№ 4
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621
© 2008 г. ДАНИЛЕВИЧ Я.Б., КРУЧИНИНА И.Ю, МИРОНОВ Б.Н., ХОЗИКОВ Ю.Ф.
ДИСКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ НЕТРАДИЦИОННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.
ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ*
Рассмотрены возможности применения разработанной конструкции дискового генератора с постоянными магнитами, в т.ч. для создания энергетического оборудования с целью производства водорода методом электролиза при использовании возобновляемых источников энергии.
В настоящее время актуальны замена традиционных топливных ресурсов на альтернативные виды, поиск и использование новых источников энергии не нефтяного происхождения. Одним из перспективных решений в условиях ухудшающейся экологической обстановки может стать переход к водородной энергетике, основанной на использовании водорода в качестве вторичного энергоносителя.
При рассмотрении вопроса об источнике электроэнергии для производства водорода возникают проблемы, требующие рассмотрения при проектировании конструкций подобных устройств.
Стоимость электроэнергии, производимой или затрачиваемой на получение равного по производимой энергетике объема водорода при существующих в настоящее время и применяемых водородных технологиях, должна быть существенно ниже для компенсации затрат по изготовлению и эксплуатации комплекса оборудования, где производится, накапливается, хранится и транспортируется газообразный водород.
Необходимо применение современных систем управления автономными производствами. Требуется создание новейших систем производства, хранения и транспортировки водорода на основе применения новых композитных материалов и создание энергетических установок, перерабатывающих водород в другие виды энергии (тепловую, электрическую, механическую).
Целесообразен способ получения водорода электролизом (метод экологически чистый, но энергозатратный) при использовании в качестве первичного энергоносителя возобновляемого источника - ветра, который является достаточно привлекательным для снижения стоимости производимой электроэнергии. Комплексная выработка электрической энергии для производства водорода при применении ветростанции позволяет сократить затраты на его производство, при этом мощность генератора желательно обеспечить не менее 3-30 кВт, в зависимости от поставленной задачи производства объема водорода. Особенностью разрабатываемого низкооборотного генератора является то, что возбуждение осуществляется от высокоэнергетичных постоянных магнитов типа NdFeB.
Условие работы генератора с приводом от ветротурбины - широкий диапазон частоты вращения и высокая эффективность работы, для этого необходим комплексный подход к его созданию.
Комплексный подход к созданию генераторов нового поколения с приводом от ветротурбины требует создания комплексных методов проектирования на базе математи-
* Работа выполняется при поддержке грантов РФФИ 07-08-12107 офи_а и 07-08-345_а.
ческого моделирования, создание двух- и трехмерных моделей электромагнитного поля, статического и гармонического анализа, а также механического анализа прочности на базе трехмерной модели напряженного состояния для определения рабочих характеристик, локальных и интегральных параметров ветрогенераторов различных типов.
Отечественные модели выпускаемых микрогенераторов представлены высокооборотными асинхронными генераторами (двигателями) с подключением конденсаторных батарей для выполнения условий генерации электроэнергии. Подключенные через трехступенчатые редукторы к тихоходным ветродвижителям, подобные конструкции вообще неприемлемы для современных ветрогенераторов. В частности, момент "трога-ния с места" в несколько раз превышал необходимый момент и мощность для генерации самой электроэнергии.
Для устранения подобного недостатка некоторые конструкции оснащались системой запуска такого агрегата в режиме двигателя при появлении необходимой силы ветра. Подобные системы управления достаточно дороги и не устраняют всех недостатков конструкции. Создавались и синхронные генераторы с упрощенной системой электромеханического регулирования, но такие системы обладали тем же набором недостатков, были дороги и ненадежны.
К основным недостаткам всех выпускаемых систем ветрогенераторов можно отнести:
- невозможность поддержки генерируемых частоты и напряжения в широких пределах изменения скорости ветра, что имеет место при практической эксплуатации любой ветроустановки;
- невозможность поддержки стабильных показателей качества генерируемого тока (форма тока) в импульсном режиме изменения скорости ветра, что имеет место при практической эксплуатации любой ветроустановки;
- низкая конструктивная надежность при наличии токосъемников и коллекторных систем;
- низкая конструктивная надежность при наличии отечественного редуктора;
- применение в системах управления коммутирующих электромеханических устройств и, как следствие, снижение надежности системы управления.
Для производства электроэнергии предложен разработанный ИХС РАН синхронный низкооборотный дисковый генератор в комплекте с ветровой турбиной типа Дарье и блоком электронной регулировки энергетического режима, который является неотъемлемой частью всего энергетического комплекса.
