Введение к работе
Актуальность темы. В нашей стране значительная часть сельского населения проживает в зонах децентрализованного энергоснабжения. Энергоснабжение этих потребителей обеспечивается в основном дизельными электростанциями (ДЭС).
В частности, в Архангельской области имеется 57 ДЭС суммарной установленной мощностью ЗЗМВт. На обеспечение данных ДЭС в 2009 году израсходовано 105 млн. руб. из федерального бюджета, включая расходы на доставку 4910 тысяч тонн дизельного топлива.
Несмотря на высокую себестоимость энергии ДЭС в Федеральной целевой программе «Социальное развитие села до 2010 года» записано: «удаленность сельских поселений от центральных усадьб и районных центров предопределяет их автономное жизнеобеспечение». Таким образом, в ближайшем будущем альтернативы ДЭС для удаленных с/х потребителей нет. Вместе с тем использование ветродизельных комплексов (ВДК) позволяет снизить потребление топлива. Однако высокая стоимость сооружения ВДК (до 8000$ за 1кВт установленной мощности) ставит вопрос об экономическом обосновании их применения.
Для энергообеспечения с/х производств в большинстве случаев можно использовать в составе ВДК один или несколько ветроагрегатов (ВА) мощностью 15-30кВт. Однако в настоящее время в России разработаны и серийно производятся ВА мощностью до 5кВт. Агрегаты большей мощности существуют только в единичных экземплярах. Электрические схемы ВДК хорошо отработаны в РФ на серийных комплексах малой мощности. Данные схемы, которые состоят в основном из стандартных компонентов, можно применять и для более мощных ВДК.
Создание ветроагрегатов мощностью более 15кВт требует больших капитальных вложений и длительных испытаний. Вместе с тем производство ветроагрегатов мощностью до 5кВт налажено в России, накоплен опыт их монтажа и эксплуатации.
Таким образом, можно признать актуальным следующие направления исследований настоящей диссертации:
- поиск путей снижения стоимости сооружения ВДК,
обоснование эффективности электрических схем ВДК на основе стандартных компонентов,
поиск закономерностей внутри типорядов ВА для использования ветроагрегатов меньшей мощности в качестве моделей для создания ветроагрегатов большей мощности,
- создание отечественных В А мощностью 10-30кВт,
- экономическое обоснование применения ВДК для с/х потребителей в
зонах децентрализованного энергоснабжения.
Цель работы и задачи исследований. Основным критерием эффективности ВДК является себестоимость энергии. В связи с этим определена цель работы -
повышение экономический эффективности ВДК путем снижения себестоимости его энергии.
С некоторыми допущениями формулу определения себестоимости энергии можно привести к следующему виду:
Сі = Э( Свдк/Ки (1/Тс + кэ) 8760 - г Сдт/Кт) + г Сдт/Кт, (1)
где Э - экономия топлива, Свдк - удельная стоимость ВДК (стоимость 1кВт установленной мощности), Ки - коэффициент использования установленной мощности ВА, Тс - срок службы, который для ветроэнергетического оборудования может быть 15-20 лет, кэ - коэффициент эксплутационных расходов, г - удельный расход топлива ДЭС (0,3-0,5 кг/кВтч для малых ДЭС), Сдт - стоимость дизельного топлива, Кт - топливная составляющая в себестоимости энергии ДЭС (60-70% для отечественных ДЭС).
С использованием формулы (1) была определена критическая удельная стоимость ВДК - 250 тыс.руб/кВт, ниже которой использование ВДК становится экономически оправданным.
Из формулы (1) также следует, что необходимо снижать отношение Свдк/Ки (снижать удельную стоимость ВДК при сохранении энергетической эффективности). В рамках диссертации не ставилась задача разработки новых блоков электрической схемы ВДК. Предполагается использовать по возможности стандартные электронные блоки, которые имеют рыночную стоимость. На передний план ставится задача снижения стоимости В А, так как ВА является основным элементом ВДК, который влияет на стоимостные и энергетические параметры. Определение удельной стоимости В А (стоимость 1кВт установленной мощности В А) - это заключительный этап проектных работ.
С использованием формулы (1) было доказано, что существует оптимальная экономия топлива, которая обеспечит минимум себестоимости энергии ВДК.
