CC BY
14УДК 621.311
АВТОНОМНАЯ ИНТЕГРИРОВАННАЯ ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Я.Б. Данилевич, В.Н. Антипов, И.Ю. Кручинина, Ю.Ф. Хозиков,
А.В. Иванова, Б.Н. Миронов
Институт химии силикатов РАН, 199034 Санкт-Петербург, наб. Адм. Макарова, д. 2 тел./факс (812) 328-16-91, e-mail: [email protected]
В данной статье предложен вариант решения комплексной задачи производства и накопления водорода с последующим получением электрической энергии с помощью топливных элементов. Для решения задачи преобразования первичной энергии ветровых потоков проведены испытания опытных моделей ортогональных ветротурбин типа Дарье и карусельных с целью их интеграции в состав ветроэнергетической установки. Исходя из результатов исследований предложена безопасная в эксплуатации секционная вертикально-осевая ветротурбина с направляющими ветровой поток пластинами. Разработаны и созданы опытные модели низкооборотных синхронных генераторов для совместной работы с ветротурбиной без применения редуктора. Предложены решения, позволяющие на основе разработанных нанотехнологий создать опытную модель действующей ветроэнергетической установки для экологически чистого производства водорода с возможностью промежуточного хранения и последующего преобразования в электрическую энергию путем применения топливных элементов. Приведенные результаты исследований показывают возможность создания топливных элементов, образованных протонпроводящими каталитическими слоями, полученными по золь-гель технологии. Возможным применением разрабатываемых топливных элементов является их использование в качестве альтернативных энергоносителей для транспортных средств. Предложенная конструкция ветроэнергетической установки разработана с применением метода комплексного программно-аппаратного управления энергетическим режимом всего технологического процесса.
AUTONOMOUS INTEGRATED WIND-DRIVEN POWERPLANT WITH NANOSTRUCTURED MATERIALS FOR STORAGE AND TRANSFORMATION
OF ELECTRIC ENERGY
Ya.B. Danilevich, V.N. Antipov, I.Yu. Kruchinina, Yu.F. Khozikov, A.V. Ivanova, B.N. Mironov
Institute of Silicates Chemistry RAS, 199034 2, Adm. Makarov emb., Saint-Petersburg, Russia tel./fax (812) 328-16-91, e-mail: [email protected]
This paper presents a version of decision for a complex problem of hydrogen manufacturing and accumulation with following production of electric energy by means of fuel cells. Tests of orthogonal wind turbine models (Darrieus and rotor-type) are made for their integration into powerplant structure. On the basis of the researches results safe in operation section vertically-axial wind turbine with plates directing a wind stream is proposed. Tests models of slow-speed synchronous generators for joint action with a wind turbine without use of a reducer are developed and created. The decisions allowing on the basis of developed nanotechnologies to create test model of operating wind-driven powerplant for ecologically pure manufacture of hydrogen with an opportunity of intermediate storage and following transformation into electric energy by means of fuel cells are offered. The presented results show an opportunity to create fuel cells formed by proton conductive catalytic layers received on sol-gel technology. Possible application of developed fuel cells is their use as alternative energy resources for vehicles. The offered design of wind-driven powerplant is developed with application of the method of complex hardware-software management by a power mode of all technological process.
Введение
Традиционно энергетика базируется на невозоб-новляемых энергоресурсах, однако возрастающие экологические требования стимулируют изменения в структуре генерирующих мощностей. Актуальной задачей является активное использование возобновляемых источников энергии, в том числе - экологически чистой ветровой энергии в качестве первично-
го энергоносителя. Для обеспечения конкурентоспособности нетрадиционной энергетики необходимы научные разработки, направленные на повышение эффективности и удешевление новых технологий и образцов энергетического оборудования.
Перспективным направлением исследований является решение комплексной задачи производства и накопления водорода с последующим получением электрической энергии с помощью топливных эле-
ментов [1-3]. Для промышленного выпуска портативных топливных элементов требуется разработка нового поколения гибридных нанокомпозитных материалов, обладающих электронной и протонной проводимостью с необходимыми каталитическими свойствами для выработки и хранения электрической энергии [4-8].
