Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследований 13
1.1. Перспективы развития ветроэнергетики 13
1.2. Анализ экспериментальных исследований ветроэнергетических установок 19
1.2.1. Экспериментальные исследования ветроэнергетических установок в лабораторных условиях 22
1.2.2 Экспериментальные исследования ветроэнергетических установок в натурных условиях 28
2 Обоснование констуктивно-компоновочной схемы ВЭУ 33
2.1 Геометрические размеры и форма - ротора ВЭУ со спиральными лопастями 33
2.1.1 Геометрическая модель ротора исследуемой ВЭУ 34
2.1.2 Форма профиля лопасти 37
2.1.3 Угол установки лопасти 43
2.2 Классификация ВЭУ малой мощности и место ВЭУ со спиральными лопастями 48
3. Экспериментальные исследования вэу со спиральными лопастями 55
3.1 Описание аэродинамического стенда СПбГПУ 55
3.1.1 Конструктивные особенности аэродинамической трубы (AT) 55
3.1.2 Аэродинамические особенности AT 57
3.2 Методики проведения испытаний и контрольно- измерительная аппаратура 58
3.2.1 Методика энергетических исследований ВЭУ со спиральными лопастями 58
3.2.2 Методика аэродинамических исследований ВЭУ со спиральными лопастями 62
3.3. Результаты исследований ВЭУ со спиральными лопастями...64
3.3.1 Результаты энергетических исследований 64
3.3.2 Результаты аэродинамических исследований 73
3.4 Оценка погрешностей измерений и вычислений 83
4. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований и предложения по новым конструктивно-компоновочным решениям ВЭУ 94
4.1 Методика оценки воздействия ветрового потока на элемент лопасти ВЭУ со спиральными лопастями 94
4.2 .Анализ экспериментальных результатов 108
4.2 Предложения по конструктивно-компоновочным решениям ВЭУ со спиральными лопастями 110
Заключение 113
Список использованной литературы 115
Приложение 127
- Анализ экспериментальных исследований ветроэнергетических установок
- Классификация ВЭУ малой мощности и место ВЭУ со спиральными лопастями
- Методики проведения испытаний и контрольно- измерительная аппаратура
- Предложения по конструктивно-компоновочным решениям ВЭУ со спиральными лопастями
Введение к работе
В настоящее время развитие энергетики большинства стран мира базируется на использовании традиционных ископаемых видов топлива. Дальнейшее развитие энергетики в этом направлении в долгосрочной перспективе будет сдерживаться экологическими, ресурсными и социальными ограничениями. Экологические ограничения обусловлены стремлением мирового сообщества ограничить, а в перспективе и снизить выбросы углекислого газа и других вредных выбросов в окружающую среду. Ресурсные ограничения связаны с исчерпаемостью традиционных видов топлива уже в обозримой перспективе. Социальные ограничения обусловлены, нежеланием больших масс людей жить в ухудшающейся окружающей среде. Наличие этих объективных сдерживающих ограничений привело в настоящее время к широкомасштабному развитию возобновляемой энергетики как в промышленно развитых, так и в развивающихся странах.
Возобновляемая энергия существует в окружающей среде постоянно и не требует специальных затрат на свое высвобождение. Прогноз развития возобновляемых источников энергии (ВИЗ) показывает, что их доля в мировом балансе энергопотребления к 2030 году может составить до 20% (без учета крупной гидроэнергетики). При этом необходимо интенсивное и гораздо более широкое внедрение ВИЗ, так как каждый новый источник требует от 30 до 50 лет для того, чтобы его доля в общем энергобалансе возросла с 1 до 10% [33].
Сегодня во всем мире наблюдается интенсивный прирост мощности возобновляемой энергетики. Немаловажным фактором ее опережающего развития в различных странах, независимо от их размеров, географического положения, экономического состояния и ресурсной базы энергетики, являются экологические преимущества возобновляемых источников и постоянно развивающиеся технологии повышения
экологической безопасности установок на основе ВИЭ. Во многих странах происходит выравнивание стоимости энергии традиционных источников и ВИЭ, прежде всего, в связи с ужесточением экологических требований и повышения стоимости энергии традиционных электростанций, особенно угольных. Между тем, стоимость оборудования возобновляемой энергетики непрерывно снижается за счет технологического совершенства.
