4.6. Создание первых ветроэлектростанций

В начале XX столетия, когда уже имелись научные основы развития ветротехники, в мире разворачивается строительство ВЭС.

ВЭС могут состоять как из одной, так и из нескольких ВЭУ, функционально связанных между собой и составляющих единый комплекс для производства электроэнергии путём преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.

ВЭС работают, как правило, на общую сеть, но могут быть и автономными, когда питают электроэнергией обособленного потребителя и не являются частью общей энергосистемы.

Пионером в строительстве ВЭС явилась Дания, правительство которой ещё в 1890 г. приступило к проведению широкой программы развития ВЭУ большой мощности. В 1910 г. было построено несколько сотен таких ВЭУ. Они имели четырёхлопастные ветроколёса диаметром 23 м, установленные на башне высотой 24 м и соединённые механической передачей с электрическим генератором, расположенным у основания башни. Расчётная мощность генератора изменялась от 5 до 25 кВт. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой этими ВЭУ, примерно равнялась стоимости топлива, потребляемого дизельной электрической установкой.

После второй мировой войны датчане разработали и испытали три экспериментальные ВЭУ с установленной мощностью 12,45 и 200 кВт, предназначенные для работы в энергосистеме. Они успешно эксплуатировались до 1960 г. Когда выяснилось, что стоимость вырабатываемой электроэнергии превышает ранее эквивалентную стоимость энергии теплового двигателя, реализацию проекта приостановили.

Советский Союз. Ветроиспользование в СССР рассматривалось как важная государственная проблема. Уже в 1924 г. под руководством Н.В. Красовского в отделе ветродвигателей ЦАГИ был разработан быстроходный двигатель мощностью до 50 л.с. с новой системой регулирования частоты вращения колеса, предложенной Г.Х. Сабининым. Она получила название стабилизаторной. С целью расширения работ по созданию ветродвигателей и использованию энергии ветра в 1930 г. на базе отдела ветродвигателей ЦАГИ был организован Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ), единственная в мире в то время научно-исследовательская организация такого профиля.

При конструировании ВЭУ наиболее сложным и ответственным моментом является обеспечение управления оборотами ветроколеса, так как условия параллельной работы на сеть требуют постоянства частоты вращения генератора вне зависимости от скорости ветра. Для этого используется поворот лопасти вокруг неподвижной оси. С изменением положения лопасти по отношению к направлению ветра изменяются и аэродинамические силы, действующие на нее, что и положено в основу регулирования. Поворот лопастей осуществляется либо аэродинамически при помощи руля-стабилизатора, соединённого с центробежным регулятором, помещённым в крыле, предложенным, как сказано выше, профессором Г.Х. Сабининым, либо механическим путём - сервомоторами.

В 1931 г. была построена Балаклавская ВЭС (рис. 4.25), работавшая на электрическую сеть напряжением 6,3 кВ совместно с тепловой электростанцией мощностью 20 МВт, находящейся от неё на расстоянии 32 км (в Севастополе). По своим размерам (диаметр ветроколеса 30 м, мощность 100 кВт при скорости ветра 10 м/с, высота башни 25 м, частота вращения ветроколеса 30 об/мин) эта

станция не имела себе равных ни в СССР, ни за границей (в 1942 г. во время войны станцию разрушили). Кабина головки (длина 13,7, ширина 2,5, высота 3,8 м), где размещались генератор, электроаппаратура, редуктор с эластичными муфтами, была выполнена наподобие фюзеляжа самолёта. Ветроколесо имело три лопасти, которые свободно поворачивались на своих махах под действием стабилизаторов системы регулирования Г.Х. Сабинина и Н.В. Красовского. Лопасти имели обтекаемый профиль, аналогичный профилю крыла самолёта, и длину 11 м при ширине 2 м у основания и 1 м на конце. Махи выполнялись из стальных труб диаметром 350 мм.

Плоскость вращения ветроколеса имела наклон 12° к вертикали, что было вызвано необходимостью уменьшить вылет ветроколеса относительно башни. Головка установки опиралась через шаровую пяту на сферу, закреплённую наверху башни. На этой опоре верхняя часть ВЭУ поворачивалась вокруг вертикальной оси при установке ветроколеса на ветер. Ферма головки соединялась шарнирно с наклонной хвостовой фермой, на нижнем конце которой также

шарнирно была присоединена тележка с мотором и лебёдкой. Хвостовая ферма служила для установки ветроколеса на ветер при изменениях его направления. Тележка опиралась на рельс, уложенный вокруг башни по кругу радиусом 20,5 м. Тележка двигалась по рельсу электродвигателем мощностью 1,5 кВт через червячную передачу. Включение его в работу происходило автоматически при изменении направления ветра. Для этого наверху кабины был установлен флюгер размером 400 × 700 мм. В случае изменения направления ветра флюгер включал одну из катушек электромагнитного переключателя, находящегося в цепи электродвигателя хвостовой тележки. Двигатель перемещал тележку по рельсу до тех пор, пока ветроколесо не становилось снова против ветра и флюгер не размыкал контакта. Подъём на башню осуществлялся по хвостовой ферме, на которой для этой цели была уложена лестница.