Электроэнергия, используемая в процессе получения водорода методом электролиза, может стать дешевле за счет использования возобновляемого источника энергии - ветра [9]. С целью создания автономной интегрированной энергоустановки, состоящей из комплекта солнечных батарей, ветроэлектростанции (далее ВЭС) и аккумуляторов электроэнергии, проведены исследования генераторов и ортогональных вет-ротурбин различных конструкций. Для этих целей были изготовлены два типа масштабных моделей ортогональных ветротурбин с установленными параллельно валу лопастями: типа Дарье и карусельная с направляющими ветровой поток пластинами. Также проведены работы по изготовлению и испытанию опытных моделей низкооборотных генераторов мощностью до 10 кВт.
Работа выбранных типов ветротурбин не зависит от направления ветра. Ввиду этого отсутствуют механизмы и системы ориентации, что приводит в целом к упрощению конструкции и повышению ее надежности, а также максимальному использованию энергии ветрового потока, что связано с выполнением условия постоянной установки ветротурбины на направление ветра.
Исследование четырехлопастной модели ветротурбины типа Дарье
Рис. 1. Модель четырехлопастной ветротурбины типа Дарье Fig. 1. Model of a four-bladed Darrieus wind turbine
Для проведения предварительных исследований эффективности конструкции по показателям самозапуска, устойчивой работы в заданном диапазоне скоростей ветрового потока, возможности самостабилизации частоты вращения было изготовлено несколько моделей данного типа с различным профилем лопастей по методике специалистов предприятия ООО «Инвертор»
в г. Волгограде. На базе полученных данных изготовлена масштабная модель ветротурбины (рис. 1) для проведения испытаний в аэродинамической трубе (на площадке указанного предприятия).
Результаты испытаний в масштабной модели ветротурбины типа Дарье
Модель ветротурбины размещалась в зоне испытательной площадки аэродинамической трубы с выходным диаметром 3,2 м на расстоянии 3 м от плоскости выходной противотурбулентной решетки с ячейками 3x3 см. Измерения скорости потока производились с помощью анемометра, установленного в центре на расстоянии 50 см от наветренной части расположения края лопасти модели ветротурбины. Вал затормаживался при помощи регулируемого фрикционного устройства в комплекте с динамометром, что позволяло выполнить определение вращающего момента при заданной частоте вращения. Скорость вращения варьировалась за счет изменения скорости воздушного потока в интервале 1-10 м/с в аэродинамической трубе.
Технические данные и результаты испытаний модели ветротурбины:
Ометаемая площадь, м2 0,46
Диаметр ротора, м 0,66
Размах лопастей, м 0,32
Хорда лопасти, м 0,27
Число лопастей, шт. 4
Площадь лопасти, м2 0,015
Профиль лопасти плоский. Частота вращения ротора в пределах изменения скорости ветрового потока 32260 об/мин. Номинальная окружная скорость 1,5-6 м/с.
На рис. 2 представлены графики зависимости частоты вращения и развиваемой мощности от скорости ветрового потока.
Для изготовления лопастей ветротурбины была использована лента ГОСТ 1530-78 толщиной 0,8 мм (сталь 50ХФА, сортовой фасонный прокат).
Результаты натурных испытаний показали, что старт ветротурбины затруднен, требовалась начальная раскрутка до номинальной частоты вращения (30-35 об/мин) при скорости ветрового потока от 3 м/сек. После разгона при последующем уменьшении скорости ветрового потока до 2 м/сек ветротурбина плавно останавливалась.
При скорости ветрового потока свыше 9,5 м/с частота вращения вала уменьшалась до 130 об/мин. При больших скоростях и резких изменениях нагрузки на лопастях возникали срывы воздушного потока, что приводило к уменьшению крутящего момента и, как следствие, прекращению вращения. При этом падение частоты вращения сопровождалось значительными вибрациями лопастей, что при более долговременном проведении испытаний приводило к их разрушению. Для испытываемой модели оптимальное значение угла установки плоскости лопасти (по линии хорды) относительно вертикальной плоскости установки вала варьировалось в пределах 1-2. Исходя из результатов проведенных испы-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (72) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
таний, для изготовления лопастей можно рекомендовать материалы, произведенные по дорогой и сложной технологии, применяемой в авиапромышленности для изготовления вертолетных винтов.