Учитывая суммарную кинетическую энергию ветрового потока в приземном слое Земли, оценивающуюся величиной порядка 19,6-1010 МВт, важное значение приобретают научные разработки, направленные на вовлечение этого энергетического потенциала для полезного использования его различными потребителями [31].
Современный период характеризуется высокими темпами освоения мирового ветроэнергетического потенциала. Так, на конец 2005 года общая установленная мощность ветроэлектрических станций (ВЭС) в мире составила 60 ГВт (в Европе — 40,8 ГВт). Бурное развитие мировой ветроэнергетики сделали ветроэнергетические установки (ВЭУ) конкурентоспособными по отношению к традиционным источникам энергии. Оценка мирового ветроэнергетического рынка составляет сейчас около 11 млрд. долларов в год. К 2012 году суммарная установленная мощность ВЭС в мире должна составить 160 ГВт, к 2020 году — 1200 ГВт, а к 2040 году — до 3100 ГВт [33].
Лидерами по введенной мощности ВЭС в 2005 г. стали следующие страны: США (2431МВт), Германия (1808 МВт), Испания (1764 МВт), Индия (143 МВт), Португалия (500 МВт) и Китай (4998 МВт). Странами с наибольшей суммарной установленной мощностью ВЭС на конец 2005 г. являются Германия (18 428 МВт), Испания (10 027 МВт), США (9149 МВт), Индия (4 430 МВт), Дания (3 122 МВт). Италия, Великобритания, Нидерланды, Китай, Япония, Португалия превзошли рубеж в 1000 МВт, считающийся в настоящее время необходимым для самоподдерживающего развития в стране [71]. В Дании уже произошел
переход ветроэнергетики на коммерческую основу. Однако, в Германии, Испании и ряде других стран эта отрасль развивается благодаря государственной поддержке.
Неоспоримое преимущество ветроэнергетики - отсутствие эмиссии парниковых газов. По данным EWEA, каждый млн. кВт/ч электроэнергии, вырабатываемый на ВЭУ, по сравнению с угольными станциями предотвращает выбросы: углекислого газа - 600-750 т, двуокиси серы - 5-8 т, окислов азота -3-6 т, золы - 40-70 т, пыли - 270-470 кг [81].
Дальнейшее развитие ветроэнергетики позволит решить проблемы качественного и надежного энергоснабжения удаленных и изолированных потребителей, а также снизит воздействие энергетики на окружающую среду.
Можно выделить следующие основные факторы определяющие ветроэнергетику как перспективное экологически чистое направление:
мировая ветроэнергетика развивается ускоренными темпами, опережая существующие прогнозы, что обусловлено ее экологическими и экономическими преимуществами;
цена производства энергии на ВЭС сопоставима с ценой от традиционных источников;
- в ряде государств (Германия, Дания, Испания, Индия)
ветроэнергетика превратилась в самостоятельную и значительную отрасль
электроэнергетики;
За последние десятилетия достигнут значительный прогресс в развитии технологий практического использования возобновляемых источников энергии. Это позволяет ожидать скорого преодоления все еще существующих технических и экономических барьеров на пути широкого коммерческого применения автономных источников на основе ВИЭ. Это прежде всего относится к регионам, где инфраструктура централизованного энергоснабжения отсутствует или недостаточно
развита.
Результаты исследований, проведенных в разных странах, показывают, что автономные энергетические установки, работающие с использованием ВИЭ, имеют благоприятные экономические перспективы для энергоснабжения потребителей, характеризующиеся следующими признаками [2]:
отсутствием связи с централизованными системами электро- и теплоснабжения, невозможностью или чрезмерно высокой стоимостью подключения к таким сетям;
высокой стоимостью завоза топлива для генерирования электроэнергии и тепла на месте;
благоприятными условиями для использования первичных возобновляемых источников энергии, прежде всего солнечной и (или)ветровой,
высокими требованиями к охране окружающей среды.
