Введение к работе
Актуальность работы. Внедрение автономных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в условиях континентального климата может обеспечить полным или частичным энергоснабжением небольшие поселки, жилые объекты, фермы, офисные помещения или малые цеха с целью развития инфраструктуры на удаленных территориях страны. В настоящее время разработка ВЭУ, перспективных для агропромышленного комплекса РФ, основана в целом на ряде инженерных подходов к проектированию отдельных компонентов, что свидетельствует об отсутствии научно обоснованной методологии разработки конструкции ВЭУ как единого целого. Оптимизация параметров установок затруднена в связи с наличием возмущений, вызванных взаимовлиянием компонентов друг на друга. Создание компонентов осуществляется разными производителями, что осложняет их сопряжение и монтаж. Эти факты являются крупной научной проблемой еще и в связи с тем, что вопросы разработки новых недорогих конструкций, а значит, и ускоренного освоения новых территорий решаются чрезвычайно медленно. Кроме того, с ростом энергодефицита и износом генерирующих мощностей централизованное энергообеспечение существующих и вновь возникающих автономных удаленных объектов становится еще более затруднительным.
Решение проблем проектирования оптимальных технологичных конструкций заключается в создании методологии разработки на основе системного научного подхода с применением совокупности методов и внедрении научно обоснованных технических, технологических и экономических решений. Методология позволит структурировать и логически организовать методы и средства оптимального проектирования. Такой подход имеет важное хозяйственное значение, а внедрение обоснованных решений вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее энергонезависимости и обороноспособности.
Ряд уникальных исследований, проведенных известными Российскими учеными в XX–XXI вв. (В.Н. Андриянов, П.П. Безруких, Д.Н. Быстрицкий, В.Р. Вашкевич, В.П. Ветчинкин, В.И. Виссарионов, Я.Б. Данилевич, Г.И. Денисенко, В.В. Елистратов, Н.Е. Жуковский, Е.И. Куклин, М.В. Кузнецов, В.А. Минин, Г.Х. Сабинин, Е.М. Фатеев, В.В. Харитонов, Я.И. Шефтер, Ю.Г. Шакарян и др.) позволяет утверждать, что данная проблема может быть с успехом решена в России.
Исследования, приведенные в диссертационной работе, трижды поддержаны международными грантами по программам финансирования гражданских научно–исследовательских работ оборонного комплекса России, осуществляемой Международным научно–техническим центром, г. Москва (2004–2010 гг.), трижды – Минобрнауки РФ, г. Москва (2009–2011 гг.), грантом РФФИ (2011 г.), четыре раза – грантами Администрации г. Челябинска (2009-2011 гг.), а также средствами инвестиционных, инновационных и венчурных проектов в области ветроэнергетики.
Цель работы: создание и реализация методологии разработки вертикально–осевых ветроэнергетических установок с дальнейшей оптимизацией, производством компонентов и установок в целом.
Задачи исследований:
– обосновать необходимость методологического подхода к разработке и созданию вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ВО ВЭУ);
– смоделировать и оптимизировать конструкцию ВО ВЭУ покомпонентно с целью получения максимальной выработки энергии;
– разработать технологические процессы изготовления компонентов ВО ВЭУ и методику вибробалансировки;
– провести экспериментальные исследования разработанных ВЭУ, в том числе измерения шума и вибраций;
– обосновать экономические и социальные перспективы массового использования малых ветроэнергетических установок на территории Российской Федерации;
– создать и внедрить семейство малых ВО ВЭУ автономного применения.
Объект исследования: вертикально–осевые ветроэнергетические установки с вновь разработанным модифицированным ротором Дарье.
Предмет исследования: эксплуатационные и конструктивные параметры вертикально–осевой ветроустановки и ее компонентов с учетом закономерностей их функционирования и наличия разнородных возмущающих факторов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается аргументированностью исходных посылок, вытекающих из основ физики, аэромеханики и электротехники, удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов и опытом эксплуатации.
Научная новизна: разработаны методологические основы создания вертикально–осевых ветроэнергетических установок. Научно обоснован системный подход при проектировании и оптимизации ВО ВЭУ с применением совокупности методов. Разработаны математические и физические модели ВО ВЭУ с целью оптимизации их параметров и режимов использования. Установлены закономерности влияния внешних и внутренних силовых воздействий, приводящих к возникновению шума и вибраций, разработана методика снижения уровня вибраций на основе оптимизации параметров ВЭУ в период разработки. Введено аэродинамическое регулирование частоты вращения ротора ВЭУ. Оптимизированы параметры генерирующей системы. Реализован алгоритм регулирования мощности ВЭУ.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Разработан и внедрен в производство ряд технологических процессов изготовления комплектующих, разработана и реализована методика предэксплуатационной статической и динамической балансировки роторов вертикально–осевых ВЭУ с целью снижения шума и вибраций.
Создано, испытано, внедрено и находится в опытной и коммерческой эксплуатации более 50 вертикально–осевых ветроэнергетических установок (ВО ВЭУ) с 3, 4 и 6–лопастными роторами мощностью от 0,1 до 30 кВт, предназначенных для работы в широком диапазоне скоростей ветра от 2 м/с до 45 м/с.
Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Южно–Уральский государственный университет» (г. Челябинск), ФГАОУВПО «УрФУ» (г. Екатеринбург), Государственном университете Северной Калифорнии (г. Беркли, США), в исследовательских программах Национальной Лаборатории Лоуренс Беркли (г. Беркли, США), в государственных проектах мэрии г. Сан–Франциско (США), мэрии г. Прайя (Кабо Верде) и т.д.
Рекомендации, сформулированные на основе научных положений, результатов и выводов, а также разработанные технологические процессы и методики используются рядом предприятий–производителей комплектующих (ООО «ГРЦ–Вертикаль», ОАО «Государственный Ракетный Центр, КБ им. Макеева», ОАО «КумАПП», Empire Magnetics, Inc. (США), WindSail, Inc. (США) и др.).
На базе ООО «ГРЦ–Вертикаль» создано опытное производство ВЭУ–3 (номинальная мощность 3 кВт). За 2009–2011 гг. реализовано свыше 20 коммерческих установок, показывающих прогнозируемые результаты.
Внедрение результатов исследований.
В настоящее время в России и за рубежом на различных испытаниях и в опытной эксплуатации находятся следующие модификации разработанных ветроэнергетических установок: ВЭУ–0.1 (0,1 кВт, 2 шт), ВЭУ–1 (1 кВт, 4 шт), ВЭУ–3(4) (3 кВт, 1 шт), ВЭУ–3(6) (3 кВт, 5 шт), ВЭУ–5(6) (5 кВт, 1 шт), ВЭУ–30(6) (30 кВт, 1 шт).
Рекомендации и проекты изменений ряда ГОСТ и стандартов организаций по ветроэнергетике переданы в ЗАО «НПЦ Малой Энергетики», г. Москва.
Положения, выносимые на защиту.
– Методология разработки и создания ВО ВЭУ на основе поэтапной итерационной оптимизации параметров компонентов.
– Общие принципы построения математических моделей компонентов ВЭУ с учетом внешних и внутренних возмущающих факторов.
– Система аэродинамического регулирования ВО ВЭУ.
– Система регулирования мощности ВО ВЭУ.
– Технологические процессы изготовления лопастей и генератора ВО ВЭУ.
– Методика вибробалансировки.
– Семейство ВО ВЭУ с модифицированными роторами «Дарье».
– Обоснование экономических и социальных перспектив массового внедрения ВО ВЭУ в экономику Российской Федерации.
Апробация работы: разработки награждены двумя дипломами конкурсов разработчиков РФ, четырьмя дипломами лучших проектов РФ, двумя медалями за участие в региональных международных выставках. Разработки получили положительную оценку на четырех НТС различного уровня, включая областной, региональный и федеральный (Минэнерго РФ, Минобразования РФ), пяти межведомственных и международных совещаний в России, Финляндии, США.
Результаты работы были доложены, рассмотрены и одобрены на 16 научно–практических конференциях регионального, российского и международного уровня, в том числе: на совещании в Министерстве Энергетики РФ о внедрении ВЭУ с водородными накопителями в ряде регионов Российской Федерации, 2009 г.; 21–ом научном форуме Международного научно–технологического центра, г. Пусан, Ю.Корея, 2009 г.; Международном совещании комитета ООН по защите окружающей среды, посвященном развитию Африканских стран, г. Прайя, Кабо Верде, 2010 г.; научной сессии Академии электротехнических наук РФ по проблемам «Нетрадиционные и возобновляемые источники электроэнергии», г. Москва, 2010 г.; Международной энергетической конференции «Технологическая основа формирования новой энергетики России» в Московской школе управления Сколково, г. Москва, 2010 г.; Международном форуме инноваций России, Лаппеенранта, Финляндия, 2010 г.; ежегодных (2007- 2011 г.г.), научных конференциях Южно–Уральского государственного университета, г. Челябинск и др.
Соискатель является членом Комитета по проблемам использования ВИЭ РосСНИО (Россия), членом научного совета международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология» (Россия), консультантом по альтернативным источникам энергии Уэйнского Государственного Университета (Детройт, США), экспертом по возобновляемым источникам энергии Национальной Лаборатории Лоуренс Беркли и Университета Северной Калифорнии (Беркли, США), экспертом Центра Стратегии республики Кабо Верде, экспертом Инновационного центра «Сколково», экспертом ОАО «НИИЭС» (Русгидро), членом редколлегии научно–технической редакции «ACTA Press» (Калгари, Канада), экспертом 7-ой Рамочной Программы Евросоюза и т.д.
Личный вклад: выносимые на защиту результаты получены соискателем лично. В опубликованных совместных работах постановка и исследование задач осуществлялись совместными усилиями соавторов при непосредственном активном участии соискателя.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 52 научных работы в центральных, региональных и международных журналах, в том числе 29, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ. Выпущена 1 монография. Издано 2 учебных пособия. По теме исследований на 7 разработок получены патенты, 1 ноу–хау.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложенных на 428 страницах машинописного текста, содержит 100 страниц приложений, 159 рисунков, 29 таблиц, список используемой литературы из 239 наименований.
