Введение к работе
Актуальность. В настоящее время вопрос рационального использования энергетических ресурсов является одним из наиболее важных для экономики Российской Федерации. В конце ноября 2009 года Государственная дума РФ приняла закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышения энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Принятый закон, действующая в стране Государственная программа энергосбережения и повышения энергетической эффективности на период до 2020 года направлены на реализацию активно проводимой государством политики сбережения и рационального использования энергетических ресурсов – богатства нашей страны. К возобновляемым источникам энергии, на которые в настоящее время обращается пристальное внимание, относится ветер.
Ветроэнергетические установки, работающие в Европе и США, обладают, как правило, большой мощностью, имеют высокую цену. Серьезным недостатком установок пропеллерного типа является исключение из оборота прилежащей территории вследствие ультразвуковых колебаний. Кроме того, для большинства регионов России характерны среднегодовые скорости ветра до 5 м/с. Существующие установки рассчитаны на значительные ветровые потоки (8–10 м/с) и предназначены для использования, как правило, в приморских районах.
Известные методы проектирования ветроустановок ориентированы, в основном, на установки пропеллерного типа большой мощности. Широко исследована совместная работа ветроустановок и насосов различных типов. Установкам малой мощности с вертикальной осью вращения уделено меньше внимания, исследования посвящены отдельным их образцам. Не освещен вопрос выбора оптимальной структуры ветроустановки, работающей при слабом ветре, связь структуры с назначением ветроустановки и ее основными функциями. Актуальна проблема создания методов синтеза параметров этих ветроустановок при ограничениях на скорость ветра, габариты и массу устройства.
Существующая проблема определила цель исследования.
Цель исследования. Повышение эффективности ветроустановок, работающих при малых скоростях ветра, путем разработки научно обоснованной методики их структурного и параметрического синтеза.
Из цели следуют задачи исследования:
1. Исследование структурных и функциональных связей ветроустановок, создание их функционально-структурной модели.
2. Разработка методики структурного синтеза ветроустановок на основе функционально-структурной модели.
3. Синтез схем ветроустановок, отвечающих основным и дополнительным условиям синтеза.
4. Разработка методики параметрического синтеза ветроустановки малой мощности на основе математического моделирования динамики работы ветроустановки.
5. Проведение экспериментов с целью проверки адекватности разработанной математической модели и уточнения основных параметров ветроустановки.
Объект исследования – ветроустановки малой мощности.
Предмет исследования – методы проектирования ветроустановок малой мощности.
Методы исследования. Использовались методы теории механизмов и машин, функционально-структурного анализа, теоретической механики, прикладной аэродинамики, теории подобия.
Достоверность результатов основывается на применении известных теоретических положений фундаментальных наук, апробированных аналитических методов, подтверждается сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также сравнением полученных результатов с исследованиями других авторов.
Научная новизна результатов исследования:
1. Разработана функционально-структурная модель ветроустановок, основанная на классификации их по назначению, способу использования ветрового потока, переменности площади ветроприемника.
2. Создана методика структурного синтеза схем ветроустановок малой мощности на основе предложенной оригинальной функционально-структурной модели ветроустановок с учетом дополнительных условий синтеза – ограничений по скорости ветра и габаритам установки.
3. Синтезирован ряд новых структурных схем ветроустановок с вертикальной осью вращения с дополнительными поворотными решетчатыми элементами, имеющих повышенный коэффициент использования энергии ветрового потока при малых скоростях ветра.
4. Разработана методика параметрического синтеза схем ветроустановок малой мощности на основе созданной математической модели динамики движения лопастей ветроустановки, учитывающей раскрытие дополнительных поворотных элементов, переменность угла атаки, параметры решетчатой лопасти, и позволяющие реализовать основное условие синтеза – максимальный цикловой КПД ветроприемного устройства.
5. Получена аналитическая зависимость между массо-габаритными и кинематическими параметрами ветроустановки, которая позволяет рассчитать ее минимальные габариты.
6. Теоретически и экспериментально обосновано применение методики расчета решетчатых крыльев к расчету ветроустановки при динамическом синтезе ветроустановки с решетчатыми лопастями.
Практическая ценность работы:
– разработанные методики расчета использованы при проектировании ветроустановок малой мощности и выборе их параметров;
– предложенные конструкции ветроустановок с дополнительными поворотными элементами отличаются меньшей массой и габаритами и лучшими энергетическими характеристиками, чем существующие;
– экспериментальный стенд, защищенный патентом РФ, позволил выбрать параметры ветроустановки и служит прототипом для серийного изготовления установки;
– результаты исследования использованы в практике научно-производственных предприятий Удмуртской республики: ООО «УралТрейд», ООО «Редуктор».
На защиту выносится:
1. Функционально-структурная модель ветроустановок, позволяющая вести синтез наиболее рациональных схем ветроустановок.
2. Методика синтеза схем ветроустановок на основе функционально-структурной модели.
3. Ряд структурных схем ветроустановок с вертикальной осью вращения с дополнительными поворотными решетчатыми элементами.
4. Методика параметрического синтеза схем ветроустановок малой мощности на основе математической модели динамики движения лопастей ветроустановки.
5. Методика расчета минимальных габаритов ветроустановки с дополнительными поворотными элементами с использованием аналитической зависимости.
6. Методика расчета схемы ветроустановки с решетчатыми лопастями.
Апробация результатов исследования.
Основные положения диссертации обсуждались и докладывались на конференциях: «Исследование путей повышения долговечности и надежности деталей машин» (Владимир, 2005 г.), ХI научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Мордовского государственного университета имени Н. П. Огарева (Саранск, 2006 г.); выставке-сессии инновационных проектов (Ижевск, 2007 г.); Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2008 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (Томск, 2008 г.); Международной научно-практической конференции «Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экология, экономика, практика применения» (Улан-Удэ, 2008 г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2008 г.); научно-технической конференции «Математическое моделирование механических явлений» (Екатеринбург, 2009 г.); Всероссийских научно-практических конференциях «Научный потенциал – современному АПК» (Ижевск, 2009, 2010 гг.).
Результаты исследования использованы на ООО «УралТрейд» при разработке перспективных планов мелкосерийного производства, в том числе ветроэнергетической установки малой мощности для потенциальных потребителей Удмуртской Республики.
Публикации. Результаты исследования опубликованы в 1 патенте на полезную модель и в 15 статьях, из них 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из четырех глав, содержит список литературы из 134 наименований, из них 13 на иностранных языках, изложена на 140 страницах, содержит 47 рисунков, 13 таблиц.