К первоочередным потенциальным потребителям, остро нуждающимся в автономных источниках энергоснабжения, можно отнести:
телекоммуникационные системы (ретрансляторы, сотовую связь и т.п.);
сеть мониторинговых станций (метеостанции, станции контроля на газопроводах, нефтепроводах, автомобильных и железных дорогах, линиях электропередачи и т.п.);
навигационные средства (маяки, сигнальные устройства и т.п.);
пограничные заставы, туристические объекты, объекты гражданской обороны и МЧС (в том числе лагеря беженцев, полевые госпитали и т.п.);
сельское хозяйство (ирригация и т.п.).
Большинству автономных потребителей энергии нужны небольшие мощности (от нескольких сотен ватт до нескольких десятков киловатт),
причем для многих из них стоимость энергоустановки не является главным фактором; наиболее важными оказываются показатели надежности, длительного ресурса, низких текущих эксплуатационных затрат. Этим требованиям отвечают автономные энергоустановки, работающие с использованием возобновляемых источников энергии, например ветроэнергетические установки.
В современных условиях существует необходимость в разработке новых видов технических систем преобразования энергии ветра и повышение эффективности уже существующих.
Актуальность темы диссертации определена исследованием и разработкой новой конструкции ВЭУ, имеющей спиральные лопасти, которая может быть использована для повышения надежности энергоснабжения удаленных и изолированных потребителей, что позволит снизить завоз топлива в эти регионы.
Целью диссертационных исследований является
экспериментальное исследование ветроэнергетической установки со спиральными лопастями для автономного потребителя.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
обосновать конструктивно-компоновочную схему ВЭУ со спиральными лопастями малой мощности;
разработать математическую модель срединной линии лопастей ротора;
уточнить на основе анализа существующих ветроэнергетических установок классификацию ВЭУ;
разработать методику экспериментальных исследований ВЭУ со спиральными лопастями в аэродинамической трубе замкнутого типа с открытой рабочей частью;
провести экспериментальные исследования ВЭУ со
спиральными лопастями на аэродинамическом стенде;
провести теоретическое обобщение конструктивно-
компоновочной схемы ВЭУ со спиральными лопастями на основе
анализа результатов экспериментальных аэродинамических и
энергетических исследований.
Научная новизна работы заключаются в следующем:
Предложена новая классификация ВЭУ малой мощности.
Впервые проведены экспериментальные исследования ВЭУ со спиральными лопастями с получением всесторонних энергетических и аэродинамических характеристик.
Проведен теоретический анализ конструктивно-компоновочной схемы ВЭУ со спиральными лопастями.
На основе экспериментальных исследований предложена новая конструкция ВЭУ со спиральными лопастями (заявка на изобретение № 2006145494/06(049682)).
Личный вклад автора в решение проблемы. Диссертация является результатом законченных исследований автора, которые проводились им в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете. Приведенные в диссертационной работе результаты исследований были получены автором при разработке и решении задач по отдельным темам, заданиям и проблемам, в которых автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя и соисполнителя. Диссертационные исследования поддержаны грантом РФФИ N 06-08-00559.
Личный вклад автора определился разработкой модели ВЭУ со
спиральными лопастями; в проведении экспериментальных исследований
модели ВЭУ со спиральными лопастями в аэродинамической трубе; в
статистической обработке результатов эксперимента; в анализе
результатов эксперимента; в разработке усовершенствованной
классификации ВЭУ.
Достоверность результатов экспериментальных исследований, теоретических и методических обоснований, выводов и рекомендаций подтверждается использованием в разработках научно-обоснованных и проверенных экспериментальных и теоретических методов различных научных дисциплин.
Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований была обоснована перспективность использования ветровых энергоустановок в районах с децентрализованным энергоснабжением, уточнена и обоснована классификация ВЭУ малых мощностей, разработана методика исследования ВЭУ со спиральными лопастями, разработаны рекомендации по конструктивным изменениям ВЭУ со спиральными лопастями, с целью повышения ее эффективности.
Апробация работы Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных и республиканских конференциях, семинарах: «Молодые ученые - промышленности северо-западного региона» (Санкт-Петербург, 2004); 9-й Международный семинар «Российские технологии для индустрии. Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения», (Санкт-Петербург, 2005); «III международная конференция «Возобновляемая и малая энергетика -2006.», (Москва, 2006); «Вторая научно-техническая конференция «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии», секция «Малая, ветровая, приливная и другие виды возобновляемых источников энергии», (Санкт-Петербург, 2006). Экспериментальный образец ВЭУ со спиральными лопастями и результаты исследований экспонировались на международной выставке «Пятая международная специализированная выставка электротехнического оборудования и новых технологий в электроэнергетике. ЭлектроТехноЭкспо», (Москва, 2006).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 6 работ.