Дисковому типу синхронных машин с постоянными магнитами разработчики уделяют внимание как перспективному типу машин для ряда практических применений. Например, дисковые двигатели и генераторы находят применение в электрических транспортных средствах в силу их легкой интегрированности с колесами и другими элементами электромеханического привода для безредукторных лифтов, в ветрогенераторных установках.
Для производства электроэнергии при помощи высотного ветрового движителя предлагается низкооборотная машина с управляемой модуляцией магнитной проводимости и системой стартового возбуждения, выполненная на базе высококоэрцитивных постоянных магнитов типа КФеВ.
Основное отличие от существующих на рынке моделей заключается в энергетических характеристиках генератора и системы управления.
В режимах переменной скорости вращения ротора генератора, что характерно именно для ветроэнергетических установок, система без помощи инвертора обеспечивает стабильные характеристики качества производимой электрической энергии, такие как частота, форма тока, напряжение. При этом только в нижнем диапазоне скоростей вращения ротора используется энергия конденсатора и аккумуляторных батарей.
* Институт химии силикатов РАН.
Постоянные магниты
Рис. 1. Эскиз конструкции дискового генератора
Мотивацией применения данной конструкции служат показатели надежности, низкая материалоемкость, экономичность при производстве энергии и, что важно для конструкции генератора с приводом от ветрового движителя, высокая стойкость к воздействию окружающей среды.
Эти свойства позволяют использовать конструкцию в условиях предельно неблагоприятных, таких как установка машин на высотной мачте или на аэростате в качестве генераторов для ветроэлектростанций.
В целом конструкция генератора разработана на базе современных материалов и технологий.
Электромагнитные свойства материала, используемого в конструкции, отличаются от материала, применяемого в традиционных конструкциях электрических машин, что связано с особенностью систем управления (например, подача импульса тока с определенной формой и продолжительностью и, как следствие, достаточной во времени и корректной с точки зрения ожидаемого результата реакцией магнитного материала статора и ротора в системе электромеханического преобразователя).
Конструкция дискового генератора состоит из двух роторных дисков, расположенных с обеих сторон от статора (рис. 1). Статор выполняется в форме кольца. Для снижения потерь в стали предлагается применить ленточный электротехнический сплав или аморфный сплав типа 30 КСР толщиной 0,05. Сердечник статора выполняется из двух разделенных диамагнитным экраном частей для снижения потерь, обусловленных несимметрией магнитных потоков каждой из частей. Необходимые магнитные характеристики статора обеспечиваются термической обработкой аморфного сердечника во внешнем приложенном магнитном поле.
Расход меди на изготовление статорных катушек при одинаковых характеристиках предлагаемой конструкции и аналогичной синхронной машины в два раза меньше. Тепловыделение происходит непосредственно на статоре. При такой конструкции достаточно просто решаются проблемы отвода избыточного тепла.
На роторе отсутствуют обмотки возбуждения. Количество и физический размер полюсов машины определяют массогабаритные характеристики и мощность при заданных моменте и диапазоне частоты вращения ротора, и рассчитываются (оптимизируются) при помощи компьютерной программы, созданной авторами статьи.
Согласно результатам предварительных расчетов, значение массогабаритных характеристик значительно меньше по сравнению с сопоставимыми аналоговыми моделями.
Рис. 2. Одна восьмая часть модели дискового синхронного генератора на постоянных магнитах: 1 - статор; 2 -постоянный магнит; 3 - воздушное пространство; 4 - вал; 5 - ротор; 6 - корпус
Преимуществами предложенной разработки являются компактность, снижение общего веса машины обмотки статора с возможностью жесткого закрепления витков обмотки. Дополнительно для обеспечения жесткости всей конструкции статор пропитывается эпоксидным компаундом - становится монолитом.
В таблице приводятся некоторые проектные и расчетные параметры дискового генератора.
Предпроектные стадии создания нового оборудования основаны на математическом моделировании, создании двух- и трехмерных моделей для оценки распределения электромагнитного поля, его статического и гармонического анализа для определения локальных и интегральных параметров ветрогенераторов различных типов и выбора оптимальных вариантов конструкций.
В данной работе использовалась трехмерная модель, так как радиальные размеры конструктивных элементов больше осевых. На рис. 2 приведена модель 1/8 части кон-
Проектные и расчетные параметры дискового генератора
Параметры
Значение
Мощность, Вт Частота, Гц Напряжение, В Геометрические размеры Ротор
Постоянные магниты
Внеш
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.