Раздел 2. Гидроэнергетические ресурсы, их использование. Принципиальные схемы, параметры, режимы работы ГЭС и ГАЭС

На початку XX століття, коли вже існували наукові засади розвитку вітротехніки, у світі розгортається будівництво ВЕС.

ВЕС можуть бути як з однієї, так і з декількох ВЕУ, функціонально зв'язаних між собою і складаючих єдиний комплекс для виробництва електроенергії шляхом перетворення кінетичної енергії вітру в електричну.

ВЕС працюють, як правило, на загальну мережу, але можуть бути також автономними, коли живлять електроенергією відособленого споживача і не є частиною загальної енергосистеми.

Піонером в будівництві ВЕС була Данія, уряд якої ще в 1890 р. приступив до проведення широкої програми розвитку ВЕУ великої потужності. У 1910 р. було побудовано кілька сотень таких ВЕУ. Вони мали чотирьохлопатеві вітроколеса діаметром 23 м, установлені на вежі висотою 24 м і з'єднані механічною передачею з електричним генератором, розташованим в основі вежі. Розрахункова потужність генератору змінювалася від 5 до 25 кВт. Вартість електроенергії, виробленої цими ВЕУ, приблизно дорівнювала вартості палива, яке споживає дизельна електрична установка.

Після другої світової війни датчани розробили і випробували три експериментальні ВЕУ з установленою потужністю 12, 45 і 200 кВт, призначені для роботи в енергосистемі. Вони успішно експлуатувалися до 1960 р. Коли з'ясувалося, що вартість виробленої ними електроенергії перевищує еквівалентну вартість енергії теплового двигуна, реалізацію проекту призупинили.

Мал. 4.25. Загальний вигляд Балаклавської ВЕС на 100 кВт

Радянський Союз. Вітровикористання у СРСР розглядалося як важлива державна проблема. Вже в 1924 р. під керівництвом М.В. Красовського у відділі вітродвигунів ЦАГІ був розроблений швидкохідний двигун потужністю до 50 к.с. з новою системою регулювання частоти обертання колеса, запропонованою Г.Х. Сабініним. Вона одержала назву стабілізаторної. З метою розширення робіт зі створення вітродвигунів і використання енергії вітру в 1930 р. на базі відділу вітродвигунів ЦАГІ був організований Центральний вітроенергетичний інститут (ЦВЕІ), єдина у світі в той час науководослідна організація такого профілю.

При конструюванні ВЕУ найбільш складним і відповідальним моментом є забезпечення керування оборотами вітроколеса, тому що умови паралельної роботи на мережу вимагають сталості частоти обертання генератора незалежно від швидкості вітру. Для цього використовується поворот лопаті навколо нерухомої осі. Зі зміною положення лопаті у відношенні до напрямку вітру змінюються й аеродинамічні сили, які діють на неї, що і покладено в основу регулювання. Поворот лопатей здійснюється або аеродинамічно за допомогою керма-стабілізатора, з'єднаного з відцентровим регулятором, розміщеним у крилі, що запропоновано, як сказано вище, професором Г.Х. Сабініним, або механічним шляхом – сервомоторами.

У 1931 р. була побудована Балаклавська ВЕС (мал. 4.25), яка працювала на електричну мережу напругою 6,3 кВ разом з тепловою електростанцією потужністю 20 МВт, що знаходиться від неї на відстані 32 км (у Севастополі). За своїми розмірами (діаметр вітроколеса 30 м, потужність 100 кВт при швидкості вітру 10 м/с, висота вежі 25 м, частота обертання вітроколеса 30 об/хв) ця станція не мала собі рівних ні в СРСР, ні за кордоном (у 1942 р. під час війни станцію зруйнували). Кабіна голівки (довжина 13,7, ширина 2,5, висота 3,8 м), де розміщувалися генератор, електроапаратура, редуктор з еластичними муфтами, була виконана подібною фюзеляжу літака. Вітроколесо мало три лопаті, що вільно поверталися на своїх махах під дією стабілізаторів системи регулювання Г.Х. Сабініна і М.В. Красовського. Лопаті мали обтічний профіль, аналогічний профілю крила літака, і довжину 11 м при ширині 2 м у основи і 1 м на кінці. Махи були зроблені зі сталевих труб діаметром 350 мм.