Основные положения диссертации выносимые на защиту;
Обоснование конструктивно-компоновочной схемы ВЭУ со спиральными лопастями.
Результаты экспериментальных исследований ВЭУ со спиральными лопастями.
Новые конструктивные решения, повышающие эффективность работы ВЭУ со спиральными лопастями.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы состоящего из 115 наименований. Работа изложена на 141 страницах, содержит 48 рисунков и 13 таблиц.
В первой главе приведены общие сведения по перспективам развития мировой и российской ветроэнергетики, дан анализ экспериментальных исследований ветроэнергетических установок.
Во второй главе приведены обоснование конструктивно-компоновочной схемы объекта исследований, математическая модель срединной линии лопасти, выбор аэродинамического профиля для лопастей установки, уточненная классификация ВЭУ малой мощности.
В третьей главе приведено описание экспериментальных средств исследования, аэродинамического стенда СПБГПУ и его характеристики. Приведены методики проведения экспериментальных исследований. Представлены основные результаты экспериментальных исследований и их анализ. Проводится оценка погрешностей измерений и вычислений.
В четвертой главе Приведено сравнение теоретических и экспериментальных результатов исследований ВЭУ, также дан их анализ. Предложена новая конструктивно-компоновочная схема ВЭУ со спиральными лопастями.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы по выполненной работе.
В приложении приведены: заявка на изобретение, уведомления о прохождении формальной экспертизы и уведомление о направлении заявки на экспертизу по существу, технико-экономические показатели ветростанций России, технические показатели малых ветроустановок, производимых в России, стоимость оборудования ветроэнергетики, изготовляемого в России, классификация ВЭУ по областям применения, назначению, управлению, структуре системы генерирования энергии и по виду ротора.
Анализ экспериментальных исследований ветроэнергетических установок
На стадии разработки ветроэлектрических установок большую роль играет научно-исследовательский этап. Разработки в этой области отечественной ветроэнергетики начал еще около века назад выдающийся русский ученый Н.Е. Жуковский (1847-1921), которым был основан крупнейший в стране научно-исследовательский институт, работающий в области аэрогидродинамики «Центральный аэрогидродинамический институт» (ЦАГИ). До конца 60-х годов в ЦАГИ проводились большие научные исследования в области ветроэнергетики. Теоретические исследования сочетались и дополнялись экспериментальными. Значительный вклад в развитие отечественной ветроэнергетики внесли работы Г.Х. Сабинина, В. Ветчинкина, М.О. Франкфурта, В. Волостных, К.П. Вашкевича, Е.М. Фатеева, И.Д. Могильницкого, Я.И. Шефтера, В.Н. Андрианова, Д.Н. Быстрицкого, В.Р. Секторова и других [21], [15-20], [82-86], [89-93] На основании этих исследований было разработано большое количество конструкций ВЭУ малой мощности (до 30 кВт), которые успешно эксплуатировались в сельском хозяйстве для подъема воды, электрификации небольших объектов, на метеостанциях и на других объектах.
В 1920 г. Н. Е. Жуковский сформулировал классическую теорию идеального ветродвигателя. В соответствии с его теорией максимально возможный коэффициент использования энергии ветра составляет 0,593. В 1931 году Г. X. Сабинин создал импульсную теорию идеального ветродвигателя. [84] По теории Сабинина максимальный коэффициент использования энергии ветра составляет 0,687. Эта разница вызвана тем, что при определении силы лобового давления потока на ротор рассматривались сечения в разных местах потока. По классической теории - в момент образования вихревого соленоида, по импульсной теории в том месте, где соленоид принял цилиндрическую форму и имеет площадь несколько большую, чем поверхность, ометаемая ротором. При сравнении этих двух теорий с экспериментальными результатами, оказалось, что при некоторых режимах работы ротора ближе к истине одна теория, при других режимах другая. За рубежом используется теория Бетца, которая практически повторяет теорию Е.Г. Жуковского, поэтому классическую теорию ветродвигателя у нас в стране иногда называют теорией Бетца-Жуковского [109].
