Автоматическая ориентация ветрогенератора

Автоматическая ориентация ветрогенератора — это система управления, обеспечивающая поворот гондолы ветроэлектрической установки (ВЭУ) вокруг вертикальной оси таким образом, чтобы плоскость вращения ротора (ветроколеса) была постоянно перпендикулярна направлению ветра. Основная цель автоматической ориентации — максимизация выработки электроэнергии путём наиболее полного использования кинетической энергии ветрового потока, а также защита конструкции от перегрузок при ураганных ветрах. Данная функция является неотъемлемой частью современных ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения, составляющих подавляющее большинство промышленных ВЭУ.

Принцип работы

Процесс автоматической ориентации (в профессиональной среде часто называемый «рысканием» или «йоу» (yaw)) основан на взаимодействии нескольких ключевых компонентов: датчиков направления ветра, контроллера и исполнительного механизма — привода поворота гондолы.

Датчики направления ветра

Основным элементом для определения направления ветрового потока служит флюгер (анемометр с флюгером или ультразвуковой датчик ветра), устанавливаемый на крыше гондолы. В современных ВЭУ используются, как правило, два независимых датчика для повышения надёжности и возможности верификации данных. Ультразвуковые датчики, в отличие от механических флюгеров, не имеют подвижных частей и менее подвержены обледенению, что особенно актуально для регионов с холодным климатом, включая северные территории России.

Контроллер

Сигнал от датчиков поступает в программируемый логический контроллер (ПЛК) ветрогенератора. Контроллер непрерывно сравнивает текущее направление ветра с положением гондолы, получаемым от датчика угла поворота (энкодера). При возникновении отклонения, превышающего заданный порог (обычно от 5 до 15 градусов), контроллер формирует команду на включение привода поворота. Алгоритм управления учитывает также скорость ветра: при слабом ветре (ниже 3–4 м/с) ориентация может не производиться во избежание неоправданного расхода энергии на собственные нужды.

Привод поворота гондолы

Исполнительным механизмом является система, состоящая из одного или нескольких электродвигателей, редуктора и зубчатого венца, закреплённого на башне ветрогенератора. Электродвигатели, получая питание от контроллера, через редуктор вращают шестерню, которая входит в зацепление с зубчатым венцом, заставляя гондолу поворачиваться вокруг оси башни. Для фиксации гондолы в заданном положении после завершения ориентации используются многодисковые тормозные механизмы (йоу-тормоза), предотвращающие самопроизвольный поворот под воздействием порывов ветра.

Классификация систем ориентации

По способу управления системы автоматической ориентации делятся на два основных типа:

Активная ориентация

Наиболее распространённый тип, применяемый на всех крупных ветрогенераторах мощностью от 100 кВт и выше. Ориентация осуществляется принудительно с помощью электромеханического привода, управляемого контроллером. Активная система обеспечивает высокую точность позиционирования и возможность быстрой реакции на изменение направления ветра, что критически важно для эффективной работы. Недостатком является потребление электроэнергии на собственные нужды и износ механических компонентов.

Пассивная ориентация (свободное рыскание)

Используется на малых ветрогенераторах (мощностью до 10–20 кВт) и некоторых исторических конструкциях. Гондола (или сам ротор) может свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Ориентация происходит за счёт аэродинамических сил: хвостовое оперение (флюгер) или несимметричная конструкция ротора разворачивают ветроколесо по ветру. Пассивная система проще, дешевле и не требует электроэнергии, однако её точность и быстродействие значительно ниже, что делает её непригодной для промышленных масштабов.

Особенности работы в сложных условиях

Автоматическая ориентация должна надёжно функционировать в широком диапазоне погодных условий, что накладывает ряд конструктивных и программных требований.

Защита от перегрузок

При скорости ветра, превышающей рабочую (обычно более 25 м/с), система ориентации участвует в процедуре аварийной остановки. Гондола может быть развёрнута таким образом, чтобы ротор оказался «в тени» башни, или, в некоторых конструкциях, лопасти поворачиваются во флюгерное положение (флюгерный стоп). Это снижает ветровую нагрузку на конструкцию и предотвращает разрушение.

Обледенение

В регионах с частыми оттепелями и заморозками, характерных для многих районов России, датчики ветра могут обмерзать, что приводит к потере достоверной информации о направлении ветра. Современные системы оснащаются обогревом датчиков (электрическим или с использованием горячего воздуха), а также программными алгоритмами, которые при обнаружении нештатной ситуации (например, резкое падение выработки при нормальной скорости ветра) переводят генератор в безопасный режим с фиксацией гондолы в последнем известном положении.

Турбулентность

В условиях пересечённой местности или вблизи других ветрогенераторов ветровой поток становится турбулентным, то есть его направление и скорость постоянно меняются. Контроллеры современных ВЭУ используют сложные алгоритмы фильтрации и усреднения данных с датчиков, чтобы избежать «дёргания» гондолы при каждом случайном порыве. Часто применяется так называемый «гистерезис» — система начинает ориентацию только при устойчивом отклонении направления ветра на определённый угол в течение заданного времени (например, 10 градусов в течение 10 секунд).

Применение и значение

Автоматическая ориентация является обязательным условием работы ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения. Без неё эффективность преобразования энергии ветра в электрическую резко падает, а нагрузки на конструкцию становятся недопустимо высокими. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения (например, ротор Дарье или ротор Савониуса) не требуют ориентации по ветру, однако они обладают значительно меньшим КПД и не получили широкого распространения в промышленной ветроэнергетике.

В России, где ветроэнергетика активно развивается, особенно в прибрежных зонах (Кольский полуостров, побережье Балтийского моря, Дальний Восток) и степных районах (Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область), системы автоматической ориентации должны быть адаптированы к местным климатическим условиям, включая сильные морозы, обильные снегопады и частые ураганные ветры. Отечественные производители, такие как ООО «ВетроЭнергоМаш» и АО «НПО «Энергомаш» имени В.П. Глушко», разрабатывают и внедряют системы управления, учитывающие эти особенности.

Интересные факты

• Первые ветряные мельницы, появившиеся в Персии около IX века, имели вертикальную ось вращения и не нуждались в ориентации. Мельницы с горизонтальной осью, появившиеся в Европе в XII веке, изначально поворачивались вручную с помощью длинного рычага.
• В современных ветрогенераторах мощностью 3–5 МВт вес гондолы может достигать 200–300 тонн. Для её поворота требуется привод мощностью несколько десятков киловатт, сравнимый с мощностью двигателя легкового автомобиля.
• Некоторые производители, например датская компания Vestas, используют для ориентации не только датчики на гондоле, но и данные с метеорологических мачт, расположенных на территории ветропарка, что позволяет прогнозировать изменение направления ветра и начинать поворот заблаговременно.
• В случае отказа системы ориентации при сильном ветре ветрогенератор может быть разрушен. Поэтому все промышленные ВЭУ оснащены резервными источниками питания (аккумуляторами) для аварийного разворота гондолы в безопасное положение при пропадании основного электропитания.

Источники

1. Харитонов В.П. Ветроэнергетика: учебное пособие. — М.: Энергоатомиздат, 2012.
2. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
3. Патент РФ № 2687902 «Способ автоматической ориентации ветрогенератора и устройство для его осуществления». — 2019.
4. Техническая документация ООО «ВетроЭнергоМаш» на ветроэнергетические установки серии ВЭУ-500 и ВЭУ-1000.
5. ГОСТ Р 54418.1-2012 (МЭК 61400-1:2005) «Ветроэнергетика. Установки ветроэлектрические. Часть 1. Технические требования».