Рис. 4.25. Общий вид Балаклавской ВЭС на 100 кВт

Генератор был установлен асинхронный, трёхфазного тока, мощностью 92 кВт при частоте вращения 600 об/мин, допускающий длительную перегрузку на 10%, который включался автоматически центробежным механизмом.

Эксплуатационные испытания ВЭС проводились на двух режимах: при 19 и 30 оборотах ветроколеса в минуту. При этом оказалось, что режим работы ВЭС на 30 об/мин значительно выгоднее. Годовая выработка энергии составляла около 280 тыс.кВт·ч при коэффициенте использования энергии ветра 0,32.

В конце 1935 г. ЦВЭИ в Москве закончил проект ВЭС с диаметром ветроколеса 50 м и синхронным генератором для параллельной работы на общую сеть (рис. 4.26). Передача вращения от вала ветроколеса к генератору осуществляется через двухступенчатый редуктор с передаточным отношением 1:25. Ветроколесо делает 24 об/мин, генератор – 600 об/мин. В кабине ветродвигателя находятся генератор, гидравлическая муфта, аппаратура защиты, электродвигатели пуска и остановки. Часть электрооборудования расположена внизу под башней на подстанции.

Мощность ВЭС равна 1000 кВт при скорости ветра 14 м/с. Ветродвигатель электростанции трёхлопастный, быстроходного типа, со стабилизаторным регулированием, но в отличие от предыдущей ВЭС поворачиваются только части лопастей.

Рис. 4.26. Общий вид ВЭС ЦВЭИ на 1000 кВт (проект)

Рис. 4.27. Общий вид ВЭС по проекту УИПЭ на 4500 кВт

Установка ветроколеса на ветер осуществляется электродвигателем, смонтированным на ферме штыря в нижней части кабины, который через две червячные передачи поворачивает головку. На кабине в вертикальной плоскости, проходящей через ось вала, установлены ветрячки, вращающиеся при изменениях направления ветра. При этом они через электрическую передачу включают электродвигатель, который поворачивает головку до тех пор, пока ветроколесо не станет против ветра; ветрячки в этот момент останавливаются.

Высота башни 50 м; размеры основания 25 × 25 м. Для подъёма на верхний балкон башни имеются лифт и запасная лестница. У основания башни расположено здание, где помещается основное распределительное устройство электрической части.

Ещё более мощная ВЭС на 4500 кВт спроектирована Украинским институтом промышленной энергетики (рис. 4.27). На металлической трехногой башне высотой 150 м установлен на катках поворотный сварной мост, несущий на себе здание ВЭС со всеми передаточными механизмами. Поворот моста вокруг оси башни для установки ветроколеса против ветра производится автоматически. Ветроколесо диаметром 80 м состоит из четырёх крыльев цельнометаллической конструкции. Главный вал при помощи эластичной муфты связан с зубчатой передачей, повышающей число оборотов в минуту с 18 до 612. Зубчатая передача приводит во вращение два генератора трёхфазного тока мощностью 2250 кВт каждый. От генераторов ток через контактные кольца отводится кабелем, идущим вдоль башни, к расположенному внизу зданию повысительной подстанции. Регулирование осуществляется посредством поворота части крыла («открылка») при помощи масляного сервомотора.

На рис. 4.28 представлен общий вид ветроэлектростанций, спроектированных Ю.В. Кондратюком (А.И. Шаргеем). Две ВЭУ расположены на одной башне. Каждая установка имеет ветроколесо диаметром 80 м с тремя (рис. 4.28, а) и четырьмя (рис. 4.28, б) лопастями. При каждом ветроколесе есть гидравлический мультипликатор, повышающий частоту вращения с 20 до 600 об/мин, генератор трёхфазного тока и комплекс механизмов управления и регулирования. Нижняя установка находится на высоте 65 м от земли, а верхняя – на вершине башни, на высоте 158 м.