В настоящее время выпускается довольно большая номенклатура ВЭУ малой мощности рядом предприятий России, в том числе: «Агрегат-Привод», НИЦ «ВИНДЭК», ММЗ «Вперед», ООО «Ветро-Свет», ГМКБ "Радуга", НПК "Ветроток", «Рыбинский завод приборостроения», ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», ООО «СКБ Спецремтекс», и др. В части теоретических и экспериментальных исследований ВЭУ малой мощности известны работы Бальзанникова М.И., Безруких П.П., Бреусова.В.П., Виссарионова В.И., Грибкова С.В, Евдокимова В.М., Евдокимова СВ., Елистратова В.В., Зуева Н.В., Кузнецова М.В, Лаврова B.C., Маслова Л.А., Мунина А.Г., Сидоренко Г.И., Стребкова Д.С. и др.
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований в области ветроэнергетики отражены в периодических изданиях ЦАГИ. В этих изданиях освещены следующие вопросы: Аэродинамическая теория ротора Г. X. Сабинина и методика построения относительных аэродинамических характеристик [82-86]. Регулирование ВЭУ выводом ротора из под ветра [82-86]. Теория регулирования ветродвигателя поворотом лопастей центробежно-пружинным регулятором [21]. Теория регулирования ветродвигателей поворотом лопастей аэродинамическими силами. Определение расчетных нагрузок ротора и расчет лопастей на прочность [90]. Анализ надежности функционирования ВЭУ. Исследование работы систем ориентации ротора на ветер. Исследование профиля лопасти ВЭУ [20]. Исследование проблемы повышения момента страгивания ротора [23]. Исследование устойчивости работы ветроэлектрической станции на сеть бесконечно большой мощности. Исследование перегрузочной способности ротора при регулировании поворотом лопасти и способы ее уменьшения [17]. Методы повышения достоверности результатов испытания моделей ротора в аэродинамических трубах [23]. Исследование работы ветронасосных установок [89-95] и др. Отметим следующие особенности проведенных в ЦАГИ исследований. Результаты теоретических исследований обычно подкреплялись экспериментом, поэтому рассматриваемая литература содержит очень ценные материалы экспериментальных исследований. При исследовании систем регулирования ВЭУ, как правило, приводится не только статическая модель, но и динамическая. ЭВМ в то время были недоступны, поэтому для облегчения ручного расчета и аналитических исследований многие соотношения упрощались, линиаризировались и т.п. Некоторые инженерные методики, которые предлагались для проектирования ВЭУ, были очень громоздкими из-за большого объема вычислений.
Большое значение имеют работы Е.М. Фатеева. В данных работах автор попытался систематизировать основные результаты экспериментальных исследований в области ветроэнергетики [89-95].
Значительные теоретические и экспериментальные исследования в области ветроэнергетики были проведены за рубежом в последние 20-30 лет. Успехи в научных ветроэнергетических исследованиях послужили базой для бурного развития ветроэнергетики за рубежом. В частности, в работе [109], рассмотрена математическая модель и методика для определения параметров системы регулирования выводом ротора из-под ветра; представлена аэродинамическая теория Бетца. В работе [102] рассматриваются вопросы устойчивости работы ветроэлектрической станции на сеть бесконечно большой мощности.
Большинство зарубежных работ посвящено установкам большой мощности [101], [103], [105], [112]. В последнее время значительное внимание уделяется оффшорным ВЭС и оффшорным испытательным ветрополигонам [111], [112], [115].
Серьезные современные экспериментальные исследования в области ветроэнергетики проводятся фирмами, производящими ВЭУ, и поэтому результаты таких исследований представляют значительный интерес. В ветроэнергетике экспериментальные исследования ВЭУ могут проводится в аэродинамических трубах или на ветроэнергетических полигонах [26]. В настоящее время физический эксперимент играет важную роль в исследованиях ветроэнергетических установок. Многие задачи, имеющие прикладной характер, могут быть с успехом решены численно. Однако в ряде случаев не удается предложить достаточно удовлетворительную математическую модель явления. Физический эксперимент дает возможность установить все действующие на тело силы и моменты и определить величины и направления скоростей потока. Поэтому использование физического эксперимента является наиболее надежным путем определения аэродинамических характеристик летательных аппаратов.
