УДК 620.9

ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ БРИЗ-5000

Бельский Алексей Анатольевич1, Муратбакеев Эдуард Хамитович2
1Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики
2Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кандидат технических наук, доцент кафедры начертательной геометрии и графики

Аннотация
В данной статье приведено описание опыта использования ветроэлектрической установки в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» на территории Ленинградской области. Описана работа ветрогенератора, даны рекомендации к усовершенствованию установки.

Ключевые слова: ветроэлектрическая установка Бриз-5000


EXPERIENCE OF THE USAGE OF WIND TURBINE BREEZE-5000

Belsky Aleksey Anatolevich1, Muratbakeev Edward Khamitovich2
1National mineral resources university (University of mines), Ph.D., assistant Department of Electrical, Power engineering, Electromechanic
2National mineral resources university (University of mines), Ph.D., docent Department of Descriptive Geometry and Engineering Graphics

Abstract
The article describes the experience of the usage of wind power turbine at National Mineral Resources University "Mining University" in Leningrad region. Thus, it provides the description of operation of the wind turbine and recommendations for possible subsequent improvements of the system as well.

Keywords: wind turbine Breez-5000


Библиографическая ссылка на статью:
Бельский А.А., Муратбакеев Э.Х. Опыт использования ветроэлектрической установки малой мощности БРИЗ-5000 // Современная техника и технологии. 2015. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/05/6942 (дата обращения: 28.05.2017).

По данным AWEA (Американская ветроэнергетическая ассоциация), в США в 2006 г. было продано 6.807 малых ВЭУ, суммарной установленной мощностью 17 543 кВт. В остальном мире в 2006 г. были проданы 9.502 малых турбины (без учёта США), их суммарная мощность составила 19.483 кВт. Департамент Энергетики США (DoE) в конце 2007 года объявил о готовности финансирования особо малых ветрогенераторов (мощностью до 5 кВт) персонального использования. Нынешний уровень мощностей ВЭС в США, по информации AWEA, в 5 раз превосходит показатели 2006 года и в 2 раза – 2008 года.

В 2012 году американский рынок малых ВЭУ увеличился на 18,4 МВт новых мощностей в сфере продаж, что составляет почти 3700 турбин и $ 101 млн. инвестиций. В общей сложности совокупная мощность малых ветряных турбин составила 216 МВт, что составляет более 155 000 единиц ветрогенераторов, проданных с 1980 года.

В России процесс установки ветрогенераторов для энергоснабжения домов или малых производственных (коммерческих) объектов только зарождается.

С использованием возобновляемых источников энергии в России ежегодно вырабатывается не более 8,5 млрд. кВт∙ч электрической энергии, без учета гидроэлектростанций установленной мощностью более 25 МВт, что составляет менее 1 % совокупного объема.

На протяжении последних 10 лет в России для развития рынка производства и использования ветроэнергетических установок активно разрабатывается и принимается нормативно-правовая база, нормативно-техническая документация, создаются некоммерческие организации и партнерства, например, такие как: РАВИ – Российская ассоциация ветроиндустрии; РВЭА – Российская ветроэнергетическая ассоциация.

В 2007 году были приняты поправки к Федеральному закону «Об электроэнергетике», заложившие рамочные основы развития отрасли. Это событие способствовало как формированию институциональных условий функционирования рынка, так и повышению инвестиционной привлекательности отрасли. В мае 2013 года Правительство РФ подписало пакет мер по поддержке возобновляемых источников энергии.

Согласно ветровому кадастру России, 40 % ее территории может эффективно использоваться для выработки электроэнергии с помощью ВЭУ [1] .

В тоже время вопрос эффективности использования малых ВЭУ и энергетических комплексов на их основе, особенно отечественного производства в условиях сурового климата России представляется недостаточно изученным.

Горным университетом приобретен электротехнический комплекс на базе малой ВЭУ «Бриз 5000» отечественного производства ЗАО «Ветроэнергетическая компания» (г. Санкт-Петербург). Энергетический комплекс предназначен для проведения научных исследований, оценки эффективности работы подобных систем, а также для автономного электроснабжения наружного освещения территории учебной опытно-экспериментальной базы университета по адресу: Ленинградская область, Тосненский р-н, пос. Ульяновка, ул. Володарского, д. 133, лит. А. Место установки ВЭУ на территории базы было выбрано с учетом обеспечения минимального затенения (торможения ветрового потока) от существующих и проектируемых зданий с учетом планов развития учебного комплекса (см. рисунок 1).

