Ветрогенераторы будущего: две башни, две лопасти?

[einstitut.livejournal.com]

Оригинал взят у einstitut в Ветрогенераторы будущего: две башни, две лопасти?

Немецкой инжиниринговой компанией Aerodyn разработано принципиальное новое решение для плавучих офшорных ветряных электростанций.

Компактная модель SCDnezzy2 представляет собой два двухлопастных ветрогенератора, башни которых установлены на одной платформе V-образно. Именно так, по мнению разработчиков, могут выглядеть плавающие ветрофермы к 2025 году.



Двухлопастные роторы вращаются в противоположные стороны, чтобы сбалансировать действующие на них силы Кориолиса.

Еще одна особенность состоит в том, что относительное положение лопасти работающего ротора смещено на 90 градусов, то есть лопасти одной турбины находятся в горизонтальном положении, а другой, одновременно, вертикально. Это направлено на минимизацию взаимодействий лопастей, вызывающих завихрение, и приводящих к снижению производительности.

Башни ветряков концепта SCDnezzy2 встречаются в нижней части, прикрепленной к центральной монтажной фланцевой колонне на бетонном поплавке. Помимо крепления башен к основанию, они связаны между собой и с платформой гибкими растяжками, создавая компактную, легкую и одновременно жесткую структуру.



Одним из основных преимуществ такой конструкции является то, что она практически устраняет изгибающие моменты, что обеспечивает значительную экономию массы и затрат.

Данный подход существенно отличается от других проектов плавающих оснований, предусматривающих размещение сразу нескольких турбин. Обычно проектировщики конструируют треугольную платформу, по углам которой вертикально размещаются отдельные ветрогенераторы.

Идея использования многороторной технологии в ветрогенерации не нова. Ранние концепции относятся к 1930-м годам, например, разрабатывались известным немецким инженером-изобретателе Германом Хоннефом (Hermann Honnef).

Есть концепция Vestas с четырьмя роторами на 900 кВт для материковой ветроэнергетики, действующая с прошлого года – самый свежий пример современной многороторной разработки. Особенно важно, что она была инициирована крупнейшим в мире поставщиком ветряных турбин.

В то же время рассматриваемая нами разработка Aerodyn выглядит весьма перспективной именно для нового технологического направления в морской ветроэнергетике – плавающих фундаментов / плавучих ветряных электростанций.

Предполагая, что удельная мощность составляет около 425 Вт/м2, диаметр ротора «обычной» одномоторной турбины мощностью 15 МВт будет равен примерно 212 метрам. SCDnezzy2 такой мощности (15 МВт) достаточно 150-метрового диаметра ротора, что позволяет снизить центр тяжести на 30 метров.

Оригинал

Comments

[sawely3.livejournal.com]

"подгружать" каким образом, если они работают на общую линию?

[antontsau.livejournal.com]

тычаво юзер. Управляемый инвертор же. Импульс дал пошире - нагрузка и получилась побольше. Как в упомянутом электровозе, управляемо (то есть поддерживая некое стабильное заданное машинистом тормозное усилие) рекуперирующем в широком диапазоне скоростей.

[sawely3.livejournal.com]

"импульс пошире" это как? что за "шнягу" выдаёт этот инвертор, вместо классической синусоиды?

[antontsau.livejournal.com]

а инвертор никогда в жизни синусоиду не дает, только в рекламных проспектах про тру синевейв. Там же ключи, они не умеют в плавно. В совсем дешевых конструкциях меандр (ноль - плюс - ноль - минус), вот шириной этого плюса и минуса можно играться. В более продвинутых еще добавляется половинка (0 - 0.5 - 1 - 0.5 - 0 и так далее), там управление еще более гибкое. Потом это все идет в огромную катушку и на ее выходе уже что-то синусообразное, так как третья гармоника через дроссель уже не пролезает. Хотя срет такой инвертор на всю сеть, да, но это мало кого волнует.