Техника аэродинамического эксперимента достаточно хорошо развита. Методы, применяемые при этом, очень разнообразны. Прежде чем систематизировать эти методы, напомним о принципе обращения движения, согласно которому силовая картина взаимодействия потока и обтекаемого тела не изменяется от того, набегает ли поток на неподвижное тело или само тело движется в неподвижной среде. Необходимо только, чтобы скорость движения тела в неподвижной среде и скорость потока в обращенном движении были равны друг другу.
В соответствии с принципом обращения движения методы исследования можно разделить на две группы: 1) методы, в которых осуществляется движение тела в неподвижной среде; 2) методы, в которых реализуется обтекание неподвижного тела подвижной средой. Прямолинейные движения тел в неподвижной среде могут быть осуществлены: при свободном падении; при использовании аэродинамических тележек; в летных испытаниях.
Криволинейные движения тел в неподвижной среде могут быть реализованы при помощи ротативной машины и в летных испытаниях.
Классификация ВЭУ малой мощности и место ВЭУ со спиральными лопастями
В настоящее время в Российской федерации принят ГОСТ Р 51990-2002 «Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Классификация». Настоящий стандарт разработан с целью нормативного обеспечения проектирования, производства и эксплуатации ветроэнергетических установок (ВЭУ). Положения стандарта направлены на упорядочение и единообразие требований к классификации ВЭУ. В настоящее время многие российские предприятия активно разрабатывают и осваивают производство ВЭУ различной мощности и назначения. Целью настоящего стандарта является установление единых требований к ВЭУ согласно их классификации. Настоящий стандарт отвечает потребностям народного хозяйства и направлен на развитие нетрадиционной энергетики как альтернативы использованию органического топлива при выработке энергии различных видов. Область применения. Настоящий стандарт распространяется на ВЭУ с горизонтально-осевыми ветродвигателями (ВД), предназначенные для преобразования кинетической энергии ветра в энергию других видов, и устанавливает основные признаки их классификации. Положения настоящего стандарта рекомендуются к применению объединениями и предприятиями, в том числе союзами, ассоциациями, концернами, акционерными обществами, межотраслевыми, региональными и другими объединениями независимо от форм собственности и подчинения, расположенными на территории Российской Федерации. Ветроэнергетические установки классифицируются: о - по виду вырабатываемой энергии; о - по мощности; о - по областям применения; о - по назначению; о - по признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ротора; о - по способам управления; о - по структуре системы генерирования энергии. ВЭУ в зависимости от вида вырабатываемой энергии подразделяют на две группы: механические и электрические.
Электрические ВЭУ, в свою очередь, подразделяют на ВЭУ постоянного и переменного тока. ВЭУ в зависимости от мощности подразделяют на четыре группы: а) большой мощности — свыше 1 МВт; б) средней мощности — от 100 кВт до 1 МВт; в малой мощности — от 5 до 99 кВт; г) очень малой мощности — менее 5 кВт. В зависимости от области применения механические ВЭУ подразделяют на две подгруппы: ветронасосные и ветросиловые согласно таблице 1 (см. прил. 4). Электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на три подгруппы: ветрозарядные, гарантированного питания и негарантированного питания согласно таблице 2 (см. прил. 4). Электрические ВЭУ переменного тока подразделяют по назначению, управлению и структуре системы генерирования энергии согласно таблице 3 (см. прил. 4). Общая схема классификации ВЭУ приведена на рисунке 2.10. Схемы классификации электрических ВЭУ переменного тока показаны на рисунках 2.11—2.13. Для классификации исследуемой ВЭУ требуется уточнение существующей классификации. 1. Класс агрегатов очень малой мощности (до 5 кВт) включают в себя широкий ряд установок с различными параметрами. В рамках данной классификации автором предлагается уточнение Ветроэнергетических Установок Малой Мощности (ВЭУММ): Микро ВЭУ - менее 1,5 кВт. Мини ВЭУ - от 1,5 кВт до 5 кВт. Микро ВЭУ это небольшие установки массы в основном до 60 кг и небольших габаритов - диаметром ротора, как правило, до 3,5 м, в 52 зависимости от эффективности использования энергии ветрового потока.