300
Г200
; 100
8 10 Скорость ветра, м/с
180
140
3 100
60
20
8 10 Скорость ветраГ м/с
b
Рис. 2. Частоты вращения (а) и развиваемая мощность (b) ветротурбины Дарье Fig. 2. Rotational speed (а) and power output (b) of Darrieus wind turbine
Результаты испытаний ветротурбины выявили ряд недостатков, а именно: невозможность старта без предварительной раскрутки вала ветротурбины и резкое изменение частоты вращения при изменении скорости ветра или величины нагрузки. Ввиду явно выраженной нестабильности работы моделей ветро-турбины Дарье под нагрузкой предложена более эффективная конструкция секционной ортогональной карусельной ветротурбины с направляющими ветровой поток пластинами (рис. 3). По вертикали ветро-турбина разделена на секции с установленными между ними вихревыми экранами. Ориентация рабочих лопастей по отношению к ниже расположенным по вертикали составляет 15 градусов по окружности при условии установки шести лопастей в одной секции. Данная конструктивная особенность позволяет экранировать образующиеся в процессе вращения между секциями турбулентные потоки и получить равномерное распределение момента вращения оси привода вала генератора (рис. 4).
Рис. 3. Эскиз вертикально-осевой карусельной ветротурбины Fig. 3. Draft of a vertical-axis rotor-type wind turbine
Рис. 4. Схема распределения ветрового потока в одной секции карусельной ветротурбины
Fig. 4. Wind stream distribution diagram in one rotor-type wind turbine section
Конфигурация профиля принимающей нагрузку от ветрового потока рабочей лопасти рассчитана на воспроизведение оптимальных режимов работы. Координация управления всеми направляющими ветровой поток плоскостями обеспечивается центральным процессором, где на основании совокупности полученных результатов измерений и произведенных микропрограммой центрального процессора вычислений вырабатывается команда на соответствие величины оптимального угла установки каждой направляющей плоскости.
При силе ветра более 25-30 м/с центральный процессор отрабатывает команду на установку плоскостей параллельно направлению ветрового потока. Таким образом, происходит уменьшение парусности всей конструкции и изменение частоты вращения ветротурбины до безопасной. Важным преимущест-
0
2
4
6
a
0
2
4
6
ш
83
вом является способность ветротурбины воспринимать разнонаправленные низко расположенные ветровые потоки. При изменении режимов работы генератора и скорости воздушного потока повышение эффективности достигается путем оперативного изменения угла установки направляющих ветровой поток пластин.
Для проверки результатов расчетов были изготовлены различные масштабные модели ветротур-бин. Для испытаний работоспособности в ветровом
потоке использовалась одна секция каждой разновидности модели.
На рис. 5 приведены изготовленные для проведения испытаний различные модели ортогональной карусельной ветротурбины с направляющими ветровой поток пластинами.
Условия испытаний моделей ветротурбин были аналогичны приведенным условиям для модели типа Дарье. Результаты испытаний моделей ветротурбин сведены в табл. 1.
1 Ч «I
abc Рис. 5. Модели секции карусельной ветротурбины: а - шестилопастной, b - девятилопастной, c - восьмилопастной Fig. 5. Models of a section of the rotor-type wind turbine: a - six-bladed, b - nine-bladed, c - eight-bladed
Таблица 1
Параметры и результаты испытаний моделей карусельных ветротурбин при скорости ветрового потока 1-10 м/с *
Table 1
Parameters and test results of rotor-type wind turbine models under wind speed 1-10 m/c
Параметр Модель (число лопастей)
9 6 8
Номинальная окружная скорость, м/с 1,5-9 2-12 3-12
Ометаемая площадь, м2 0,25 0,15 0,12
Диаметр ротора, м 0,54 0,68 0,64
Ширина лопастей, м 0,052 0,053 0,033
Высота лопасти, м 0,47 0,37 0,27
Площадь лопасти, м2 0,024 0,019 0,009
Полученная скорость вращения ротора 9-278 16-460 12-370
Полученная мощность, Вт 0-292 0-320 0-223
* Профиль лопастей всех моделей - вогнутый аэродинамический.
На рис. 6, 7 представлены графики зависимости частоты вращения и развиваемой мощности от скорости ветрового потока.
Секционная ортогональная ветротурбина с направляющими ветровой поток пластинами состоит из трех одинаковых модулей, установленных последовательно по высоте (рис. 8).
400
; 300
i 200
100
s s
У
У
/ ✓
✓
6 8 10 Скорость ветра, м/с
— —8 лоп. 9 лоп. 6 лоп.
