СУДОСТРОЕНИЕ 1'2004
ПЛАВУЧАЯ МОБИЛЬНАЯ ПОЛУПОГРУЖНАЯ ВЕТРОУСТАНОВКА
П. М. Радченко (Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского)
Многие населенные пункты, рыбозаводы, фермерские хозяйства, погранзаставы, маяки и другие объекты, расположенные вдоль береговой черты морей и больших озер, лишены централизованного энергоснабжения. Их электропитание осуществляется, как правило, от дизельных электростанций, нуждающихся в подвозе жидкого топлива. В то же время на стыке моря и суши дуют достаточно сильные ветры (муссоны, бризы). Использование ветроэнергетики в ряде зарубежных стран поставлено на промышленную основу. В странах Северной Европы, США и других налажен серийный выпуск ветроэнергетических установок (ВЭУ) единичной мощностью от сотен ватт до нескольких мегаватт для малой (автономной) и большой энергетики.
На рубеже XX—XXI веков определилось отдельное направление — морская ветроэнергетика. В ней находят применение стационарные (с опорой на дно) ВЭУ, повторяющие наземные аналоги, но имеющие усиленные фундаменты и более высокую коррозионную стойкость. Размещение ВЭУ на море нейтрализует известные их недостатки — шум, вибрацию почвы, помехи теле- и радиоприему. Морские ВЭУ более производительны и подают энергию потребителям с меньшими пульсациями. Это объясняется более высокими скоростями ветровых потоков над поверхностью моря и более равномерной их структурой по сравнению с наземными ветрами.
Размещение стационарных ВЭУ на акватории ограничивается ее глубинами, рельефом дна и характером грунта. Изыскательские и монтажные работы, проводимые в морских условиях, в строительном цикле ВЭУ составляют основную долю по срокам их проведения и расходам на сооружение всей установки.
Плавучие ВЭУ лишены этих недостатков, так как доводятся на верфи до стопроцентной готовности, имеют простые способы доставки (буксировкой) и монтажа (постановкой на якоря). Якорный способ позиционирования сообщает плавучим ВЭУ ценное свойство мобильности. Это означает, что установка в любой момент может быть перебазирована на новое место стоянки с учетом сезонных изменений направления ветровых потоков, колебаний спроса на электроэнер-
гию, необходимости проведения ремонта в заводских условиях.
Основная проблема плавучих ВЭУ — обеспечение их волноустойчивости при свежих ветрах и остойчивости в штормовых условиях — стала причиной того, что ВЭУ этого типа до их пор не востребованы. Неудачи первых проектов плавучих ВЭУ объясняются тем, что их ветротурбины (ВТ) располагались на корпусах судов либо понтонах разной формы, поддерживавшихся на поверхности воды и подвергавшихся качке при волнении. Чтобы добиться устойчивого положения ветроколеса к направлению потока ветра в условиях волнения моря, понтонное основание ВЭУ необходимо погрузить ниже возмущенного слоя воды. Следовательно, решение проблемы создания жизнеспособных плавучих ВЭУ следует искать на основе использования полупогружных технологий. Одна из первых полупогружных ВЭУ (рис. 1) предложена в МГУ им. адмирала Г. И. Невельского [1].
Плавучая полупогружная ветроустанов-ка (ППВУ) состоит из подводного понтона 1 (рис. 2), погружаемого на такую глубину, на которой волнение моря не ощущается. Обычно это наблюдается при осадке понтона на глубину, равную примерно полутора-кратной максимальной высоте волны для данной акватории. Понтон-основание имеет форму многоугольной, в частном случае восьмиугольной, усеченной пирамиды, опрокинутой вершиной вниз. Уклон бортов-граней понтона-пирамиды необходим для повышения ледостойкости ППВУ в период ледохода.
На полупогруженный понтон-фундамент опирается посредством трех — четырех пустотелых колонн 4 надводная площадка 15, нагруженная невысокой опорной башней 13. На вершину башни установлена полноповоротная капсула 12 яйцеобразной формы. Жесткость всей конструкции обеспечивается раскосами 5. Продольная ось капсулы 12, наклоненная к горизонту под углом примерно 45°, является одновременно осью вращения ВТ. Две ее лопасти регулируемого шага образуют с осью вращения ВТ угол, также равный 45°, так что при вращении ВТ они ометают коническую поверхность.
Лопасти регулируемого шага имеют одинаковую массу, но разную длину: одна из лопастей короче другой в два раза. Высота
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2004
Рис. 1. Общий вид плавучей полупогружной ветроэлектрической установки
приземистой опорной башни 13 примерно равна высоте электрического ветрогенератора (ВГ). Наклонный вал ВТ соединен с вертикальным валом ВГ посредством мультипликатора, содержащего коническую зубчатую передачу.