Данные установки могут стать как составляющей комплексного источника энергоснабжения, так и основой энергетики дачных участков, метеорологических постов, альплагерей, турлагерей, различной осветительной техники на нефтяных вышках, маяках, автострадах и т.д. Они легки в транспортировке и монтаже. Мини ВЭУ это установки уже более массивные и габаритные: массой до 450 кг (без учета мачты), диаметром ротора в основном до 5 м, в зависимости от эффективности использования энергии ветрового потока. Данные установки требуют более трудоемкого монтажа. Мини ВЭУ также могут служить, как в комплексе с другими источниками энергии, так и основным энергоисточником для коттеджей, турбаз и малых фермерских хозяйств. Отдельно также можно классифицировать ротор исследуемой ВЭУ по следующим признакам [6], [87] (см. прил. 5, рис. 4.1): Исследуемая ВЭУ классифицируется согласно выше изложенному однозначно по двум факторам: 1. По мощности: - Микро ВЭУ. 2. По признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ротора; - С переменной частотой вращения ротора. По всем остальным факторам эта установка является более универсальной: По виду вырабатываемой энергии: - может быть как электрической, так и механической установкой. По областям применения: - может быть как установкой ветрозарядной, гарантированного питания, так и негарантированного.
Методики проведения испытаний и контрольно- измерительная аппаратура
Целью энергетических исследований является определение рабочих и аэродинамической характеристик ВЭУ со спиральными лопастями. Для проведения этих исследований автором собрана электрическая схема, приведенная на рис 3.3. Данная схема позволяет при помощи регулирования нагрузки изменять режим работы ВЭУ со спиральными лопастями. При проведении энергетического исследования было использовано следующее оборудование: генератор ВГ-05(12)-04; частотомер 43-33; диодный выпрямитель; вольтметр; амперметр; реостат; соединительные провода; динамометр, микроманометр с наклонной трубкой; скоростная трубка; соединительные шланги. Вольтметр с цифровой индикацией, имеет точность измерения 0,01 В в диапазоне измерения от 0 до 20 В, и 0,1 В в диапазоне от 0 до 100 В. Амперметр с аналоговой индикацией, имеет точность измерения 0,005 А в диапазоне измерения от 0 до 0,75 А, 0,01 А в диапазоне измерения от 0 до 1,5 А, 0,02 А в диапазоне измерения от 0 до 3,0А, 0,05 А в диапазоне от 0 до 7,5 А, 0,1 А в диапазоне от 0 до 15 А. Реостаты на разных этапах эксперимента применялись в различных комбинациях с сопротивлением 4 Ом, 45 Ом, 75 Ом. Динамометр ДОР-3-0,1И с цифровым индикатором позволяет измерять усилие с точностью 0,01 кН. Микроманометр с наклонной трубкой дает возможность измерять с точностью 1 % давления от 2 мм вод.ст. Скоростная трубка позволяет измерять скорость и давление в потоке газа, при установке ее соосно потоку с точностью ±5. Для получения рабочей характеристики ВЭУ, определены мощность ветрового потока N0, полезная мощность Nm, передаваемая ветровым потоком на вал ВЭУ и частота вращения ротора: где: и- скорость ветрового потока, р- удельный вес воздуха, Ма- момент развиваемый на валу ВЭУ; со- угловая скорость вращения ротора; п-частота вращения ротора; R- радиус ротора; F- сила, противодействующая вращению корпуса генератора; /- плечо приложения силы. Скорость ветрового потока измерена при помощи микроманометра подключенного к скоростной трубке: где: С,- коэффициент качества скоростной трубки, Ат- показание манометра, т- масштаб микроманометра, у- удельный вес спирта в микроманометре Частота вращения ротора определяется по зависимости частоты тока выдаваемого генератором от частоты вращения его вала. Учитывается, что валы соосны и передача энергии производится непосредственно от ВЭУ к генератору. Частота тока определяется по зависимости: где /- частота тока, р - число пар полюсов.