Рис. 6. Развиваемая мощность карусельной ветротурбины Fig. 6. Power output of the rotor-type wind turbine
500 400 300
е
jo 200
т100
а
ZT
. —□
г
/
/ У D - . □
/
гг^' * **
п-'
* 1 " а
в—
6 8 10 Скорость ветра, м/с
8 лоп. 9 лоп. 6 лоп.
Рис. 7. Частота вращения карусельной ветротурбины Fig. 7. Rotational speed of the rotor-type wind turbine
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (72) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
0
2
4
0
2
4
Для обеспечения режима доступа к узлам и агрегатам предусмотрена механическая система затормаживания вращения ротора ветротурбины с внешним доступом управления.
Конструкция ветротурбины рассчитана на ветровую нагрузку до 25-30 м/с и обладает системой электронной и механической стабилизации частоты вращения. Данный тип ветротурбины может использоваться для ветроэлектростанций в диапазоне мощностей 10-300 кВт. Эксплуатация ветротурбины является в целом безопасной, т.к. вращающиеся части расположены внутри конструкции. При разрушении элементов роторной части разлет фрагментов исключен за счет исполнения защитных функций внешне расположенных направляющих ветровой поток пластин и конструкции их крепления. Для изготовления лопастей не требуется больших материальных затрат, которые являются весьма значительными при изготовлении подобных элементов в их традиционном исполнении.
Генератор для ВЭС
Дисковые синхронные машины с постоянными магнитами находят все большее применение как перспективный тип машин.
Дисковый генератор предложенной конструкции обладает повышенной надежностью и безотказно-
стью в сравнении с традиционными типами электрических машин [10-11].
Для производства электроэнергии разработан синхронный низкооборотный генератор (рис. 9-11) [12-14] в комплекте с блоком электронного управления энергетическим режимом, который является неотъемлемой частью всего комплекса (патент на полезную модель № 70940 от 20.02.2008, заявка № 2007117517 от 10.05.2007) [15].
I
Рис. 9. Эскиз низкооборотного синхронного генератора мощностью 10 кВт Fig. 9. Draft of 10 kW power slow-speed synchronous generator
Рис. 10. Ротор низкооборотного генератора с постоянными высококоэрцитивными магнитами Fig. 10. Rotor of the slow-speed generator with high-coercivity permanent magnets
Рис. 11. Низкооборотный генератор для вертикально-осевой ВЭС Fig. 11. Slow-speed generator for vertical-axis rotor-type wind-driven powerplant
Количество и физический размер полюсов машины данной конструкции определяют как массогаба-ритные характеристики, так и мощность при заданном моменте и заданном диапазоне частоты вращения ротора.
Для испытания конструкции ветроэлектростан-ции изготовлена опытная модель многополюсного низкооборотного генератора с возбуждением от постоянных магнитов. Генератор выполнен с применением тангенциального расположения магнитов и предназначен для приводов с частотой вращения в диапазоне 150-400 об/мин.
Конструкция ротора На приводном валу ротора установлены два дюралевых кольца, между которыми размещены чередующиеся пакеты, набранные из листовой электротехнической стали, и блочные вставки постоянных магнитов в соответствии с числом полюсов машины. Блок магнитов набирается из отдельных элементов. Магниты намагничены тангенциально и таким обра-
зом, чтобы в каждой электромагнитной вставке создавался однонаправленный магнитный поток от смежных магнитов. Магниты изготовлены из сплава на основе М^еВ с остаточной индукцией Вг = 1,05Г и коэрцитивной силой Нс = 750 кА/м. Полученная конструкция с помощью дисков и втулок насаживается на вал ротора. Материал пакетов электротехнической стали ротора - холоднокатаная электротехническая сталь 2411. Число полюсов генератора - 40. Воздушный зазор - 3 мм. В пазах ротора с внешним диаметром 554 мм и длиной 104 мм размещаются постоянные магниты размерами 10*30*25 по 4 шт. в каждом пазу. Условия работоспособности генератора гарантируются при эксплуатации в температурном режиме окружающей среды от +40° С до -40° С и относительной влажности воздуха 98%. Максимальная допустимая температура магнитов 120° С.
