Полный текст

Введение. Ветроэнергетика является одной из быстро развивающихся отраслей мировой энергетической промышленности [1]. Особенно быстрый рост наблюдается в Китае и США [2]. Значительные достижения в этой области также за последние 5 лет показывают Индия, Бразилия, Румыния и ряд стран Африки [3]. В России ветроэнергетика пока не получила широкого развития по ряду причин (наличие крупных месторождений углеводородов, превалирующее развитие тяжелой промышленности и т.д.). Тем не менее, потребность в устройствах на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) ощущается во всех отраслях промышленности. Даже нефтегазовые корпорации вовлечены в разработки ВИЭ: ОАО «Газпром» исследует варианты применения ветроэнергоустановок (ВЭУ) для использования в насосном оборудовании, ОАО «ЛУКОЙЛ» заинтересован в организации автономного энергоснабжения заправочных станций с использованием ветросолнечных энергокомплексов. Ряд исследований в области ВИЭ проведен членами ракетно-космической корпорации. В частности, НИИ космического приборостроения исследовал варианты применения ВЭУ в арктических условиях для энергоснабжения аппаратуры ГЛОНАСС и GPS [4]. Бурное развитие ветроэнергетики традиционно происходит в основном в диапазоне мегаваттного класса с единичной мощностью 1-10 МВт, где применяются все последние достижения самолетостроения. Однако с экономической точки зрения этот подход неудачен [5]. Рассуждая о влиянии уровня мощности и/или массо-габаритных характеристик на себестоимость, необходимо отметить, что производство малых ветроустановок является более выгодным, чем крупных. Это утверждение поясняется следующим примером сравнения различных по мощности горизонтально-осевых (ГО) ВЭУ. Если взять 100 установок с диаметром 10 м и 1 установку с диаметром 100 м, то их совокупные ометаемые площади будут равны (соответственно 100π×d2 = π×D2 или 100π×102 = π×1002). Масса ротора находится в кубической зависимости от его диаметра. Соответственно масса роторов всех малых установок будет меньше массы ротора одной крупной установки (100×m ~ 100d3 = 105 - порядок массы всех малых ВЭУ и M ~ D3 = 106 - порядок массы крупной ВЭУ). Очевидно, что масса одной крупной ВЭУ на порядок выше, чем 10 малых ВЭУ, что определяет ее более высокую себестоимость. Однако при этом надо сказать, что удельные эксплуатационные расходы на обслуживание малых ВЭУ выше, чем, например, установок мегаваттного класса. Тем не менее, очевидно, что одним типоразмером невозможно «закрыть» все энергетические проблемы, поэтому необходимо смириться с существующим многообразием ВЭУ по аналогии, например, с автопромом. Вертикально-осевые конструкции, работа которых основана на эффекте аэродинамической подъемной силы крыла, находятся среди перспективных направлений развития ветроиндустрии в связи со своими неоспоримыми достоинствами - независимостью работы от направления ветра, тихоходностью, высоким коэффициентом использования энергии ветра (коэффициентом мощности Ср) и низкими уровнями механических и аэродинамических шумов [6]. Однако отсутствие стройных теорий расчета компонентов и очевидные недостатки в массогабаритных характеристиках, а также дисбаланс серьезно сдерживают развитие этого относительно нового направления в ветроэнергетике [7]. В ходе проведения научно-исследовательских работ и частичных опытно-конструкторских разработок были получены следующие результаты в виде экспериментальных образцов вертикально-осевых ВЭУ (ВО ВЭУ) и автономно-сетевых гибридных ветросолнечных комплексов (рис. 1-4). Рис. 1. Трех- и четырехлопастные одноярусные и двухъярусные микро-ВЭУ номинальной мощностью 0,1-0,5 кВт и гибридные энергокомплексы (0,2-0,6 кВт) Рис. 2. Трех-, четырех- и девятилопастные многоярусные микро-ВЭУ мощностью 1 кВт Рис. 3. Четырех- и шестилопастные двухъярусные ВЭУ мощностью 3 кВт с размещением на парковках, зданиях и инженерных сооружениях (морской буй) Рис. 4. Шестилопастная ВЭУ мощностью 30 кВт в составе ветродизельного комплекса общей мощностью 90 кВт Краткая характеристика разработанных изделий: это ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения. Ротор типа «Дарье», одно- или многоярусный. Работа ротора основана на создании крутящего момента за счет аэродинамических (подъемных) сил. Лопасти сделаны из армированного стеклопластика с изготовлением опорного фланца и механизации крыла за одну