Тогда получим: Эксперимент проведен в диапазоне скоростей от 0 до 18 м/с с шагом равным 2 м/с. Для построения рабочих характеристик, при каждой скорости ветрового потока определяется полезная мощность в зависимости от частоты вращения вала. Режимы работы ВЭУ устанавливались путем изменения нагрузки от холостого хода, до короткого замыкания на зажимах генератора. Для построения кривой максимальных мощностей в каждой градации скорости определены максимальные значения полезной мощности ВЭУ. Качество ротора определяется на основе аэродинамической характеристики. Данная характеристика представляет собой зависимости момента развиваемого на валу ВЭУ Ма и коэффициента использования ветра от числа модулей. Коэффициент использования энергии ветра определяется по отношению полезной мощности установки к мощности ветрового потока: Задачей аэродинамических исследований является измерение характеристик ветрового потока проходящего через установку. Значения скоростей и давлений в ветровом потоке определены пневматическим методом. В ходе планирования эксперимента, на основе предварительных продувок автором были выбраны основные сечения съема параметров и режимы работы ВЭУ. В выбранных сечениях и при расчетных режимах проведены измерения полей скоростей и давлений. В экспериментах было использовано следующее оборудование: шаровой зонд; микроманометры с наклонной трубкой; соединительные трубки; координатник; генератор ВГ-05(12)-04; частотомер; диодный выпрямитель; реостат; соединительные провода. Шаровой зонд позволяет измерять величину и направление вектора скорости по трем координатам, а также величину давления. Координатник позволяет перемещать шаровой зонд по оси трубы и в выбранном для эксперимента сечении. Точность перемещения шарового зонда по оси трубы составляет 1 см, а в сечении с точностью до 1 мм. На рис. 3.4 приведены основные размеры рабочей части трубы и расположение основных сечений.
Предложения по конструктивно-компоновочным решениям ВЭУ со спиральными лопастями
Согласно проведенным исследованиям модели новой ветроэнергетической установки предложен ряд конструктивных изменений в существующую конструкцию с целью повышения общей энергетической эффективности установки: 1. Опираясь на проведенный анализ угла установки лопасти (см. гл. 2.1.3) можно предложить установку лопастей, приводящую к обратному вращению ротора. Данный вариант установки лопастей позволит им работать под меньшими углами отклонения результирующего вектора набегающего потока от плоскости нормальной к срединной линии лопасти, что в свою очередь позволит повысить подъемную силу создаваемую лопастной системой, и как результат коэффициент использования энергии ветрового потока. 2. Анализируя результаты, полученные в ходе проведения аэродинамических исследований, и общего анализа конструкции, предложенной авторами патента №2218476 [74], предлагается внесение в конструкцию изменений. Изменения направленных на улучшение эффективности работы задних частей лопастей, и как следствие - на повышение общей эффективности всей установки. В исследуемой конструкции с наибольшей эффективностью работают передние части лопастей, а задние работают в зоне некоторого затенения. Предлагается подвести дополнительный поток воздуха, не взаимодействовавшего с лопастями внутрь ротора. С этой целью предлагается изменить конструкцию переднего подшипникового узла, сделав его проницаемым для ветрового потока. Проход для ветрового потока может быть организован через полую часть вала в переднем подшипниковом узле. Для повышения эффективности проникновения ветрового потока внутрь ротора на входе и выходе нового канала помещается конфузор и диффузор. 3. Для дополнительного повышения эффективности предлагается установка дополнительного концентратора потока, который жестко крепится на середине лопастей, вследствие чего вращается вместе с ними. Согласно проведенным исследованиям подобного рода конструкции повышают эффективность классической установки на величину до 30%. Конструкция концентратора потока, представляет собой диффузор с аэродинамической формой стенки, т. е. сечение имеет вид аэродинамического профиля крыла. 4. Для уменьшения влияния турбулизации потока дугой крепления, предлагается выполнить ее таким образом, что бы ее сечение имело хорошо обтекаемую аэродинамическую форму.
Предложенные конструктивные изменения отображены на рис.4.5. На данные изменения подана заявка на изобретение №2006145494/06(049682), получившей положительной результат формальной экспертизы и принятой на проведение экспертизы по существу.
