и шкивом источника.Благодаря использованию современных смазочных материалов, вариатор с цепным приводом способен адекватно выдерживать любой крутящий момент, испытываемый автобусами, тяжелыми грузовиками и землеройным оборудованием. Фактически, японская компания Gear Chain Industrial B.V., похоже, начала работу по ветроэнергетике для вариаторов с цепным приводом.

В дополнение к способности справляться с незначительными перекосами валов без повреждений, вариаторы предлагают два дополнительных потенциальных преимущества для ветряных турбин. Как сообщили Mangliardi и Mantriota (1996, 1994), ветряная турбина, оснащенная вариатором, может работать с более идеальным соотношением конечных скоростей в условиях ветра с переменной скоростью, отслеживая большие колебания скорости ветра.При моделировании в устойчивом ветровом потоке увеличение мощности с добавлением вариатора наблюдалось для скорости ветра выше 11 м / с, а на скорости 17 м / с мощность турбины с вариатором была вдвое выше, чем у традиционной конфигурации, в то время как демонстрируя только 20-процентное увеличение крутящего момента. Эти результаты предполагают, что типичная скорость ветра при отключении 25 м / с, установленная для ограничения напряжения вала и других напряжений, возможно, может быть пересмотрена, чтобы отразить более низкие напряжения вала и более высокий КПД ротора при более высоких скоростях ветра (Mangliardi & Mantriota , 1994).Динамические результаты были еще более обнадеживающими, поскольку турбина с вариатором, работающая в условиях турбулентного ветра, продемонстрировала повышенный КПД в среднем на 10 процентов по сравнению с примером вариатора с постоянным ветровым потоком. Кроме того, симуляция турбины с вариатором обеспечивает более качественную электроэнергию, поскольку инерция ротора помогла значительно снизить скачки, которые всегда присутствуют в ветряных турбинах с постоянной частотой вращения, подверженных резким изменениям скорости ветра (Mangliardi & Mantriota, 1996 ).Манльярди и Мантриота продолжают определять эффективность извлечения ветровой турбины с вариатором и без вариатора в зависимости от скорости ветра, и это представлено ниже на рисунке 9.

Рисунок 9.

Эффективность извлечения η стандартные ветровые турбины и турбины с вариатором как функция скорости ветра в турбулентном ветровом поле (Mangliardi and Mantriota, 1996).

Как видно на рис. 9, ветряная турбина с вариатором более эффективна, чем обычная ветровая турбина, при извлечении энергии ветра во всем, кроме узкого диапазона скоростей ветра.Диапазон скоростей ветра, при котором турбина с вариатором находится в невыгодном положении, сосредоточен на проектной точке обычной ветряной турбины, где обе турбины демонстрируют схожую аэродинамическую эффективность, но турбине с вариатором препятствуют потери энергии в ее системе зубчатых передач. Следует отметить, что это довольно узкий диапазон, и значение, на которое ветровая турбина с вариатором вариатора отстает от обычной ветряной турбины, намного меньше по сравнению с ее преимуществами по сравнению с остальным диапазоном скоростей ветра.

По мере перехода от идеального постоянного и однородного поля ветра к турбулентному полю ветра потенциальные преимущества ветряной турбины с вариатором возрастают. Отношение КПД ветряной турбины с вариатором к обычному, R _η , увеличивается (Mangliardi and Mantriota, 1996).

Возможные проблемы турбин, оснащенных вариатором, связаны, главным образом, с отсутствием знаний о масштабируемости таких конструкций. На такие вопросы, как верхний предел крутящего момента, который может передаваться через ременную передачу, еще предстоит ответить.Потенциальные выгоды существуют, но, похоже, необходимо больше исследовательских платформ и платформ для испытаний турбин, прежде чем станет известен диапазон применимости вариаторов на ветровых турбинах (Министерство энергетики, 2010 г.) и количественно оценены их коммерческие выгоды. Гидростатические приводы — это один из типов вариаторов, который был изучен для применения в ветряных турбинах, но кажется, по крайней мере на начальном этапе, что он может заменить одну проблему, фильтрацию масла в коробке передач, другой, повышенными требованиями к техническому обслуживанию и чистоте гидравлической жидкости.

7. Обсуждение

Согласно рис. 10, отказы редукторов составляют 5 процентов отказов ветряных турбин. Однако они обходятся дорого по сравнению с другими сбоями, когда они происходят.

Рисунок 10.

Доля необходимого ремонта и обслуживания ветряных турбин коммунального масштаба. Данные: AWEA.

В то время как ветряные турбины рассчитаны на срок службы около 20 лет, существующие редукторы выдают отказы примерно через 5 лет эксплуатации. Затраты, связанные с закреплением крана, достаточно большого для замены коробки передач, и длительные простои, связанные с таким ремонтом, влияют на эксплуатационную рентабельность ветряных турбин.Простая замена редуктора ветряной турбины мощностью 1,5 МВт может стоить оператору более 250 000 долларов (Rensselar, 2010). На замену редуктора приходится около 10 процентов стоимости строительства и установки ветряной турбины, что отрицательно скажется на предполагаемом доходе от ветряной турбины (Kaiser & Fröhlingsdorf, 2007).

Кроме того, возгорание может возникнуть из-за масла в перегретой коробке передач. Порывистый ветер — это то, что ухудшает работу коробки передач, и это неизбежно.

На рисунке 11 обобщены оценки применимых экономических диапазонов номинальной мощности для каждого из рассмотренных решений редукторов ветряных турбин.

Подход с прямым приводом к текущей проблеме надежности редукторов ветряных турбин, кажется, прочно закрепился в сегменте рынка мощностью 3 МВт и более, хотя в этом диапазоне также используется разделение крутящего момента.

Однако для диапазона от 1,5 до 3 МВт существует несколько жизнеспособных вариантов, включая разделение крутящего момента, магнитные подшипники и бесступенчатые трансмиссии (CVT).Эти варианты могут получить преимущество перед решениями с прямым приводом из-за приблизительно 30-процентной надбавки к стоимости системы с прямым приводом, а также больших размеров и капитальных затрат, связанных с такой системой.

Если будет использоваться трасса магнитных подшипников, ответ может лежать на производителях газовых турбин, поскольку их критерии проектирования уже требуют наличия подшипников, которые обладают высокой надежностью, устойчивостью к повреждениям и способны выдерживать большие нагрузки. CVT, по-видимому, также обладают преимуществами аэродинамической эффективности

Рис. 11.

Определенные диапазоны применимости номинальной мощности существующих и возможных вариантов редукторов ветряных турбин. CVT: бесступенчатая трансмиссия.

для ветровых турбин, но они могут быть ограничены величиной крутящего момента, который может передаваться цепью, ремнем или гидростатическими средствами. По этой причине магнитные подшипники представляют собой потенциальное решение для немного более широкого диапазона номинальных мощностей турбин, чем вариаторы.