Конструкция статора
Обмотка статора - концентрического типа. Ранее такие обмотки использовались для машин малой мощности, однако в последнее время они находят применение в многополюсных низкоскоростных вет-рогенераторах с постоянными магнитами. Концентрические обмотки отличаются простотой конструкции (намотка вокруг одного паза) и имеют преимущества перед петлевыми обмотками в первую очередь за счет более коротких лобовых частей, что ведет к снижению веса меди и повышению КПД. В концентрических обмотках число пазов на полюс и фазу q < 0,5, и при числе полюсов 2р > 18 они имеют обмоточный коэффициент порядка 0,95. Для выполнения уравновешенной трехфазной концентрической обмотки необходимо выполнить условие Z/НОД(2,2р) = 3к , где Z - число пазов, 2р - число пар полюсов, к - целое число, НОД - наибольший общий делитель. Если число зубцов статора выбирать из условия Z = 12 + 6к, то число пар полюсов должно быть 2р = Z ± 2.
Поставленная задача исследования возможностей использования для выработки электрической энергии синхронных электрических машин с возбуждением на основе высококоэрцитивных магнитов в низкоскоростных ветроагрегатах решена путем численного моделирования параметров на математической модели.
При разработке модели учитывалась необходимость получения оперативно и с достаточной точностью параметров синхронной машины при изменении:
- номинальных данных генератора: мощности, напряжения, частоты вращения, коэффициента мощности;
- основных геометрических размеров: активной длины и диаметров расточки статора;
- обмоточных данных машины: числа полюсов, числа фаз, числа зубцов на полюс и фазу и витков и параллельных ветвей обмотки статора;
- геометрических размеров магнитов и величины расчетного зазора.
86
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (72) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
i
В результате исследования математической модели получены следующие параметры и характеристики:
- КПД и величины потерь в генераторе;
- диаграмма магнитов и коэффициент запаса по магнитам;
- статическая перегружаемость генератора;
- индуктивные сопротивления рассеяния по продольной и поперечной осям;
- параметры генератора при нагрузке и коротком замыкании;
- характеристики генератора (внешняя и холостого хода).
При разработке математической модели для исследования параметров синхронных генераторов с постоянными магнитами вопросы исследования распределения магнитного поля методом конечных элементов следует выделить в отдельную модель.
В силу трудоемкости исследования каждого варианта синхронной машины на этих моделях количество исследуемых вариантов следует ограничить предварительным выбором.
Для вариационных расчетов неограниченного, но разумного количества переменных разработана математическая модель исследования синхронных генераторов с постоянными магнитами, которая включает в себя следующие блоки:
- блок ввода исходных данных;
- электромагнитный расчет обмотки статора;
- расчет магнитной цепи постоянных магнитов;
- расчет магнитной цепи при нагрузке;
- расчет магнигнои цепи при коротком замыкании;
- расчет угловых характеристик;
- расчет характеристики холостого хода;
- расчет внешнеИ характеристики;
- вентиляционный расчет;
- тепловой расчет.
Модель реализована в виде электронных таблиц EXCEL и позволяет проводить анализ нескольких вариантов, отличающихся исходными данными. Для оптимизации выбранных параметров генератора используется математическая модель, дающая возможность численным методом конечных элементов получить параметры электромагнитного поля в различных режимах работы: холостого хода, номинальной нагрузки и короткого замыкания. Математическая модель реализована на базе пакета программ ELCUT 5.3, позволяющего получить распределения векторного магнитного потенциала, распределения индукции по сечению магнитопровода и по любому выбранному контуру.
Предварительным выбором определены необходимые расчетные варианты: частоты вращения: 75, 150 и 300 об/мин (т.е. при частоте 50 Гц число полюсов машины 80, 40 и 20). Допустимая плотность тока в обмотке статора принята j < 4 А/мм2 при напряжении 380 В. Ширина магнита - 30 мм, высота магнита - 10 мм. Диаметры статора 640/550 мм, зазор - 4 мм. Параметры расчетных вариантов при различных значениях длины магнитов сведены в табл. 2. Реализуемые мощности представлены на рис. 12.