Таким образом, для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать новый метод проектирования («метод типоряда»), который
может быть использован для аналитического исследования типорядов ВА и
определения стоимости ВА (традиционные методы проектирования были
отвергнуты, так как отличаются большой трудоемкостью и требуют большое
количество исходных данных),
с использованием «метода типоряда» выработать рекомендации по обеспечению заданного уровня энергетической эффективности в пределах типоряда ВА мощностью до 50кВт,
исследовать в аэродинамической трубе систему регулирования ВА уводом ветроколеса (ВК) в косой поток для выработки рекомендаций, повышающих энергетическую эффективность данной системы регулирования,
с использованием «метода типоряда» разработать методику обоснования конструктивных особенностей ВА по критерию минимума удельной себестоимости,
сформировать базу данных, которая необходима для расчетов удельной стоимости ВА и ВДК «методом типоряда»,
по результатам компьютерного моделирования определить эффективность конструктивных схем серийных В А мощностью до ЮОкВт (с использованием базы данных и разработанной методики),
разработать рекомендации по выбору единичной мощности ВА в составе ВДК и определить зависимость удельной стоимости ВДК от его мощности,
разработать новый метод расчета экономии топлива и на его основе создать методику оптимизации ВДК по критерию себестоимости энергии с учетом варианта электрической схемы ВДК (традиционный метод расчета экономии топлива был отвергнут, так как не учитывает потери энергии ВА в тот период, когда аккумуляторная батарея (АКБ) заряжена),
- по результатам оптимизации определить обоснованную экономию
топлива в ветровых условиях Северо-запада РФ, обосновать наиболее
эффективную электрическую схему ВА и разработать инженерную методику
проектирования ВДК,
- по результатам исследований разработать В А мощностью 30кВт и на его
основе предложить вариант электрической схемы ВДК для с/х потребителей
Северо-запада РФ.
Методы исследований в диссертации следующие.
-
«Метод типоряда» (разработан в рамках диссертации). Данный метод включает математический аппарат, который позволяет проводить аналитические исследования.
-
Испытания моделей в аэродинамической трубе и натурные испытания опытного образца ветроагрегата.
-
Метод компьютерного моделирования с использованием разработанных методик и программ.
4. Оптимизация (разработана программа оптимизации ВДК).
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
- разработан новый метод проектирования - «метод типоряда»
(преимущество «метода типоряда» перед традиционными методами
проектирования - уменьшение исходных данных, упрощение расчетов и
сокращение затрат на испытания опытных образцов),
аналитически доказан «закон пропорциональности», который в области проектирования ветроагрегатов позволяет исключить прочностные расчеты (данный закон позволяет: определять основные проектные параметры и нагрузки, конструировать силовые элементы, выбирать стандартные элементы, определять массогабаритные характеристики и стоимость),
аналитически определены степенные законы изменения быстроходности ВА от радиуса ветроколеса, которые позволяют решить проблему плохого страгивания безредукторных ВА мощностью менее 5кВт в слабый ветер и
проблему низкой аэродинамической эффективности ветроколеса при числах Рейнольдса менее 200000,
опытным путем обнаружено новое явления в аэродинамике ветроколеса (впервые установлено: характеристика момента поворота ветроголовки в косом потоке несимметрична при смещении влево или вправо оси ВК относительно оси поворотного устройства гондолы),
разработана методика поиска оптимальных компоновочных решений ВА по критерию минимума удельной себестоимости, которая может быть использована вместо оптимизации,
методом компьютерного моделирования опровергнут закон «куба-квадрата», который указывал на увеличение удельной стоимости ВА с ростом мощности,
разработан новый метод расчета экономии топлива ВДК, который позволяет учесть потери энергии ВА в тот период, когда аккумуляторная батарея (АКБ) заряжена,
по результатам оптимизации предложен новый критерий, который определяет экономически обоснованную экономию топлива ВДК, - суммарная площадь обметаемой поверхности ветроколес В А, приходящаяся на 1кВт средней мощности нагрузки потребления.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработана методика проектирования и конструирования ВА без расчета