[zel-dol.livejournal.com]

Современные инверторы, на IGBT-транзисторах действительно дают синусоиду с коэффициентом гармонических искажений 2-3%

[antontsau.livejournal.com]

там все равно симуляция через шим, без дросселя на выходе (а лучше резонансного фильтра, но это же БЖТ в чистом виде) будет адъ.

[zel-dol.livejournal.com]

В серьезных установках - фильтры имеются, цена у них не такая большая относительно прежних фильтров для 6-ти или 12-ти пульсовых установок

[ermiak.livejournal.com]

И вот тут я перекрестился левой рукой. Не к ночи они будь поминаемы!

[nivanych.livejournal.com]

> симуляция через шим

Это ещё не приговор.
Другое дело, что в реальных силовых устройствах, нахер никому не надо париться над соотношением сигнал/шум порядка 105дб, как оно бывает, например, в дешёвых аудио-усилителях классаД.

К тому же, в этих же силовых устройствах, фильтр замутить на порядок проще —
разрыв между нужной частотой и частотой, на которой начинаются шумы, гораздо больше, чем в типичных аудио-усилителях классаД.
Скажем, 50 килогерц частота шима и 50 герц сети, это разница в 1000 раз.
Тогда как в аудио класса Д, плохонько довольствуются и 20 разами превышения.
Да, конечно, у силового есть и свои сложности.
Но в целом, избежать шумов при таком превышении частоты намного проще, даже не надо городить дельто-сигмы стопицотого (или даже третьего) порядка.

[antontsau.livejournal.com]

шумы там сразу начинаются, на третьей гармонике (а если все совсем криво сделано, то и на второй, но это оооочень постараться надо), на 150гц. Шим-то все равно до полного вольтажа гоняется. Но конечно в нормальных сетях на это всем плевать, там и изначально (при правильном шиме, адаптивно подстраиваемом по нагрузке) не очень много а потом усреднится по всей больнице и хорошо.

[nivanych.livejournal.com]

В смысле, где "там"?
В реальных устройствах — допускаю.
Почему их не делают нормальными, я не знаю. Видимо, просто пофигу.
Может, современные уже и нормальные делают...
Есличо, мой реальный опыт ограничивается где-то 10—20 киловаттами.
Допускаю, что далее могут возникать нюансы, о которых я не подозреваю.

Или имеется в виду шим без фильтра?
Ну так это жуть. Даже и 4-битный, всё равно жуть будет...

Нухотяябы, вот есть дельта-сигма 2 порядка (3 порядка уже сложновато делать) на частоте 50 килогерц.
Откуда взяться нижним гармоникам для частоты 50 герц??

Вдобавок, частенько, делают совсем тупо — обратную связь по сравнению с эталонной синусоидой.
Ну тут уже, конечно, с дельто-сигмами 5 порядка не сравнить, но при превышении частоты аж в 1000 раз, годится даже для высокоточного аудио.

Можно ещё вспомнить про конечное выходное сопротивление и связанное с ним падение напряжения при большой нагрузке, но это уже несколько другой вопрос.
Да и сделать это сопротивление меньше, чем в обычных городских сетях (в которых сопротивление всех более-менее устраивает), запросто совсем.

Не понимаю я, о чём речь, видимо ;-(

[antontsau.livejournal.com]

третья гармоника при симуляции синусоида появляется всегда и неизбежно - это отличие реального недосинуса (с учетом внутреннего сопротивления, да, ну и просто общей неточности симуляции) от идеала, оно сразу будет давать 150гц. На какой бы частоте там этот шим ни работал, хоть на гигагерце.

[nivanych.livejournal.com]

Не понимаю, почему бы это ;-(
В шим-усилителях этой гармоники нет и неоткуда взяться.

Есть какие-то объяснения, где можно почитать?
Скорее всего, я до сих пор, что-то не так понимаю, что имеется в виду...
Видимо, какая-то конкретная конструкция генерации синуса...

[antontsau.livejournal.com]

мать и его матика же. Как только у нас есть хоть что-то симметрично отклоняющееся от синусоиды (нелинейное внутреннее сопротивление, неидеальность паттерна шим, даже примитивное насыщение БЖТ и тп) - сразу в разложении получится третья гармоника.