формовку. Ограничение частоты вращения по верхнему пределу осуществляется за счет аэродинамического регулирования центробежными горизонтальными обтекателями, расположенными на траверсах. Генератор синхронный (вентильный) на постоянных магнитах NeFeB, отбор мощности производится на основе регулирования максимальной мощности за счет управления быстроходностью, инвертор покупной. Гибридные ветросолнечные комплексы укомплектованы солнечными модулями номинальной мощностью 100-300 Вт и гибридной системой управления энергопотоками. Типовая схема наиболее востребованной двухъярусной шестилопастной ветроэнергоустановки приведена на рис. 5. Рис. 5. Базовая схема ветроэнергетической установки В процессе проведения глубоких научно-исследовательских работ по разработке экспериментальных образцов и их опытной эксплуатации был выявлен ряд преимуществ и недостатков конструкций. Выявленные преимущества: - работа ВЭУ не зависит от направления ветра; - старт при малых ветрах до 2 м/с; - начало выработки электроэнергии при скорости ветра с 3 м/с; - низкий уровень шумов (в сравнении с аналогами); - наличие аэродинамической стабилизации (ограничения) частоты вращения. Выявленные недостатки: - наличие ряда резонансов собственных тонов колебаний и дисбаланса ротора (возможные причины: заводской брак, отсутствие овальности несущих колец, отклонение лопастей от вертикали, наличие неоднородностей в материале комплектующих); - лопасти могут разрушаться в местах крепления к несущей конструкции за счет знакопеременных колебаний; - аэродинамические регуляторы работают не синхронно, за счет чего появляется дополнительный дисбаланс ротора; - система механического торможения не эффективна; - масса комплектующих слишком завышена в связи с проведенными расчетами на буревую скорость ветра 60 м/с; - стоимость инверторов высока в связи с малыми объемами потребления. В период 2010-2014 гг. была проанализирована себестоимость комплектующих наиболее востребованной по данным маркетологов экспериментальной ВЭУ-3 мощностью 3 кВт (в ценах тех же лет) с учетом выполненных работ и оказанных услуг (базовая типовая комплектация) (табл. 1). Таблица 1 Себестоимость комплектующих экспериментальной ВЭУ Компонент Количество в комплекте Цена за ед., руб Цена за комплект, руб Лопасть 4-6 2500 4500-6000 Ступица 1 21 000 21 000 Кольцо несущее 1 14 000 14 000 Аэродинамические регуляторы 3 7000 21 000 Обтекатели 3 1500 4500 Окончание табл. 1 Компонент Количество в комплекте Цена за ед., руб Цена за комплект, руб Стяжки ротора 15 300 4500 Генератор 1 110 000 110 000 Мачта 12 м 1 50 000 50 000 Регулятор мощности 1 26 000 26 000 Аккумуляторные батареи 55-200 А-ч - - - Инвертор 1 35 000-75 000 35 000-75 000 ИТОГО: 290 000-330 000 Основные характеристики наиболее востребованных ВЭУ приведены в табл. 2. Таблица 2 Характеристики экспериментальных ВЭУ ВЭУ ВЭУ-0,5 (0,5 кВт, 3 лопасти) ВЭУ-3(6) (3 кВт, 6 лопастей) Генерация электроэнергии, кВт-ч в месяц на скорости ветра (ориентировочно): кВт-ч в месяц кВт-ч в месяц - 4 м/с (9 миль/с или 14 км/ч) 34 180 - 5 м/с (11 миль/с или 18 км/ч) 64 360 - 6 м/с (13 миль/с или 21 км/ч) 122 540 - 8 м/с (18 миль/с или 28 км/ч) 272 1152 - 11 м/с (24 миль/с или 40 км/ч) 440 2376 Диаметр ротора, м 2,0 3,4 Высота ротора, м 1,5 4,0 Количество лопастей 3-4 3-4-6 Материал лопастей усиленный стеклопластик усиленный стеклопластик Номинальная мощность, Вт 500 3000 Номинальная скорость ветра, м/с 11 11 Скорость ветра стартовая, м/с 1,5 2,0 Выходное напряжение, В пост.тока 24VDC 48VDC Аэродинамическое регулирование нет да Шум в 50 м от ВЭУ на скорости ветра 8 м/с 20-30 dB(A) 20-45 dB(A) Защита от буревого ветра - аэродинамическое регулирование Генератор магниты NeFB магниты NeFB Масса ротора, кг 55 250 Мачта (с растяжками), м 0-2 12-16-20 Результатом разработок явился мощностной ряд вертикально-осевых ветроэнергоустановок 0,1-30 кВт, а результатом проведенных исследований стали вышеуказанные достоинства и недостатки, которые выявили новые задачи, обозначенные ниже. Решения конструкторских проблем тесно связаны с исследованием экономических показателей. Ниже приведены задачи, которые предстоит решить помодульно с учетом соответствующих технико-экономических требований и принятием соответствующих мер безопасности. Модуль: ротор (рис. 6). Задача - снизить массу изделия с сохранением или увеличением прочности. Рис. 