Площина обертання вітроколеса мала нахил 12° до вертикалі, що було викликано необхідністю зменшити виліт вітроколеса щодо вежі. Голівка установки спиралася через кульову п'яту на сферу, закріплену нагорі вежі. На цій опорі верхня частина ВЕУ поверталася навколо вертикальної осі при установленні вітроколеса на вітер. Ферма голівки з'єднувалася шарнірно з похилою хвостовою фермою, на нижньому кінці якої також шарнірно був приєднаний візок з мотором і лебідкою. Хвостова ферма служила для установки вітроколеса на вітер при змінах його напрямку. Візок спирався на рейку, покладену навколо вежі по колу радіусом 20,5 м. Візок рухався по рейці електродвигуном потужністю 1,5 кВт через черв'ячну передачу. Включення його в роботу відбувалося автоматично при зміні напрямку вітру. Для цього нагорі кабіни був установлений флюгер розміром 400?700 мм. При зміні напрямку вітру флюгер включав одну з котушок електромагнітного перемикача, що знаходився в ланцюзі електродвигуна хвостового візка. Двигун переміщав візок по рейці доти, поки вітроколесо не ставало знову проти вітру і флюгер не розмикав контакту. Підйом на вежу здійснювався по хвостовій фермі, на якій для цього були покладені сходи.

Мал. 4.26. Загальний вигляд ВЕС ЦВЕІ на 1000 кВт (проект)Генератор був встановлений асинхронний, трифазного струму потужністю 92 кВт при частоті обертання 600 об/хв, що допускав тривале перевантаження на 10%, який включався автоматично відцентровим механізмом.

Експлуатаційні випробування ВЕС провадилися на двох режимах: при 19 і 30 обертах вітроколеса за хвилину. При цьому виявилося, що режим роботи ВЕС на 30 об/хв значно вигідніший. Річне виробництво енергії складало близько 280 тис. кВт·год при коефіцієнті використання енергії вітру 0,32.

Наприкінці 1935 р. ЦВЕІ в Москві закінчив проект ВЕС з діаметром вітроколеса 50 м і синхронним генератором для паралельної роботи на загальну мережу (мал. 4.26). Передача обертання від валу вітроколеса до генератора здійснюється через двоступінчастий редуктор з передатним відношенням 1:25. Вітроколесо робить 24 об/хв, генератор – 600 об/хв. У кабіні вітродвигуна знаходяться генератор, гідравлічна муфта, апаратура захисту, електродвигуни пуску і зупинки. Частина електроустаткування розташована внизу під вежею на підстанції.

Потужність ВЕС дорівнює 1000 кВт при швидкості вітру 14 м/с. Вітродвигун електростанції трилопатевий, швидкохідного типу, зі стабілізаторним регулюванням, але на відміну від попередньої ВЕС повертаються тільки частини лопатей.

Установка вітроколеса на вітер здійснюється електродвигуном, змонтованим на фермі штиря в нижній частині  кабіни. Двигун через дві черв'ячні передачі повертає голівку. На кабіні у вертикальній площині, що проходить через вісь валу, установлені вітрячки, які обертаються при змінах напрямку вітру. При цьому вони через електричну передачу включають електродвигун, що повертає голівку доти, поки вітроколесо не стане проти вітру; вітрячки в цей момент зупиняються.

Висота вежі 50 м, розміри основи 25– 25 м. Для підйому на верхній балкон вежі є ліфт і запасні сходи. В основі вежі розташовано будинок, де міститься основний розподільний пристрій електричної частини.

Ще більш могутня ВЕС на 4500 кВт спроектована Українським інститутом промислової енергетики (мал. 4.27). На металевій триногій вежі висотою 150 м встановлено на катках поворотний зварний міст, що несе на собі будинок ВЕС з усіма передатними механізмами. Поворот мосту навколо осі вежі для установки вітроколеса проти вітру робиться автоматично. Вітроколесо діаметром 80 м складається з чотирьох крил суцільнометалевої конструкції. Головний вал за допомогою еластичної муфти зв'язаний із зубчастою передачею, що підвищує число обертів за хвилину з 18 до 612. Зубчаста передача приводить в обертання два генератори трифазного струму потужністю 2250 кВт кожний. Від генераторів струм через контактні кільця відводиться кабелем, що йде уздовж вежі, до розташованого внизу будинку підвищуючої підстанції. Регулювання здійснюється поворотом частини крила («відкрилка») за допомогою масляного сервомотору.

Мал. 4.27. Загальний вигляд ВЕС за проектом УІПЕ на 4500 кВт

На мал. 4.28 представлено загальний вигляд вітроелектростанцій, спроектованих Ю.В. Кондратюком (О.І. Шаргеєм). Дві ВЕУ розташовані на одній вежі. Кожна установка має вітроколесо діаметром 80 м з трьома (мал. 4.28, а) і чотирма (мал. 4.28, б) лопатями. При кожному вітроколесі є гідравлічний мультиплікатор, що підвищує частоту обертання з 20 до 600 об/хв, генератор трифазного струму і комплекс механізмів керування і регулювання. Нижня установка знаходиться на висоті 65 м від землі, а верхня – на вершині вежі, на висоті 158 м.