[nivanych.livejournal.com]

Почему это "симметрично" отклоняющееся от синусоиды, это ещё надо уточнять. Это совершенно не обязательно.
Даже и частота шима очень не обязательно будет кратной генерируемой частоте.

Ну пусть, хорошо. Допустим, будет симметрично.
Но при достаточно большой частоте, гармоники очень так сводятся к минимуму.
Они таки есть, но на них можно наплевать.

Те характеристики в -105дб для аудио, которых мы (несложно) добивались,
применительно к питанию, это вполне можно сказать, что "гармоник нет".
Именно это я и понимал под "отсутствием гармоник".

[antontsau.livejournal.com]

а если несимметрично, то еще и вторая гармоника полезет. Частота шим тут не особо причем, потому что она на три порядка выше.

Да нет там этой "достаточно большой частоты" в вопросе третьей гармоники! Она относительно 50гц, а шим хоть на гигагерце будет работать. Если оно будет пытаться симулировать синусоиду хоть чуть неверно (а не просто повторять какой-то сигнал на входе) - вот уже и хватит. Причем я с трудом представляю как делать эту симуляцию одинаково по всему диапазону нагрузок.

105дб это не то что гармоник нет, а их и в микроскоп не видно. Но в реальности на силовых цепях такое не получится.

[nivanych.livejournal.com]

> Да нет там этой "достаточно большой частоты" в вопросе третьей гармоники!

Она есть в вопросе "уровень третьей гармоники".
Чем больше частота, тем проще уменьшить уровень гармоник.
Т.е., гармоники _принципиально_ будут при довольно многих условиях, как правильно замечено, на любой частоте.

Образно, можно представить такой случай, например, как симметричные пички по 10 микросекунд.
Какбе "симметрично отклоняется от синусоиды", да. Но кого это волнует?
Отфильтруется нахрен такое, останутся лишь гармоники. Страшные, жуткие, да ;-)

> я с трудом представляю как делать эту симуляцию
> одинаково по всему диапазону нагрузок.

Во-первых, обратная связь и достаточно быстрая.
Ну, применительно к современной электронике, что угодно будет быстрым для 50 герц.
Скорее, что должен довольно неплохо работать ну вот тупо компаратор с эталонной красивой синусоидой.
Во-вторых, аккуратная генерация и достаточно маленькое сопротивление.
В диапазонах мощностей, с которыми я работал (самое большее, 20 киловатт), это вполне реально.

Если речь идёт про мегаватты (как например, в ветрогенераторах), я уже не вполне знаю точно, как именно надо делать. Но могу догадываться.

> Но в реальности на силовых цепях такое не получится

Я уже не помню совсем детали. Мощности тех шим-усилителей были под киловатт, но на киловатте ли мы намеряли эти 105 дб, я не помню. Вроде бы, что не на киловатте. Что на сотне ватт умерились до усрачки, это точно.

Т.е., не знаю, как там насчёт ветрогенераторов (в смысле, мощностей в мегаватты и более), но бытовые инверторы (например, в источниках бесперебойного питания) совершенно точно несложно сделать импульсными и с очень гладенькой синусоидой на выходе.

Скорее всего, что и в ветрогенраторах тоже принципиальных сложностей нет.
Но просто опасаюсь говорить однозначно, ибо с "большими значениями" всегда какая-нибудь мелочь, на которую плюёшь, гипертрофируется, а я запросто могу про такую мелочь забыть.

Обычно, производители такой электроники, ориентируются вот тупо на нормы по коэффициенту гармоник. Ну или там на коэффициент мощности (что одно и то же, в общем-то).
И если уже в эти нормы уложились, то просто вааще неохота никому стараться хоть чууть дальше.

[antontsau.livejournal.com]

Разумеется - чем выше частота шима тем проще сделать выходной сигнал более похожим на входной.