Параметры синхронных генераторов с постоянными магнитами (380 В) Permanent magnet synchronous generators parameters (380 V)
Таблица 2
Table 2
P, кВт n, об/мин 2p Z a N W j, А/мм2 A, А/мм3 Ф, млВб B, Т E0*
1магн = 56 мм
2,0 75 80 81 2 160 1080 3,82 127 0,96 0,884 2,43
5,0 150 40 42 2 160 560 3,70 164 1,84 0,870 1,35
14,0 300 20 21 2 270 472,5 3,84 388 2,19 0,531 1,20
1магн = 84 мм
3,5 75 80 81 2 92 621 3,63 127 1,66 1,020 1,96
12,0 150 40 42 2 96 336 2,67 236 3,07 0,970 1,22
22,0 300 20 21 2 170 300 3,90 383 3,44 0,560 1,18
1магн 112 мм
5,0 75 80 81 2 68 459 3,90 134 2,25 1,040 1,90
18,0 150 40 42 2 80 280 3,69 295 3,69 0,870 1,36
27,0 300 20 21 2 140 245 4,10 387 4,22 0,512 1,31
30
20
10
300 об /мин
150 об /мин
✓ У * 75 об/м ин
,— ■—
50
150 250 350
Частота вращения, об/мин
Рис. 12. Fig. 12.
Мощности, реализуемые синхронным генератором
при различных частотах вращения Power of synchronous generator for different rotational speed values
Расчеты показывают, что практически одинаковые мощности могут быть реализованы при линейном напряжении 380 В и 660 В. В табл. 3 приведены параметры расчетных вариантов при напряжении 660 В и длине магнита 84 мм.
Таким образом, при расточке статора 640/550 мм можно получить увеличение мощности синхронного генератора.
Результаты испытаний генератора на стенде подтвердили параметры, заложенные в проекте, что позволяет использовать полученный опыт в будущем при проектировании более мощных ВЭС.
Управление генератором, имеющим широкий диапазон частоты вращения благодаря приводу турбины, осуществляется программно-аппаратной системой управления энергетическими режимами, выполненной на базе микропроцессорного блока нового поколения со встроенной программой [11].
Параметры синхронных генераторов с постоянными магнитами (660 В) Permanent magnet synchronous generators parameters (660 V)
Таблица 3 Table 3
0
P, кВт n, об/мин 2p Z a N W j, А/мм2 A, А/мм3 Ф,млВб Bs, Т E0'
3,5 75 80 81 2 156 1053 3,85 124 1,70 1,05 2,43
12,0 150 40 42 2 170 595 3,18 241 3,02 0,949 1,35
22,0 300 20 21 2 312 546 3,86 405 3,29 0,532 1,20
Энергетическая установка предназначена для производства и накопления водорода, следовательно, необходимо применение технологий промежуточного хранения водорода с последующим преобразованием в электрическую энергию путем применения топливных элементов. Промышленное использование топливных элементов ограничено их недостаточной эффективностью.
Лабораторией неорганического синтеза ИХС РАН разработаны гибридные нанокомпозиты, полученные золь-гель методом, которые предлагается использовать в качестве функциональных частей топливных элементов [4]. Особенности топливных элементов, методы хранения и накопления водорода, перспективы и возможности применения золь-гель систем для улучшения эксплуатационных характеристик мембран топливных элементов рассмотрены и описаны в другой публикации.
Особенности эксплуатации и рекомендуемые области применения
- Разработанная ВЭС может размещаться на крышах зданий и сооружений, где имеется прочное основание для установки и закрепления конструкции в целом.
- Конструкция также может располагаться на небольшом фундаменте, расположенном на возвышенностях, прилегающих к разделам водной поверхности
- на суше, дамбах или просто на открытых степных или водных пространствах при соответствующих минимальных скоростях действующих местных ветровых потоков в течение длительного времени.
- На открытых пространствах конструкция может закрепляться на небольших по объему и высоте насыпях, бетонных сваях или блоках и требует минимальных затрат на ее установку.
- При выраженной гидростатической устойчивости, что свойственно открытым пространствам большой площади, расположенным в умеренных климатических зонах, в пределах нескольких метров от поверхности скорость ветрового потока нарастает, а затем остается практически постоянной вплоть до высоты 100-200 м.
При этом если ветровой поток некомпланарен по высоте, то данная особенность уменьшает неравномерность действующего крутящего момента в целом на ротор ветротурбины за счет низкого расположения принимающих ветровую нагрузку лопастей.