Спільні для обох установок розподільний пристрій і щити знаходяться в додатковому поверсі машинного залу нижньої установки. Звідти струм напругою 6000 В по кабелях іде до основи вежі на спеціальні кільцеві струмозйомники, тому що вежа повертається на своїй основі в залежності від напрямку вітру. Зі струмозйомників струм надходить до підвищуальної підстанції, розташованої поблизу вежі на землі. Вежа являє собою залізобетонну трубу із зовнішнім діаметром 6,5 м, що містить всередині сходи і два ліфти. У вертикальному положенні вежа утримується трьома розтяжками, з восьми сталевих канатів кожна. Для розвантаження низу вежі від великих згинальних моментів, а також з метою установки вітроколіс завжди проти вітру основа вежі поставлена на шарнір – гідравлічний підп'ятник.

Шарнір являє собою сталевий циліндр, установлений на фундаменті й наповнений спеціальною густою маззю з віскозину і каніфолі. Зверху циліндр замикається поршнем, на якому і стоїть уся вежа. Спеціальна конструкція поршня дозволяє йому погойдуватися в циліндрі, не порушуючи герметичності. Мазь знаходиться під тиском близько 350 атмосфер.

З метою усунення провисання розтяжок і зменшення при цьому відхилення вежі від вертикального положення в кожній розтяжці, крім основних канатів, є підтримуючі канати, які йдуть вище і несуть на собі вагу основних канатів, дозволяючи їм завжди зберігати прямолінійну форму. Рвучкий вітер буде погойдувати вежу, що становить небезпеку внаслідок можливості виникнення декількох послідовних поштовхів вітру, синхронних власним коливанням вежі. Через те розтяжки в місці їх анкеражу забезпечені гідравлічними демпферами, які заспокоюють коливання вежі негайно ж при їх виникненні. Ствол вежі повинен повертатися, тому розтяжки і канати, що її підтримують, прикріплені до неї не безпосередньо, а через кільце візків, всередині якого вежа прокочується, спираючись на нього рейками. Вітроколеса мають лопаті, розділені кожна на дві частини – зовнішню і внутрішню. Лопаті повертаються на маху сервомоторами, що керуються органами регулювання. Щоб уникнути перевантажень крил і вежі при рвучкому вітрі, зовнішні частини лопатей оснащені пневматичними буферами, що дозволяє їм вивертатись при різких ударах вітру і потім автоматично повертатися у нормальний стан.

а б

Мал. 4.28. Загальний вигляд ВЕС за проектами Ю.В.Кондратюка (О.І. Шаргея): а – на 10000 кВт; б – на 12000 кВт

У процесі роботи вітроколесо обертає корінний вал, на якому воно жорстко посаджене. Вал входить своїм кінцем всередину ствола вежі. За допомогою шарнірної муфти до однокорінного валу приєднаний двокорінний вал, що знаходиться всередині баштового ствола і закінчується фрикційною багатодисковою муфтою з гідравлічним притискачем дисків. Фрикційна муфта має запобіжне призначення, автоматично відключаючи від вітроколеса наступні ланки в аварійних випадках, що конче необхідно, якщо врахувати величезну інерцію 80-метрового вітроколеса, яке має на кінці лопаті окружну швидкість 85 м/с. За фрикційною муфтою іде розташований вже по іншу сторону ствола вежі ротативний масляний насос оригінальної конструкції, яким і закінчується ланцюг елементів, жорстко приєднаних до вітроколеса. Насос подає масло під тиском до 37 атмосфер у з'єднану безпосередньо з генератором зміннного струму турбіну Пельтона, яка знаходиться на верхньому поверсі. Для відводу тепла, що виділяється в гідравлічній передачі, частина циркулюючого в системі масла проходить через спеціальний радіатор, розташований внизу на вітру в хвостовій частини машинного будинку. ВЕС починає працювати при швидкості вітру 6 м/с. При швидкості вітру 16,5 м/с вона розвиває потужність 7000 кВт, а при швидкості 20,3 м/с – свою повну потужність у 10 тис. кВт.

У 1936 р. на Ай-Петринській яйлі в Криму почалося будівництво ВЕС на 12 тисяч кВт, рівної якій за потужністю немає у світі й понині. Її потужність майже в два рази перевищувала потужність першої радянської дослідної атомної електростанції. Цей проект і сьогодні є предметом професійного інтересу фахівців усього світу. На жаль, після смерті куратора вітроенергетики Г.К. Орджонікідзе по вказівці зверху будівництво ВЕС при готовому її фундаменті було законсервоване.

І все-таки проект Ю.В. Кондратюка реалізований його учнями зі збереженням всіх основ конструкції. Принципи математичного моделювання процесів коливання 165метрової залізобетонної вежі, розроблені Ю.В. Кондратюком, і ряд інших інженерних рішень його соратники М. Нікітін і Б. Злобін пізніше використали в проекті та будівництві Останкінської телевежі.