Не, не то. Если бы оно симметрично отклонялось от синусоиды одинаковыми пичками вверх и вниз, то было бы все просто. (мня, тут картинко нужно, текстом это не описать). А оно же НЕсимметричными импульсами пытается симулировать эту синусоиду - в момент Ы синусоида должна иметь значение Х, значит вокруг этого момента пички должны быть Хмксек вкл, (1-Х) выкл. А получается не Х а Х+Ъ, как ни сравнивай с эталоном (а на самом деле эталона там и вовсе нет, это не усилитель а инвертор, там просто некая теоретическая модель и по ней втупую выдают сигнал) потому что там ток в пару килоампер и напряжение киловольты, ну вот и в результате на выходе не Х а это самое +Ъ. И готово, гармоники при разложении этой хрени. И хорошо еще если только нечетные. А чтоб их не было - цена такого инвертора будет как если бы звуковых усилков на все мегаватты туда наставить, нафиг это никому не нужно.

[nivanych.livejournal.com]

Чотта меня пробило на многабукаф ;-)
> как ни сравнивай с эталоном
> а на самом деле эталона там и вовсе нет

Дофига сложно сгенерировать плохонькую (скажем, 0.1% гармоник) синусоиду??

> цена такого инвертора будет как если бы звуковых усилков на все мегаватты туда наставить

Неа. Требования к сетевому на пару порядков более простые, чем к аудио.
Ну и в диапазоне до ~20 киловатт, совершенно точно не так, что для нормального питалова, надо уж прям звуковых усилков наставить.
Всё куда проще не только потому, что куда бОльшие шумы-гармоники допустимы, но и частота куда как более низкая (20 килогерц vs. 50-60 герц или вообще постоянка).

Да и реально, не так уж и надо крутое питалово.
Достаточно соответствовать требованиям по коэффициенты гармоник.
Единственное, где мне потребовалось ну прям ваще-ваще питалово, это источник постоянного напряжения, питающий шим-усилитель по "топологии" open loop. Но это и понятно.
В принципе,сгодилось бы и для инвертора. Всё же, постоянный ток (и сравнение с ним) сделать несколько проще, чем синусоиду.

Общая тактика проектирования такого — что можно, сверху фильтруется, а что не получается (килогерцы, не более), уже запросто успеть довольно точно дорегулировать.
И получается весьма неплохое питалово.
С некоторыми модификациями, тактика сгодится и для генерации синусоиды.

Свыше 10—20 киловатт, с фильтрами придётся уже мутить не вполне элементарно. Например, точно потребуются фильтры высокого порядка — их добротность менее чувствительна к нагрузке и не потребуется огромадных массивов кондёров.
Вроде бы, вполне реально.
Но признаться честно, для мощного, дальше поиграться в LT Spice, я не доходил.
Т.е., реального опыта не имею.

Ещё можно вспомнить, что бывают и всякие очистители на сотни киловатт.
Там, нередко, вообще линейный усилитель применяют для исправления косяков синусоиды.
Ибо тока, исправляющего синусоиду, надо относительно немного.

Есть и схемы аудио-усилителей, в которых основная мощность делается грубым шимом, а остаток шумов (который уже небольшой) прецизионным линейным усилителем да хоть в классе A. Называются как-то "класс K", что ли...

Вспомним (это я про обратную связь) и вполне так тяп-ляп сделанные PFC, которые запросто выдают 0.99. Что, насколько я помню (лень считать), где-то соответствует нескольким процентам гармоник.
Причём, более-менее очевидно, что лучше сделать эти PFC не получается почти только из-за сложностей с хорошим измерением тока.

Если точнее, то с измерением тока, все дешёвые способы заточены на конкретный диапазон нагрузок.
А правильно измерять ток считается дорого, хотя и имхо, для случая килоампер, это херня.
Ну, PFC, это отдельная тема.
Да и необязательно там ток измерять. Есть способы и _кроме_ voltage mode critical/transition conduction, как в PFC измерять только напряжение.

Ну а для случая инвертора, точно измерять надо напряжение, а не ток.
Что значительно проще, хотя и тоже несладко —
уже для сотен вольт, тактика "поделим напряжение, а там операционником" работает херово, надо городить несколько "честных" высоковольтных дифференциальных усилителей, соединённых по схеме инструментального усилителя. Т.е., даже одного качественного дифференциального усилителя (с запредельным CMRR) может не хватить.

