Инновационные решения в ветроэнергетике, адаптированные к условиям работы при низкой ветровой активности

Общий обзор

Кольцевой воздушный ветрогенератор КВВ-1 представляет собой ветроэнергетическую установку аэростатного исполнения для выработки электроэнергии в условиях многократно усиленных ветров на высотах от 150м. В отличие от ветроустановок башенного исполнения, высотой от 10 до 30м, где выработка электроэнергии осложняется сложным рельефом местности, на высоте 400 м скорость ветра усиливается в 7 раз благодаря минимальному влиянию рельефа на скорость ветра и эффекта конвекции воздушного потока, что позволяет усилить выработку энергии, в следствии кубической зависимости параметров, в 343 раза. Сочетание данного типа ветроэнергетической установкой с передовыми запатентованными собственными разработками в области электромеханики и способов управления позволят вывести ветроэнергетику на принципиально новый уровень по эффективности.

Проблемы

Современные ветроэнергетические установки работают неэффективно при низкой ветровой активности. Это осложняет запуск ветроустановки при скорости ветра от 2,5 м/с. Поэтому необходим поиск возможностей  усиления ветра, которые можно достичь повышением высоты сооружения башни. Возведение высотных башен требуют прочного фундамента. В условиях вечной мерзлоты важно предусматривать качество грунта. Опыт установки ветропарка на Дальнем Востоке показал о значительных затратах на сооружение башен [http://www.reenfor.org/upload/files/4b35a77f64ced4e3741ad1121833f660.pdf]

Существенной проблемой в ветроэнергетике представлено режимными и переходными процессами в ветроустановках при аварийных перегрузках и коротких замыканиях и их влияние на систему электроснабжения. Это связанно с тем, что токи короткого замыкания, которые могут возникнуть на шинах ветрогенератора, вызывают падение напряжения и последующую потерю динамической  устойчивости, связанное с отсутствием автоматического регулирования возбуждения на генераторах.

Решение

Кольцевой Воздушный Ветрогенератор КВВ-1 аэростатного исполнения позволяет отказаться от сооружения башни [http://www.youtube.com/watch?v=lrzZvse5_vs&feature...

Использование передвижного мобильного шасси для транспортировки комплекса позволяет доставить объект и обеспечить электроснабжение любого потребителя. А также, использование собственных инновационных технологий на базе эффекта магнитного «шунтирования» электрического асинхронного генератора МИГ, направленного на снижение магнитных потерь в якоре, на который имеется международный патент [PCT/RU2011/0000409 WO 2012169924A1]. Основной идеей является использование высокой индукции, возникающая в якоре электрической машины при насыщении металла электротехнической стали и была разработана конструкция малоинерционного генератора на базе асинхронной машины, которая представляет электрическую машину с ротором полого исполнения. Наличие малой массы металла электротехнической стали ротора увеличивает индукцию магнитного поля и способствует увеличению ЭДС без увеличения тока, что в совокупности, снижает омические потери до 20 % на низких оборотах машины. Также использование дополнительного компонента в полой части ротора - внутреннего статора, который снижает величину индукции магнитного поля ротора, предотвращая его перегрев, при достижении его синхронной скорости вращения в условии насыщения электротехнической стали. Это решение позволило снизить потери на низких оборотах в 2 раза. Результаты испытаний прототипа подтверждают заявленную первоначальную гипотезу [http://www.youtube.com/watch?feature=youtu.be&v=El...

Также, применение инновационной технологии электромагнитной трансмиссии позволит в составе электромеханического каскада с синхронным генератором на постоянных магнитах или асинхронного генератора МИГ, обеспечить прямое управление частотой вращения вала генератора благодаря переменному передаточному коэффициенту электромагнитной трансмиссии. Благодаря возможности изменения момента на электромагнитной трансмиссии, позволяющая использовать синхронный генератор на постоянных магнитах в целях повышения устойчивости при переходных процессах. Общая идея в следующем, управляемое вращение вала электромагнитной трансмиссии меняет момент, тем самым, позволяя влиять на величину угла напряжения сети и синхронного генератора на постоянных магнитах и добиваясь регулирования напряжения при переходных процессах и увеличению динамической устойчивости в случае коротких замыканиях. Подана заявка на патент. Благодаря такой архитектуре возможно отсутствие дорогостоящего инвертора в силовой цепи и дорогостоящих компонентов STATCOM и VaR Control в системе электроснабжения.

Рыночный потенциал

Суммарная мощность всех ветроэнергетических установок России составила в 2012 году около 18-20 МВт или 0,009% от электрогенерирующих мощностей РФ (220 ГВт). Кроме того функционирует около 1600 малых ветроэнергетических установок, мощностью от 0,1 до 30 кВт, к тому же в последние же годы, увеличение мощностей происходит в основном за счёт маломощных индивидуальных энергосистем, прирост которых составил 250 ветроэнергетических установок мощностью от 1 кВт до 5 кВт (или 16% в год). Объем рынка ветрогенераторов малой и средней мощности в РФ составляет 560 млрд. руб.

По состоянию мирового рынка ежегодно установленная мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) увеличивается в среднем на 25%. В конце 2013 года установленная мощность ВЭУ превысила рубеж 300 ГВт и достигла 318 ГВт.

Сравнивая общемировые показатели с российскими, мы приходим к выводу, что потенциал роста рынка ВЭУ в России составляет колоссальные 15 ГВт для достижение средне-европейского уровня генерации в таких источниках энергии, что в пересчете в денежные единицы составит упомянутые ранее 560 млрд. руб.

Актуальность развития нашего проекта в нашей стране определяется тем, что 70% территории России, где проживает 10% населения, находится в зоне децентрализованного энергоснабжения. Проблемы децентрализованного электроснабжения затрагивают до 60 млн.человек по разным оценкам. Электроснабжение таких регионов за счёт привозного топлива становится все более затратным. При этом 60 % территории находятся в условиях низкой и средней ветровой активности, где существующие ветроустановки не позволяют эффективно вырабатывать энергию по причине потерь энергии в механическом редукторе, потерь холостого хода в генераторе и преобразовательной техники, а также, аэродинамические потери, вызванные турбиной ветрогенератора. Применение решений в области комбинирования электромеханического комплекса на базе малоинерционного генератора МИГ или синхронного генератора на постоянных магнитах, электромагнитной трансмиссии, а также турбины на основе аэростатного ветрогенератора позволит расширить рынок ветроэнергетики на 350% в регионах с низкой ветровой активностью.

Конкурентные преимущества

Преимуществами ветрогенератора аэростатного исполнения КВВ-1 является:

а) высокий показатель манёвренности и сокращение времени развёртывания в рабочее состояние благодаря мобильному шасси (от 30 мин до 6 часов в зависимости от мощности и условий), а по сложности сопоставим с запуском воздушного змея;

б) минимальные затраты на обслуживание;

в) увеличение периода межремонтных работ;

г) высокая степень адаптации к любым климатическим условиям благодаря возможности кастомизации;

д) не требуется сооружения фундамента;

е) выигрыш в более высоком коэффициенте использования установленной мощности (85% вместо 30%) из-за отсутствия факторов, тормозящих ветровой поток (холмы, кромки деревьев и крыш домов).

Рейтинг проекта +6

Команда

+ Вступить в команду
Показать еще

Обсуждения

Комментарии

Сергей Алексеев

Генератор и магнитый редуктор - то здорово!!!
Стоит подумать о стабильном удержании всей системы на высоте.
Может стоит так же ось вращения расположить вертикально и исключить вопросы ориентации по ветру.

Ответить +1 13 августа 2014 в 12:54
Андрей Ачитаев

Спасибо за комментарий Сергей.

Стабилизация высоты и направления конструкции осуществляется механическими стабилизаторами либо комплексами аэродинамического управления (подобие элеронов), способные удерживать и направлять систему по результирующему направлению ветра как это делается в современных ветроэнергетических установках средней мощности башенного исполнения.

Принятие решения о горизонтальном расположении турбины для данного варианта основывается на технико-экономическом обосновании. Также осевой момент инерции исключает фактор кратковременных изменений направления ветроустановки.

Не исключена возможность применения вертикально-осевой турбины исходя из минимальной стоимости комплекса и технической эффективности, его целесообразности.

Ответить +1 13 августа 2014 в 14:01
Ответить 0 13 августа 2014 в 14:06
Ответить 0 13 августа 2014 в 14:40
Андрей Ачитаев

Основной целью электромагнитной трансмиссии - трансформация скорости турбины к синхронной скорости генератора (1500 об/мин).
1. Управляемое передаточное отношение (теоретическое) до 1:40;
2. Масса -- в настоящий момент проводится этап исследования (теоретически 20 кг);
3. Скорость быстроходного вала -- 1500 об/мин;
4. Типы постоянных магнитов -- высококоэрцитивные постоянные магниты на основе NeFeB;
5. Себестоимость -- в зависимости от массы, предела передаточного отношения (до 15 тыс $);
6. Проходная механическая мощность -- 30 кВт;
7. КПД (теоретическое) -- 98% (благодаря отсутствию механической связи, следовательно, трения).
8. Способ управления коэффициентом передаточного отношения -- прямое управление моментом (DTC) благодаря вспомогательной обмотки управления через дополнительный (не силовой) инвертор.

В настоящий момент проводится второй этап НИР по разработке опытного образца и создания электромеханического комплекса, позволяющего обеспечить постоянство частоты вращения асинхронного малоинерционного генератора МИГ или синхронного генератора на постоянных магнитах в целях регулирования напряжения на генераторе без СТАТСОМ.

Ответить 0 13 августа 2014 в 16:42
Сергей Алексеев

Спасибо большое, В каких пределах может меняться входная частота вращения при стабильном выходе???

Ответить 0 14 августа 2014 в 10:26
Андрей Ачитаев

При предельном передаточном отношении 1:40 возможна скорость турбины 35 об/мин.

Ответить 0 14 августа 2014 в 10:29
Сергей Алексеев

благодарю, так у вас защита от увеличения ветра организована...?

Ответить 0 14 августа 2014 в 11:50
Андрей Ачитаев

Защита от чрезмерного порыва ветра (более 20 м/с) традиционная:
1. Поворот аэростата путем аэродинамических стабилизаторов.
2. Изменения угла атаки.

Существуют иные способы управления и защиты (форсуночные приводы, плазменные приводы и flaps-устройства). Но они дорогие.

Ответить 0 14 августа 2014 в 15:35
Сергей Алексеев

А не думали над увеличением выработки при порывах, а не сбросе мощности???

Ответить 0 15 августа 2014 в 12:13
Сергей Суяков

Одна из главных задач всей ветроэнергетической установки, является стабилизация электрических параметров и бесперебойное питание в цепи нагрузки в соответствие с нормируемыми показателями качества электроэнергии, например из ГОСТ.

Вопрос к тому, что есть порыв ветра, какие тех. параметры он имеет? Как такового сброса мощности нету, есть гистерезисная система ограничения генерируемой мощности по максимальной величине скорости ветра.

Ответить 0 15 августа 2014 в 15:12
Сергей Алексеев

ограничение генерируемой мощности и называю сбросом мощности. Порыв ветра обладает большей энергией, а её выработку ограничиваете...

Ответить 0 18 августа 2014 в 10:08
Антон Пчелинцев

Нужно сопоставлять два ключевых параметра, а именно качество вырабатываемого тока и его мощность; В нашем случае качество тока является приоритетным, ввиду ориентированность на прикладное применение. Касательно излишков мощности вызываемых порывами ветра - они тоже учавствую в генерации ЭЭ. Режим ограничения включается тогда, когда скорость ветра создает черезмерные механические нагрузки на узлы и агрегаты - тут уж ничего не поделать и такими "излишками" приходится жертвовать в счет надежности конструкции.

Ответить 0 23 августа 2014 в 14:05
Denis Lunkov

Андрей а как вы расматриваете вариант тойже турбины в исполнении вертикального ветрогенератора с автоматом перекоса лопастей .

Ответить 0 10 октября 2014 в 22:25
Леонид Тютрин

Удобно смотреть на новинки "со стороны"! разу бросается в глаза "20 век фокс":
В конструкции форма реактивной турбины в сочетании с пропеллером на воздушном шаре (аэростате) и с колесиками!!!
В конструкцию не вошло еще одно гениальное изобретение Человечества, как и странно, изначально придуманное для использования силы ветра.
Парус!
Атмосфера Земли, как среда ветровой нагрузки, обладает полезным свойством - Упругость. В отличие от Жесткости, Упругость может динамически менять направление приложения силы своего воздействия, включая вихревые эффекты. Наблюдательные предки в процессе эволюции "ветрогенераторов" перешли от одного паруса к многомачтовым конструкциям сегментного характера и до появления паровых машин искусно управляли ветром.
Следует отметить, что пропеллер/винт изобрели для обратной задачи - создавать ветер, что вполне оправдано с точки зрения Жесткости толкающей Упругость вдоль оси вращения.
Стоит ли применять в данном случае функцию двигателя в теме генератора?
Смысл конструкции реактивной турбины в увеличении давления на выходе из сопла турбины, тогда какой смысл в генераторе ставить пропеллер на входе в турбину и не использовать естественное усиление потока на выходе?
Что мешает заменить пропеллер щелевым парусом закрывающим площадь сечения турбины на 100%?
А каскадная установка двух -трех парусов последовательно и ...

Ответить 0 25 июня 2017 в 03:45
Ответить 0 29 мая 2019 в 16:57

Добавление комментария