Общее для обеих установок распределительное устройство и щиты находятся в добавочном этаже машинного зала нижней установки. Отсюда ток в 6000 В по кабелям идет к основанию башни на специальные кольцевые токосъёмы, так как башня поворачивается на своём основании в зависимости от направления ветра. С токосъёмов ток поступает на повысительную подстанцию, расположенную вблизи башни на земле. Башня представляет собой железобетонную трубу с наружным диаметром 6,5 м, заключающую внутри себя лестницу и два лифта. В вертикальном положении башня удерживается тремя растяжками, из восьми стальных канатов каждая. Для разгрузки низа башни от больших изгибающих моментов, а также с целью установки ветроколёс всегда против ветра основание башни поставлено на шарнир – гидравлический подпятник.

Шарнир представляет собой стальной цилиндр, установленный на фундаменте и наполненный специальной густой мазью из вискозина с канифолью. Сверху цилиндр запирается поршнем, на котором и стоит вся башня. Специальная конструкция поршня позволяет ему покачиваться в цилиндре, не нарушая герметичности. Мазь находится под давлением около 350 атмосфер.

В целях устранения провисания растяжек и уменьшения при этом отклонения башни от вертикального положения в каждой растяжке, помимо основных канатов, имеются идущие выше поддерживающие канаты, несущие на себе вес основных канатов и позволяющие им всегда сохранять прямолинейную форму. Порывистый ветер будет покачивать башню, что представляет опасность вследствие возможности возникновения нескольких последовательных толчков ветра, синхронных собственным колебаниям башни. Ввиду этого растяжки в месте их анкеража снабжены гидравлическими демпферами, которые успокаивают колебания башни тотчас же по их возникновению. Так как ствол башни должен поворачиваться, растяжки и поддерживающие их канаты прикреплены к ней не непосредственно, а через кольцо тележек, внутри которого башня прокатывается, опираясь на него рельсами. Ветроколёса имеют лопасти, разделенные каждая на две части – внешнюю и внутреннюю. Лопасти поворачиваются на махе сервомоторами, которые управляются органами регулирования. Во избежание перегрузок крыльев и башни при порывистом ветре внешние части лопастей снабжены пневматическими буферами, которые позволяют им выворачиваться при резких ударах ветра и затем автоматически возвращают их в нормальное положение.

а

б

Рис. 4.28. Общий вид ВЭС по проектам Ю.В. Кондратюка (А.И. Шаргея): а – на 10 000 кВт; б – на 12 000 кВт

В процессе работы ветроколесо вращает коренной вал, на котором оно жестко посажено. Вал входит своим концом внутрь ствола башни. При помощи шарнирной муфты к однокоренному валу присоединён двухкоренной вал, находящийся внутри башенного ствола и заканчивающийся фрикционной многодисковой муфтой с гидравлическим прижимом дисков. Фрикционная муфта имеет предохранительное значение, автоматически отключая от ветроколеса последующие звенья в аварийных случаях, что совершенно необходимо, если учесть огромную инерцию 80-метрового ветроколеса, обладающего на конце лопасти окружной скоростью 85 м/с. За фрикционной муфтой следует расположенный уже по другую сторону ствола башни ротативный масляный насос оригинальной конструкции, которым и заканчивается цепь элементов, жестко присоединённых к ветроколесу. Насос подаёт масло под давлением до 37 атмосфер в находящуюся на верхнем этаже турбину Пельтона, соединённую непосредственно с генератором переменного тока. Для отвода выделяющегося в гидравлической передаче тепла часть циркулирующего в системе масла проходит через специальный радиатор, выпускаемый вниз на ветер из хвостовой части машинного здания. ВЭС начинает работать при скорости ветра 6 м/с. При скорости ветра 16,5 м/с она развивает мощность 7000 кВт, а при скорости 20,3 м/с – свою полную мощность в 10 тыс. кВт.

В 1936 г. на Ай-Петринской яйле в Крыму началось строительство ВЭС на 12 тысяч кВт, равной которой по мощности нет в мире и поныне. Её мощность почти в два раза превышала мощность первой советской опытной атомной электростанции. Этот проект и сегодня является предметом профессионального интереса специалистов всего мира. К сожалению, после смерти куратора ветроэнергетики Г.К. Орджоникидзе по указке сверху строительство ВЭС при готовом ее фундаменте было законсервировано.

И всё-таки проект Ю.В. Кондратюка реализован с сохранением всех основ конструкции его учениками. Принципы математического моделирования процессов колебания 165-метровой железобетонной башни, разработанные Ю.В. Кондратюком, и ряд иных инженерных решений его соратники Н. Никитин и Б. Злобин позже использовали в проекте и строительстве Останкинской телебашни.