на прочность,
- разработаны рекомендации по устранению резонанса опор ВА
мощностью 15-30кВт (подобная проблема была у некоторых отечественных ВА
мощностью 15-30кВт),
разработаны рекомендации по решению проблемы, которая возникает при использовании системы регулирования ВА мощностью более 20кВт уводом ВК в косой поток (проблема заключается в том, что момент, создаваемый весом флюгера, с увеличением мощности ВА возрастает быстрее, чем требуется для обеспечения регулирования),
разработаны рекомендации по решению проблемы плохого страгивания безредукторных ВА мощностью менее 5кВт в слабый ветер,
разработаны рекомендации по решению проблемы низкой аэродинамической эффективности ветроколеса при числах Рейнольдса менее 200000,
разработаны рекомендации по конструктивному исполнению системы регулирования ВА уводом ВК в косой поток для повышения энергетической эффективности данной системы,
разработан типоряд тихоходных генераторов мощностью от 0,5 до 40кВт с использованием деталей от асинхронных двигателей (генераторы данного типоряда отличаются минимальной себестоимостью),
разработаны рекомендации по выбору единичной мощности ВА в составе ВДК и варианта электрической схемы ВДК для обеспечения экономической эффективности,
определена экономически обоснованная экономии топлива ВДК в ветровых условиях Северо-запада РФ,
разработана инженерная методика проектирования ВДК для с/х потребителей в ветровых условиях Северо-запада РФ,
создан В А мощностью 30кВт, который может быть использован для создания ВДК мощностью до 200кВт.
Реализация и внедрение результатов работы. С использованием результатов исследований разработаны следующие изделия.
-
Ветроагрегаты мощностью 0,25, 1 и 2кВт по заказу компании ООО «Ветро-Свет», г. СПб (). Первые две модели производятся серийно.
-
Ветроагрегаты мощностью 1,5кВт и 30кВт по заказу компании НПО «Электросфера», г. СПб (). Данные ветроагрегаты находятся на производственных испытаниях.
-
Тихоходный генератор на постоянных магнитах мощностью 5кВт по заказу компании НПО «Электросфера». Данный генератор прошел производственные испытания. По результатам испытаний генератор рекомендован к серийному производству.
-
Тихоходный генератор на постоянных магнитах мощностью 2кВт по заказу компании 000 «Ветро-Свет». Данный генератор прошел производственные испытания. По результатам испытаний генератор рекомендован к серийному производству.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и конгрессах:
научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (СПб-Пушкин, 2005-2009гг.),
научной конференции молодых ученых «Роль научного обеспечения в реформировании АПК» (СПб 2000г.),
11-ой международной научной практической конференции «Мобильная и стационарная энергетика, энергообеспечение сельскохозяйственных процессов и объектов» (Москва 2002г.),
9- th International Conference «ECOLOGICAL ENERGY RESOURCES IN AGRICULTURE (LITHUANIA, Kaunas 2004),
5-ом и 9-ом международных семинарах «Российские технологии для индустрии IWRFRI» (СПб 2001 и 2005гг.),
4-той научно-практической конференции «Экология и сельхозтехника» (СПб-Пушкин 2005г.),
- International Scientific conference AGRICULTURAL ENGINEERING
PROBLEMS (Jelgava 2005r.),
11-th International Conference Institute of Agricultural Engieneering LUA, (Raundondvaris 2006),
международной научно-технической конференции «Перспективы и направления развития энергетики АПК» (Минск 2006г.),
5-й международной научно-практической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва 2006),
- международном агропромышленном конгрессе «Устойчивое развитие
сельских территорий страны и формирование трудового потенциала АПК в XXI
веке» (СПб 2008г.),
международном конгрессе 2009 «Крупный и малый бизнес в АПК: роль, механизмы взаимодействия, перспективы» (СПб 2009г.),
региональном научно-практическом семинаре «Современное состояние, проблемы и перспективы использования возобновляемых источников энергии» (Элиста 2009).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 32-х опубликованных работах (из них 9 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях) и одной монографии («Применение «метода типоряда» в ветроэнергетике» издательство СПбГАУ, 2009г.»). По результатам исследований оформлено 3 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 253 стр. машинописного текста, содержит 74 рисунка и 23 таблицы. Список использованных источников включает 138 наименований. Приложение состоит из 13 стр.