Ну и никаких симметричностей никогда не будет и близко.
И частота (как правило) некратна, и нагрузка меняется, и на вход к шим-регулятору никто не будет подавать идеальное постоянное напряжение (это бессмысленно, в основном).

[antontsau.livejournal.com]

Сложно. Оно же должно быть синхронно с внешней сетью а не с неким входным сигналом. Поэтому все равно надо все в цифре гонять, прямо начиная с измерителя что там в сети делается... ну и все, никаких физических синусоид нигде и нет. Есть некий задатчик цифрового образа, синхронизирующийся с некоей оценкой (а не физически!) сети... даже так это все при подключении например параллельно к дизелю прекрасненько взрывается, был у меня случай выгорания всей силы в пытавшемся рекуперировать лифтовом инверторе, на очччень большую сумму. А если бы там еще и аналоговые сигналы как-то бродили, как-то неведомо как настроенные, то оно бы вообще не жило не то что от дизеля а и от включенной в щиток вот такенной выпрямительной сварки, срущей на всю сеть от своей китайской души.

Так в том и дело, что в сети нафиг не нужны никакие 100дб, на синусоиду похоже ну и ладушки, переварится.

А остальное да, это и означает, что в инверторах, даже игбт высокочастотных шимах, срача будет довольно много. Но всем пофиг.

[nivanych.livejournal.com]

> синхронно с внешней сетью

Тогда можно вусмерть уфильтровать напряжение этой внешней сети (обратить внимание на возможное смещение фазы) и использовать в качестве эталонного.
Заострю внимание — в этом случае, фильтрация не силовая, что значительно проще.
Но хоть и не силовая, всё равно, фильтровать надо оочень аккуратно, что не элементарно, но вполне возможно.

При таком подходе, никакой рассинхронизации не произойдёт в принципе.

> на синусоиду похоже ну и ладушки, переварится

В европейских стандартах по гармоникам где-то так и задано ;-)
Идеальная синусоида почти никогда на практике и не нужна.
А там, где нужна, в любом случае, потребуется городить непростую схему.

И европейские нормы по гармоникам я считаю вполне разумными.
Даже чууть жестковато, на мой взгляд.

[antontsau.livejournal.com]

брать с собственного выхода плохо получается - оно эталонное до тех пор пока сам инвертор не начал туда что-то вливать, вот тут и возникает непонятно какая (зависит от погоды на марсе - наличия всяких реактивных нагрузок, внутреннего сопротивления и тп) обратная связь. Так что пытаются как-то виртуально симулировать, а потом ВНЕЗАПНО обнаруживают, что сеть-то оказалась малостабильна, не +-0.1гц, а кееек просело на пару герц (в дизельгенератор на 200квт резко включили какую-то фигню киловатт на 50) и фаза уползла быстрее, чем этот задатчик сместился.

[nivanych.livejournal.com]

> а кееек просело на пару герц

Идея в том, чтоб вот это самое, которое просело на пару герц, и брать в качестве эталонного, только пофильтровать его хорошенько.

Не знаю, можно ли это сделать чисто аналогово.
Может быть, можно, но надо крепко думать — линейная фильтрация тут работает хреново.

Но если не постесняться как следует измерять хорошим АЦП'шником, то можно сделать регулирование в цифровом виде.
А уж исполнить наилучшее синусоидальное приближение к этому самому, которое "просело на пару герц" —
запросто и для этого достаточно даже какой-нибудь ATmega8'и, а не то, чтоб STM32.

Ну там не совсем так просто будет, деталей много, но суть такая —
если надо с чем-то согласовываться, то получив это напряжение, согласоваться с ним запросто.
А если согласовываться не надо, то можно и просто самому генерировать хорошую синусоиду.

[sawely3.livejournal.com]

нет там никакой рекуперации.

[antontsau.livejournal.com]

вл80РРРРРРРРР!!! РРРРРекуперативный!!! Не говоря уж о современных поделиях.