Выбор описанной конструкции ВТ и ее опорной башни продиктован стремлением сохранить остойчивость ППВУ в период штормовых ветров при ограниченных линейных размерах понтона-фундамента. Такую же цель преследует и установка разных по длине лопастей. В период шторма ВТ будет выводиться из работы и стопориться в положении, при котором длинная лопасть опускается вниз, а короткая лопасть поднимается вверх. Этим уменьшаются кренящие моменты, создаваемые ветровыми нагрузками, и одновременно понижается метацентри-ческая высота ППВУ. Однако такое решение имеет и отрицательные последствия. Разные по длине лопасти при вращении будут создавать каждая неодинаковый вращающий момент и вызывать дополнительную вибрацию всего сооружения. На выходной мощности это сказываться не будет, так как ее пульсации будут сглаживаться программно полупроводниковым преобразователем.
Возвышение надводной площадки 15 над поверхностью воды выбирается из расчета, чтобы при максимальной высоте волн брызги не достигали оборудования этой
площадки и не вызывали ее обледенения при отрицательных температурах окружающей среды.
ППВУ на место стоянки доставляется судном-буксиром. С его же помощью она устанавливается на якоря, после чего положение понтона не меняется. В якорную систему входят три — четыре якорных устройства, каждое из которых состоит из якорной лебедки 7, якорной цепи 18, якоря 19 и цепного ящика 3, роль которого выполняет пустотелая колонна 4. Якорное устройство оборудовано системой автоматического натяжения якорной цепи и контроля длины ее вытравленного участка. Якорная система должна рассчитываться на противодействие суммарному усилию, создаваемому максимальной силой ветра, напором расколотого льда и течением, действующими с любого направления. Для наведения ВТ на ветер, направление которого периодически меняется, служит система автоматического разворота подвижной капсулы 12.
Подводный понтон 1 состоит из служебного центрального отсека 17 и восьми периферийных отсеков 7, являющихся балластно-креновыми емкостями. Заполняя периферийные отсеки водой или осушая их, регулируют осадку ППВУ, а перекачивая воду из периферийной емкости одного борта в такую же емкость противоположного борта, выравнивают крен всего сооружения. Для обслужива-
ния балластно-креновых емкостей служит осушительная система. Осадка ППВУ регулируется системой автоматического изменения осадки в зависимости от погодных условий: с усилением ветра и волнения поверхности моря осадка увеличивается до определенного предельного значения. Ровный крен при свежем ветре поддерживается автоматически системой регулирования крена ППВУ. В штиль ровный крен создается противовесом 14, уравновешивающим массу лопастей 10 ВТ.
Зависимость мощности, развиваемой ВТ, от скорости ветра показана на рис. 3. В зоне А невысоких скоростей ветра ток возбуждения 1в ветрогенератора устанавливается на уровне номинального и не меняется, чтобы обеспечить в этих условиях максимально возможную развиваемую мощность. В этой зоне выходная мощность Р ветрогегератора связана со скоростью ветра параболической зависимостью (кривая 1). За счет автоматического регулирования шага лопастей ВТ в функции скорости ветра съем мощности с ВГ можно увеличить (кривая 2).
В зоне В высоких скоростей ветра, превышающих номинальную скорость Уном, выходная мощность ВГ поддерживается постоянной на уровне номинальной. Первоначально это осуществляется за счет снижения тока возбуждения, а затем, когда окружная скорость вращения концов лопастей ВТ достигает предельных значений, ток возбуждения стабилизируют, а постоянство мощности ВГ сохраняют за счет поддержания стабильной частоты вращения ВТ, достигаемой посредством уменьшения шага ее лопастей.
Во время шторма, когда скорость ветра превышает максимальное рабочее значение ^^ ток возбуждения ВГ повышают до номинального уровня и за счет резкого увеличения электромагнитного тормозного момента на валу ВТ выполняют ее электрическое торможение. Одновременно у лопастей ВТ меняют знак угла атаки, переводя их в режим лопастного торможения. При снижении частоты вращения ВТ до минимально заданной на ее вал накладывается механический тормоз в тот момент, когда длинная лопасть занимает нижнее положение, практически параллельное линии горизонта, а короткая лопасть — верхнее
:УД0СТР01НИ! 1'2004
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ! УСТАНОВКИ
13
14
17Ш//Ш/Ш
Рис. 2. Конструкция плавучей полупогружной ветроэлектрической установки
Рис. 3. Расчетные зависимости выходной мощности Р, тока возбуждения /в и угла атаки а лопастей ВЭУ от скорости ветра:
1, 2 — выходная мощность без регулирования и с регулированием шага лопастей; 3 — изменение мощности при электрическом и лопастном торможении ветротурбины
вертикальное положение. Вслед за этим лопасти ВТ переводятся во флюгерное (нулевое) положение, а ВГ развозбуждается. Изменение мощности ВГ в процессе торможения показано штрих-пунктиром (см. рис. 3).
Произведенная ППВУ электроэнергия передается береговым потребителям по подводному морскому кабелю 20 (см. рис. 2). В период ледохода под напором льда возможны некоторые подвижки понтона-фундамента относительно неподвижно раскрепленных якорей 19. Чтобы исключить при этом чрезмерное натяжение кабеля, на надводной площадке 15 предусмотрена кабельная лебедка 9 с электроприводом, хранящая запас гибкого кабеля 22 на своем барабане. Эта лебедка оборудуется системой автоматического регулирования натяжения гибкого кабеля, соединенного со стационарно прол
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.