 

Рисунок 1 — Место установки ВЭУ на территори учебной опытно-экспериментальной базы

Основные элементы генерирующего электротехнического комплекса — ВЭУ «Бриз 5000», кислотно-гелиевые аккумуляторные батареи (АКБ), инвертор, управляемое зарядное устройство.

ВЭУ «Бриз 5000» состоит из ветроколеса с тремя лопастями из стеклопластика, которое крепится непосредственно к валу генератора на постоянных магнитах. Генератор закреплён на опорно-поворотном узле, имеющем вынесенный хвостовой флюгер, для ориентирования ветрогенератора по направлению ветра. В опорно-поворотном узле размещается токосъемник для передачи энергии от электрического генератора дальше в кабельную линию, сам узел крепится к сборной трубчатой мачте, которая удерживается в вертикальном положении двумя уровнями оттяжек.

Основные технические характеристи электрогенерирующего комплекса на базе малой ВЭУ приведены в таблице 1. 

Таблица 1. Технические характеристики комплекса

1

Номинальная мощность

5 кВт

2

Начальная (минимальная) рабочая скорость ветра

3 м/с

3

Номинальная (расчетная) скорость ветра

12 м/с

4

Максимальня рабочая скорость ветра

45 м/с

5

Диаметр ротора (размах лопастей)

5 м

6

Количество лопастей

3 шт.

7

Высота мачты

18 м

8

Тип мачты

Стальная труба с растяжками

9

Рабочая температура

от – 40 °С до +50 °С

10

Ориентация на ветер

Флюгер

11

Способ регулирования мощности

Вывод ротора из-под ветра

12

Тип электрического генератора

Синхронный трехфазный с возбуждением от постоянных магнитов

13

Номинальная частота вращения ветроколеса

500 об/мин

14

Количество фундаментных блоков 0,8х0,8х1,8м

5 шт.

15

Расположение фундаментных блоков

Крестом на расстоянии 9 м от центрального

16

Срок эксплуатации ВЭУ / период обслуживания

20 лет / 1 раз в год

17

Регулятор заряда аккумуляторных батарей (АКБ)

Неуправляемый выпрямитель

18

Защита от перезаряда АКБ

Релейная, с переключением на балластное сопротивление

19

Напряжение звена постоянного тока

48 В

20

Параметры АКБ, количество

Кислотно-гелиевая; необслуживаемая;

12 В, 200 А∙ч, 4 шт.

срок эксплуатации 7 лет

21

Параметры инвертора

UВх.=40÷60 В (пост.);

UВых.=230 В (перем., 50 Гц);

мощность 6 кВт

22

Мощность балластного сопротивления

6 кВт

Электротехнический комплекс на базе малой ВЭУ вырабатывает  электрическую энергию по следующей схеме (см. рисунок 2):

1. ВЭУ под воздействием ветра (при скоростях от 3 м/с до 45 м/с) вырабатывает переменный ток различного напряжения, при этом частота тока непостоянна и изменятся от 10 Гц до 100 Гц.

2. Далее переменный ток непостоянной частоты преобразуется в неуправляемом (диодном) выпрямителе и поступает на клеммы АКБ для их заряда.

3. Уровень заряда АКБ контролируется с помощью реле напряжения, которое при превышении допустимого уровня в 60 В, с помощью тиристорного ключа производит переключение с АКБ на балластное сопротивление выполненное в виде трубчатого электронагревателя (ТЭН). При понижении напряжения на АКБ ниже 56 В, реле производит обратное переключение и подзаряд аккумуляторов продолжается.

4. АКБ не только накапливают электроэнергию в буферном режиме, но и выравнивают и стабилизируют уровень выходящее напряжение с генератора ВЭУ.

5. На вход инвертора от выпрямителя подается стабилизированное напряжение в зависимости от степени заряда АКБ (от 42 В до 60 В). В случае когда ток нагрузки превышает, ток вырабатываемый ВЭУ, идет разряд аккумуляторов, в противном случае происходит заряд АКБ. На выходе инвертора в зависимости от его типа получается либо однофазное напряжение (230 В), либо трехфазное (380 В). В рассматриваемом комплексе используется однофазный инвертор номинальной мощностью 6 кВт.