Рассматриваемая область применения ВЭС на базе разработанной ветротурбины в комплекте с генератором и блоком управления - небольшие автономные сети, фермерское хозяйство, автономные, удаленные от развитых промышленных зон предприятия. Возможно также их использование в качестве резервного источника электроэнергии при аварийных отключениях основного электроснабжения в
областях медицины и на предприятиях с безостановочным циклом производства.
Предложенные разработки ветроэнергетической установки, основанные на современных фундаментальных исследованиях в области электромашиностроения, нанотехнологий и электрохимии, являются конкретным воплощением междисциплинарных инновационных проектов для обеспечения ускоренного продвижения экономики страны по инновационному пути развития, создания новых базовых технологий в промышленности и подготовки инфраструктуры для развития водородной энергетики.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 07-08-12107 офи-а.
Список литературы
1. Шевченко В.Я., Данилевич Я.Б., Гусаров В.В. Физико-химические основы технологии неорганических и композитных материалов водородной энергетики // Энергетика России: Проблемы и перспективы: Тр. науч. сес. РАН. 2006. С. 464-466. _
2. Шевченко В.Я., Шудегов В.Е., [Платэ Н.А. Концепция развития работ по нанотехнологиям / Белая книга по нанотехнологиям. М.: Изд. ЛКИ, 2008. С. 28-41.
3. Шевченко В.Я. Институт химии силикатов РАН. Исследования в области наномира и нанотехнологий // Российские нанотехнологии. Т. 3, № 11-12. С. 36-45.
4. Шилова О.А., Шилов В.В., Кошель Н.Д., Козлова Е. В. Формирование каталитических слоев из золей на основе тетраэтоксисилана и использование их в полимерных топливных элементах // Физика и химия стекла. 2004. Т. 30, № 1. С. 98-100.
5. Месяц Г.А., Прохоров М.Д. Водородная энергетика и топливные элементы // Вестник Российской академии наук. 2004. Т. 74, № 7. С. 579-597.
6. Багоцкий В.С., Осетрова Н.В., Скундин А.М. Топливные элементы. Современное состояние и основные научно-технические проблемы // Электрохимия. 2003. Т. 39, № 9. С. 1027-1045.
7. Gulevich A., Mezheritsky G., Ruzhnikov V., Khra-mushin N. Status of planar SOFCs development at the IPPE. In proceedings of the 5th European Solid Oxide Fuel Cell Forum, Lucerne (Switzerland), 2002. Vol. 2. P. 760.
8. Gulevich A., Ruzhnikov V., Khramushin N. Planar SOFCs and stacks at the IPPE. In proc. of the International Symposium «Solid Oxide Fuel Cell VIII», Paris (France). 2003. P. 963.
9. Данилевич Я.Б., Коваленко А.Н., Миронов Б.Н. Ветростанция для производства водорода // Индустрия. 2006. № 1 (43). С. 62.
10. Данилевич Я.Б., Кручинина И.Ю., Миронов Б.Н. Бесконтактный дисковый генератор для электростанций нового поколения с возбуждением от постоянных магнитов // Индустрия. 2007. № 2(49). C. 90.
11. Данилевич Я.Б., Кручинина И.Ю., Миронов Б.Н., Хозиков Ю.Ф. Дисковый генератор для нетрадиционной энергетики. Проблемы и решения // Изв. РАН. Энергетика. 2008. № 4. С. 69-75.
12. Антипов В.Н., Данилевич Я.Б. Анализ и исследование ветрогенераторов различного конструктивного исполнения в диапазоне частот вращения 75-300 мин-1 с целью создания соразмерного ряда // Электротехника. 2009. № 1. С. 27-33.
13. Данилевич Я.Б., Антипов В.Н. Мини-турбогенератор 200 кВт с возбуждением на постоянных магнитах // Электротехника. 2006. № 3. С. 36-37.
14. Данилевич Я.Б., Антипов В.Н., Кручинина И.Ю., Хозиков Ю.Ф. Турбогенераторы малой мощности для децентрализованных систем энергообеспечения. Учебное пособие. СПб., «Наука». В печати.
15. Патент на полезную модель № 70940 от 20.02.2008, заявка № 2007117517 от 10.05.2007. МПК F03D9/00 / Данилевич Я.Б., Кручинина И.Ю., Миронов Б.Н. // Бюллетень № 5 от 20.02.2008.
ГхГ*
- TATA —
оо
ж
•и: -
89