6. Ротор и ступица ВЭУ-3 Возможные материалы и технологии исполнения: - облегчение ступицы; - аэродинамическое регулирование лопастей; - создание несущей конструкции в виде кольца или шестигранника; - исключение всех возможных растяжек для снижения сопротивления; - замена горизонтальных траверс с аэродинамическими регуляторами и обтекателями на траверсы овальной (аэродинамической) формы в сечении; - создание кожуха генератора в виде овальной формы; - сглаживание поверхности всех выступающих элементов для исключения ультразвука. Модуль: генератор (рис. 7). Задача - снизить массу и себестоимость. Возможные варианты и технологии исполнения: - тихоходный синхронный (вентильный) генератор с осевым (аксиальным) зазором (дорогой в связи с высокой стоимостью магнитов); - асинхронизированный синхронный генератор; - тихоходный синхронный (вентильный) генератор с радиальным зазором; - быстроходный синхронный (вентильный) генератор с мультипликатором (планетарный редуктор, редуктор на вихревых токах Фуко и т.д.). - доработать кожух генератора в части охлаждения и фильтрации подаваемого воздуха. Рис. 7. Генератор ВЭУ (схема, внешний вид и вид якорной обмотки) Модуль - регулятор мощности ВЭУ. Задача - улучшение программного обеспечения. Возможные варианты и технологии покомпонентного исполнения: - система интеллектуального отбора мощности от ВЭУ; - система заряда-разряда аккумуляторных батарей; - интеллектуальная система определения параметров локальной сети; - система стохастического анализа и прогнозирования. Модуль: регулятор мощности гибридного ветросолнечного комплекса. Задача - улучшение программного обеспечения. Возможные варианты и технологии функционального исполнения: - система интеллектуального отбора мощности от ВЭУ; - система интеллектуального отбора мощности от СМ; - система заряда-разряда аккумуляторных батарей; - интеллектуальная система определения параметров локальной сети (опционально); - система стохастического анализа и прогнозирования (опционально); Основы регулирования. При расчете ветроэнергоустановки мощность ветрового потока, проходящего через площадь ометания ветроколеса, вычисляется по формуле [8]: P = Ср·0,5·ρ·S·V3, (1) где P - мощность, Вт; ρ - плотность воздуха, 1,23 кг/м3; S - площадь ометания ротора м2; V - скорость ветра, м/с. Главная аэродинамическая характеристика: график коэффициента мощности Cp от быстроходности Z (отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра) для ВЭУ-3(6) приведен на рис. 7. Линейная скорость лопасти выше скорости ветра (в данном случае в 2,1 раза). Ср Ср(TSR) Z Рис. 7. График зависимости коэффициента мощности Ср (коэффициента использования энергии ветра КИЭВ) от быстроходности Z Задача регулирования заключается в поддержании максимального Ср (а значит, оптимальной быстроходности Z) за счет нагружения-разгружения генератора с помощью нагрузки. Схема соединений ВЭУ-3(6) показана упрощенно (рис. 8). Выход Блок управления Генератор АКБ Схема управления RS-232 GND TX RX Рис. 8. Схема соединений ВЭУ, упрощенная 1. Разработка ряда профилей лопастей 1.1. Расчет характеристик каждого профиля 1.2. Экспериментальное определение характеристик 1.3. Выбор оптимального профиля лопастей и сравнение результатов 3. Расчет напряженно-деформированного состояния и АЧХ ротора 2. Разработка ротора, патент, поиск 2.1. Расчет характеристик ротора 2.2. Экспериментальное определение характеристик 2.3. Сравнение результатов расчетных и экспериментальных 4. Расчет вибраций, разработка вибробалансировки ротора 8. Доработка эргономики, технической эстетики, создание серийного производства Результат удовлетворительный 5. Разработка генератора 6. Разработка контроллера 7. Производство образцов, полевые испытания, балансировка Результат удовлетворительный Нет Да Нет Да Рис. 9. Структурная схема методологии разработки компонентов ВО ВЭУ Заключение. На схеме методологии разработки компонентов ВО ВЭУ (рис. 9) наглядно демонстрируется, каким образом происходит отбор лучших моделей и идей для совершенствования ВЭУ и внедрения новых комплектующих в конструкцию [9, 10].

Об авторах

Е. В Соломин

Южно-Уральский государственный университет

Е. А Сироткин

Южно-Уральский государственный университет

Е. Е Соломин

Южно-Уральский государственный университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 21

PDF (Russian) - 51

Ссылки

• Ссылки не определены.