Основи теорії будівництва вітряних електростанцій заклали професор В.П. Ветчинкін і винахідник О.Г. Уфімцев. Вони розробили проект багатоколісної вітряної електростанції. У ньому задача забезпечення потужності ВЕС вирішується не підвищенням діаметру вітроколеса, а збільшенням числа вітроколіс відносно малих діаметрів, змонтованих на загальній вежі рамної конструкції.

Рама з вітроколесами монтується на ферменній поворотній вежі. До верхньої опори прикріплені розтяжки, що утримують вежу у вертикальному положенні. На рамі монтуються 12 вітроколіс діаметром 20 м кожне. Сумарна потужність ВЕС близько 500 к.с. при швидкості вітру 8 м/с. Таку ж потужність може давати вітродвигун з одним вітроколесом діаметром 70 м, але побудувати його надзвичайно важко, тоді як вітроколеса діаметром у 20 м уже застосовуються на практиці. Проект багатоколісної ВЕС поки ще не реалізований.

США. Як уже відзначалося, до кінця XIX століття в США було побудовано більше 8 млн. малих вітроенергоустановок, які використовувалися для вироблення електроенергії, підйому води і виконання інших робіт. Однак більшість цих установок були витиснуті починаючи з 1930 р. енергосистемою, що забезпечила централізованим енергопостачанням більшість ферм США.

Найбільш вагомий внесок у розвиток вітроенергетики США зробили створенням ВЕС «Сміт–Путнем» (Smith–Putnam).

Після тривалих досліджень впливу розмірів ВЕУ на її ефективність, проведених у 1930 р., Путнем прийшов до висновку, що для одержання мінімальної вартості вироблюваної електричної енергії потрібні ВЕУ великих розмірів. За участі відомого аеродинаміка Кармана він розробив ВЕУ великої потужності для роботи на загальну мережу.

Мал. 4.29. Загальний вигляд ВЕС «Сміт–Путнем» потужністю 1250 кВт

Фірма «S.Morgan Smith Company» (м. Йорк, Пенсільванія) спроектувала і випробувала в роботі установку на початку 1940 р. ВЕУ розмістили біля міста Рутленд, в штаті Вермонт, на вершині гори Грендпас, на висоті близько 610 м над рівнем моря (мал. 4.29).

Вежа вітродвигуна ферменної конструкції має висоту 35 м і закріплена на сталевій решітці, закладеній в бетонний фундамент на глибину близько 7 м. Дволопатеве вітроколесо діаметром 53 м має лопаті довжиною 20 м і шириною 3,7 м, однакові по всій довжині. Потужність, що розвивається, дорівнює 1250 кВт при швидкості вітру 14 м/с. Вітроколесо обертається зі швидкістю 28,7 об/хв. Регулювання швидкості обертання вітроколеса досягається поворотом лопатей навколо осі махів. Махи крил у вала закладені шарнірно так, що при поривах вітру під дією ударного навантаження вони відхиляються в напрямку вітру на 20°, тоді як відцентрові сили лопатей прагнуть тримати їх у площині обертання вітроколеса.

Установка вітроколеса по вітру здійснюється гідравлічним механізмом. Останній приводить у рух передачу, яка змонтована на фермі голівки і знаходиться в зачепленні з великим зубчастим колесом, закріпленим на верхньому вінці вежі. Включення і вимикання механізму установки на вітер здійснюються флюгером.

Зупинка вітродвигуна робиться гальмовим пристроєм з фрикційною передачею, що приводиться в рух електродвигуном.

З жовтня 1941 р. до березня 1945 р. ця ВЕС виробила 360 тис. кВт·год. Вона знаходилася в дії за цей період загалом 1030 годин, з них 838 годин установка працювала із середньою потужністю 431 кВт паралельно з електричною системою. У березні 1945 р. ВЕУ зазнала аварії: на ходу відламалася лопать вітроколеса вагою 7 т. Аварія сталася через незадовільну конструкцію системи регулювання.

Оскільки аварія відбулася під час другої світової війни, одержати необхідні матеріали і робочу силу для ремонтних робіт було неможливо. Економічні розрахунки показали, що ВЕУ у випадку її відновлення в той час не могла конкурувати з електричними установками звичайного типу. Тому від подальших робіт з ВЕУ відмовилися. Проте вітротурбіна на горі Грендпас стала важливим етапом у розвитку світової вітроенергетики.

В інших країнах світу аж до виникнення енергетичної кризи в 70-х роках XX століття експлуатувалися вітроенергетичні установки невеликої потужності, що ніяк не перевершують вищеописані ВЕС, які працювали або були запроектовані.