Рисунок 2 — Схема ветроэнергетического комплекса

В ходе эксплуатации ветроэнергетического комплекса был выявлен ряд недостатков и замечаний, влияющих на удобство эксплуатации и обслуживания комплекса, а также надежность электроснабжения потребителей (см. рисунок 3).

Рисунок 3 — Схема энергетического комплекса на базе ВЭУ «Бриз 5000» с указанием выявленных недостатков

Замечание №1: Место крепления лопастей к ступице ветроколеса и валу генератора, не защищено аэродинамическим кожухом. Под действие атмосферных осадков, открытые резьбовые соединения покрываются ржавчиной, за 2,5 года стопорная металлическая проволока разрушилась.

Замечание №2: Отсутствует устройство ручного отключения (тормоз) ВЭУ, находящееся в открытом доступе на уровне земли.

Замечание №3: В качестве питающего силового кабеля, проложенного от генератора ВЭУ до выпрямительного устройства (регулятора заряда) использован кабель марки КГ, срок службы которого составляет 4 года, согласно ТУ 16.К73.05–93 и не соответствует 20-летнему сроку эксплуатации комплекса.

Замечание №4: В качестве силового разъем на корпусе регулятора заряда на конце трехфазной питающей линии использован силовой разъем «2Р+PE», 32 А для подключения трехфазной линии.

Замечание №5: Присоединение электрических выводов генератора к токосъемнику осуществлено с использованием не защищенного (от прикосновения и атмосферных осадков) болтового соединения на изоляторах.

Замечание №6: ВЭУ не оснащена отдельным заземляющим устройством, фундаментные блоки между собой соединяются посредством стальных тросов – выполняющих роль растяжек удерживающих мачту ВЭУ в вертикальном положении.

Замечание №7: Устройство натяжения тросов (талреп), удерживающих ВЭУ в вертикальном положении, имеет маленький диапазон регулирования, который не превышает 115 мм.

Замечание №8: Условия размещения аккумуляторных батарей (АКБ) согласно инструкции выданной поставщиком/производителем ВЭУ не соответствуют требованиям производителя АКБ.

Замечание №9: Регулирование степени заряда осуществляется под управления реле напряжения «48 В». Выход из строя данного элемента приводи к перезаряду АКБ. Данный ответственный элемент (реле «48В») не зарезервирован и не имеет аварийных цепей отключения ВЭУ.

Замечание №10 и 11: В инструкции по эксплуатации ВЭУ отсутствует информация о необходимости обеспечения заземления одного из полюсов АКБ, а также отсутствуют указания о необходимости установки двухполюсного аппарата защиты на фазный (L) и нулевой рабочий (N) проводники.

В представленном комплексе особое внимание следует уделить контроллерам заряда, так как они, по сути, являются управляющими устройствами всей системы. Данные приборы предназначены для: контроля и индикации величины зарядного тока и напряжения аккумуляторных батарей; отключения батарей от источников питания при достижении напряжения предельного значения; автоматического поиска точки максимальной эффективности.

При проведении научных исследований важно, чтобы контроллер заряда имел возможность регистрации данных с последующим их сохранением и передачей на персональный компьютер. Функция регистрации данных должна быть установлена и на инверторе. В таком случае можно будет оценить эффективность работы как всей системы в целом, так и отдельных ее элементов. При изучении работы подобных энергетических систем важно уделять внимание на то, куда расходуется полученная электроэнергия.

В процессе эксплуатации работниками кафедры была произведена модернизация установленного ветроэлектрическго комплекса (ВЭК) с целью полного устранения выявленных замечаний. В настоящее время ВЭУ используется:

-   в учебном процессе студентов и магистрантов при выполнении связанных с изучением ветроэнергетики лабораторных работ;

-   в научно-исследовательской работе магистрантов и аспирантов по направлению 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»;

-   в качестве демонстрационного комплекса по использованию ВИЭ, энергии ветра для слушателей курсов повышения квалификации учебно-образовательного центра «Энергосбережение и энергоэффективность»;

-   в качестве комплекса автономного электроснабжения сети электроосвещения территории опытно-эксперементальной базы, а также некоторого оборудования ситем атоматики и местного освещения развернутой передвижной буровой установки МБУ-125 расположенной на территории учебной базы.


Библиографический список
  1. Николаев В.Г., Ганага С.В., Кудряшов Ю.И. Национальный кадастр ветроэнергетических ресурсов РФ и методические основы их определения. М.: Атмограф, 2008. 582 с.


Все статьи автора «Бельский Алексей Анатольевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: