Современные ветрогенераторы

Чистые, зелёные и возобновляемые

В постоянном поиске альтернативных источников энергии чистые, зелёные и возобновляемые технологии имеют приоритет. В этом плане для производства электроэнергии идеальна энергия ветра. Ветер – это воздух, который движется естественным образом. Евангелиста Торричелли, давший в середине 1600-х годов правильное научное объяснение этому явлению, писал: «... ветры вызываются различиями температуры воздуха и, следовательно, его плотности между двумя областями земли». Ключевыми факторами в порождении ветров являются неравномерность нагрева поверхности Земли Солнцем из-за различия в структуре поверхности, а также вращение Земли.

Технологии

Задача преобразования энергии ветра в электрическую решается с помощью ветровых турбин (рис. 1), преобразующих кинетическую энергию ветра в электроэнергию следующим образом:

1. ветер вращает лопасти пропеллера, соосные с ротором;
2. ротор, состоящий из лопастей и ступицы, приводит в движение низкооборотный вал, вращающийся со скоростью приблизительно 30–60 оборотов в минуту;
3. низкоскоростной вал приводит в движение 2- или 3-ступенчатую повышающую коробку передач, которая, в свою очередь, передаёт вращение на высокоскоростной вал, вращающийся со скоростью приблизительно 1000–1800 оборотов в минуту;
4. высокоскоростной вал вращает генератор;
5. генератор производит электричество.

Процесс преобразования является чистым, экологически безопасным и до тех пор, пока светит Солнце и дуют ветра, он будет работать.

Ветровые турбины

Ветровые турбины общего назначения могут быть крупными и средними, с мощностью примерно от 500 кВт до 6 мегаватт. Крупные турбины обычно компонуются в ветровые поля, генерирующие большие объёмы энергии в коммерческих целях. Наиболее коммерчески доступные ветрогенераторы сегодня проектируются и производятся в Дании.
Типовая конфигурация такой турбины имеет горизонтальную ось, трёхлопастный ротор и ориентируется по ветру активной автоматической системой. Количество энергии, генерируемой ветровой турбиной, напрямую зависит от скорости ветра. В общем случае ветровые турбины начинают вырабатывать энергию при скорости ветра приблизительно 4 м/с (9 миль в час) и достигают номинальной мощности при скорости около 13 м/с (29 миль в час). При скорости ветра около 25 м/с (56 миль в час) они прекращают работу. Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой над уровнем земли, ветровые турбины устанавливают на высоких башнях приблизительно в 30 футов (30 метров) или больше, что обеспечивает лучшую утилизацию энергии ветра.

Безопасность и контроль ветровой турбины

Управление и безопасная эксплуатация ветровых турбин являются ключевыми факторами использования энергии ветра. В отличие от многих других отраслей ветровые турбины работают без постоянного надзора. Их компоненты монтируются на вершине башни, и промежуток времени между регулярным плановым обслуживанием может составить до полугода и более. Тем временем вращающиеся компоненты производят вибрацию и тепло, которые могут вызвать неисправность и разрушение частей турбины. Ветровые турбины работают в широком диапазоне условий окружающей среды, включая такие экстремумы, как 100% влажность и температура от –40 до +85°C. Они также генерируют высокие напряжения и токи, поэтому электрические компоненты должны выдерживать перенапряжения и быть невосприимчивыми к электромагнитным помехам, излучаемым генераторами и сетевыми коммутаторами. Молниеотводы, как пример того, насколько важна эффективная защита, являются неотъемлемой частью ветровых турбин. В целом сложные условия, в которых находятся работающие ветряки, диктуют необходимость их надёжной защиты.
Чтобы ветровые турбины оставались работоспособными и безопасными, их компоненты должны постоянно контролироваться и оцениваться. Ключевым аспектом, важным для безопасности эксплуатации ветровой турбины, является управление ею. Без эффективного управления ветровые турбины ускоряются при усилении ветров, производя гораздо больше энергии, чем при номинальных условиях. Но превышение скорости также приведёт к критической нагрузке на компоненты системы. Например, генератор может перегреться или отключиться и, следовательно, прекратить торможение ротора, скорость вращения которого начнёт бесконтрольно расти. Система безопасности должна быть способна быстро восстановить контроль над турбиной и остановить её. Это достигается в первую очередь благодаря аэродинамической тормозной системе, которая предотвращает увеличение мощности поворотом лопастей ротора, а также благодаря гидравлической дисковой тормозной системе. Таким образом, надёжность и безопасность ветрогенератора зависят от безупречной работы буквально всех его компонентов (рис. 2).

Контроллер

Контроллер ветровой турбины, который служит основой её безопасности и работоспособности, выполняет множество функций:

• является частью процессов принятия решений практически всех систем безопасности;
• контролирует штатную работу ветровых турбин;
• осуществляет мониторинг сотен различных функций;
• собирает статистические данные;
• предоставляет данные оператору турбины;
• обеспечивает внутренние коммуникации.

Контроллер состоит из компьютеров, управляющих ветровой турбиной, а также специальными переключателями, клапанами, гидравлическими насосами и т.д. Учитывая сложность сервисного доступа к компонентам, очень важно, чтобы контроллеры обладали способностями к самодиагностике и саморегулированию. Обычно контроллеры располагаются в нижней части башни и в гондоле. В некоторых новейших турбинах имеется ещё один контроллер – в ступице ротора. Для уверенности в безопасности и работоспособности системы проектируют и системы резервирования как неотъемлемую часть современной турбины.

Что контролируется?

В современной ветровой турбине контролируется до 500 параметров, включая:

• напряжение и частоту на выходе генератора;
• скорость вращения низкооборотного вала;
• скорость вращения высокооборотного вала;
• направление и скорость ветра;
• вибрацию гондолы, лопастей ротора и подшипников;
• давление в гидравлической системе;
• угол поворота каждой лопасти ротора в отдельности (в турбинах с активным изменением угла наклона лопастей);
• угол поворота гондолы.

Возможный контроль температуры включает:

• температуру наружного воздуха;
• температуру в гондоле и шкафах электроники;
• температуру генератора;
• температуру масла в коробке передач;
• температуру подшипников приводного вала и коробки передач.

Аналоговые параметры (например, показания температуры) измеряются в виде соответствующих значений, дискретные сигналы обрабатываются как значения ON или OFF (например, состояние клапана).

Нормализаторы сигналов Dataforth

Неотъемлемой частью системы управления турбин являются модули нормализации «полевых» токовых и потенциальных сигналов ввода/вывода. Один из примеров производства компании Dataforth представлен на рисунке рис. 2.
Dataforth предлагает самый большой в отрасли выбор (более 1000 вариантов) аналоговых модулей формирования сигналов ввода/вывода. Они разработаны специально для обеспечения и защиты критических данных и сигналов управления, а также подключения чувствительного оборудования. Есть также миниатюрные цифровые модули ввода-вывода для создания надёжных защитных изолирующих барьеров, эффективно функционирующих при напряжениях между полевым устройством и компьютерной системой до 4 кВ. Все модули SCM5B, SCM7B и Sensor-Lex®8B помещены в защитные корпуса, тем самым обеспечивается их устойчивость к коррозии и надёжная работа в различных приложениях, таких как ветряные турбины. Модуль SCM7B34, например, представляет собой линеаризованный 2- или 3-проводной нормализатор сигналов терморезисторов со входом Pt100. Его характеристики хорошо подходят для измерения температуры во многих ветровых турбинах.

Как показано на рис. 3, для улучшения параметров как времени, так и частоты отклика в модулях реализован пятиполюсный фильтр, сочетающий преимущества фильтров Бесселя и Баттерворта. Входной сигнал от терморезистора поступает на встроенный преобразователь, а затем передаётся через трансформатор, являющийся барьером с гальванической развязкой, подавляющим передачу импульсных помех и всплесков. После трансформатора сигнал восстанавливается и фильтруется, а затем поступает на вход системы управления технологическим процессом.
Нормализаторы сигналов компании Dataforth обеспечивают точность от 0,03 до 0,05% и повторяемость характеристик лучше, чем шесть сигм, низкий уровень шумов на выходе, высокую устойчивость к перенапряжению и широкий диапазон рабочих температур
от –40 до +85°C (для большинства модулей). Кроме того, нормализаторы Dataforth соответствуют требованиям EN61000-6-2 (устойчивость к электромагнитным помехам) и обеспечивают постоянную защиту от напряжения переменного тока 240 В, гальваническую изоляцию до 1500 В и защиту от импульсных помех в соответствии с ANSI/IEEE C37.90.1. В дополнение они обеспечивают защиту от ударов молнии и перенапряжений по другим причинам.
Сочетание защищённости и комплекса выдающихся характеристик семейства модулей-нормализаторов Dataforth делают их подходящим выбором для обеспечения жёстких требований к надёжности любых ветровых турбин. ● 

Статья подготовлена по материалам компании Dataforth

Перевод Юрия Широкова
E-mail: textoed@gmail.com