Основы теории строительства ветряных электростанций заложили профессор В.П.Ветчинкин и А.Г. Уфимцев. Они разработали проект многоколёсной ветряной элетростанции (ВЭС). В нём задача обеспечения мощности ВЭС решается не повышением диаметра ветроколеса, а увеличением числа ветроколёс относительно малых диаметров, смонтированных на общей башне рамной конструкции.

Рама с ветроколесами монтируется на ферменной поворотной башне. К верхней опоре прикреплены растяжки, удерживающие башню в вертикальном положении. На раме монтируются 12 ветроколёс диаметром 20 м каждое. Суммарная мощность ВЭС около 500 л.с. при скорости ветра 8 м/с. Такую же мощность может давать ветродвигатель с одним ветроколесом диаметром 70 м, но построить такой ветродвигатель чрезвычайно трудно, тогда как ветроколёса диаметром в 20 м уже применяются на практике. Проект многоколёсной ВЭС пока ещё не реализован.

США. Как уже отмечалось, к концу XIX века в США было построено более 8 млн. малых ветроэнергоустановок, которые использовались для выработки электроэнергии, подъёма воды и выполнения других работ. Однако большинство этих установок были вытеснены начиная с 1930 г. энергосистемой, обеспечившей централизованным энергоснабжением большинство ферм США.

Рис. 4.29. Общий вид ВЭС «Смит3Путнэм» мощностью 1250 кВт

Наиболее весомый вклад в развитие ветроэнергетики США внесли созданием ВЭС «Смит-Путнэм» (Smith-Putnam).

После длительных исследований влияния размеров ВЭУ на её эффективность, проведенных в 1930 г., Путнэм пришёл к выводу, что для получения минимальной стоимости вырабатываемой электрической энергии требуются ВЭУ больших размеров. При участии известного аэродинамика Кармана он разработал ВЭУ большой мощности для работы на общую сеть. Фирма «S.Morgan Smith Company» (г. Йорк, Пенсильвания) спроектировала и испытала в работе установку в начале 1940 г. ВЭУ разместили около города Рутлэнд, в штате Вермонт, на вершине горы Грэндпас, на высоте около 610 м над уровнем моря (рис. 4.29).

Башня ветродвигателя ферменной конструкции имеет высоту 35 м и закреплена на стальной решётке, заложенной в бетонный фундамент на глубину около 7 м. Двухлопастное ветроколесо диаметром 53 м имеет лопасти длиной 20 м и шириной 3,7 м, одинаковой по всей длине. Развиваемая мощ

ность 1250 кВт при скорости ветра 14 м/с. Ветроколесо вращается со скоростью 28,7 об/мин. Регулирование скорости вращения ветроколеса достигается поворотом лопастей около оси махов. Махи крыльев у вала заделаны шарнирно так, что при порывах ветра под действием ударной нагрузки они отклоняются в направлении ветра на 20°, в то время как центробежные силы лопасти стремятся держать их в плоскости вращения ветроколеса.

Установка ветроколеса по ветру осуществляется гидравлическим механизмом. Последний приводит в движение передачу, смонтированную на ферме головки и находящуюся в зацеплении с большим зубчатым колесом, которое закреплено на верхнем венце башни. Включение и выключение механизма установки на ветер осуществляются флюгером.

Остановка ветродвигателя производится тормозным устройством с фрикционной передачей, приводимой в движение электродвигателем.

С октября 1941 г. до марта 1945 г. эта ВЭС выработала 360 тыс. кВт·ч. Она находилась в действии за этот период всего 1030 часов, из них 838 часов установка работала со средней мощностью 431 кВт параллельно с электрической системой. В марте 1945 г. ВЭУ потерпела аварию: на ходу отломалась лопасть ветроколеса весом 7 т. Авария произошла вследствие неудовлетворительной конструкции системы регулирования.

Поскольку авария произошла во время второй мировой войны, получить необходимые материалы и рабочую силу для ремонтных работ было невозможно. Экономические расчёты показали, что ВЭУ в случае её восстановления в то время не могла конкурировать с электрическими установками обычного типа. Поэтому от дальнейших работ с ВЭУ отказались. Тем не менее ветротурбина на горе Грэндпас явилась важным этапом в развитии мировой ветроэнергетики.

В остальных странах мира вплоть до возникновения энергетического кризиса в 70-х годах XX столетия эксплуатировались ветроэнергетические установки небольшой мощности, никак не превосходящие вышеописанные работавшие или запроектированные ВЭС.