CC BY
17
УДК 621.548
О ПРОБЛЕМАХ СОЗДАНИЯ I КОМПОЗИЦИОННОЙ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
Х.Ж. Байшагиров
" Кокшетауский государственный университет им. 111. Уалиханова, Кокшетау, Казахстан
Мак,алада композициялы желд1 энергетикалы машиналарды жасау мен олардыц К,азацстанда ецг1зу ceôenmepi Kenmipinedi, сонымен ôipae Щ бершен к,ондыргылардьщ техникалык, epeKiuenixmepi баяндалады.
ж
В статье приводятся причины создания композиционной ветроэнергетической машины и их внедрения в Казахстан, а также описываются технические особенности данных установок.
The article gives reasons for the creation of a compositional wind-energetic machine and its implementation in Kazakhstan, as well as describes the technical features of the installations.
Возникший из-за внезапной нехватки нефти энергетический кризис семидесятых годов прошлого века прошел под знаком обреченности цивилизаций и мрачных раздумий. Это было началом длительной тенденции, неожиданным осознанием того, что энергорес>рсы, снабжение которыми на протяжении многих лет считалось само собой разумеющимся, конечны. В этом и состоит суть проблемы, которая не решится сама собой. В течение десятилетий многие специалисты вновь произвели переучет запасов и обнаружили, что дефицита энергии как таковой не существует. Дело в том, что имеются еще малореализован-ные, но существующие в несметном количестве другие источники энергии (солнце, ветер и др.).
На самом деле мы имеем не дефицит энергии, а недостаток технологий, времени и денег. Можно сказать, что нам также не хватает мудрости, поскольку важнейшей проблемой сейчас является разработка стратегии, позволяющей постепенно входить в будущее, при котором обеспечивается стабильное существование общества на длительную перспективу.
В развитых странах уже давно работают министерства и агентства по возобновляемой энергетике, машиностроительные фирмы, деятельность которых
= • .¿-а с созданием ветрсллрбин. По области применения или по назначению ; :•:-? н ергстические установки (ВЭУ) делятся на три группы установок, работающих:
- автономно;
- параллельно с источниками энергии соизмеримой мощности;
- параллельно с мощной энергосистемой.
Области применения различны, поэтому различаются как принципы исполь-^дшгя ВЭУ, так и их весогабаритные и другие характеристики.
Если в первом случае основная задача - снабжение электроэнергией потре-—сля или выполнение какой-либо механической работы (насос), во втором -• >.; лечение потребителям энергии бесперебойного питания и экономия топли-н- | дизель), либо аккумулирование энергии, то в третьем - это выдача в сеть -1хсимально возможной энергии или мощности при сохранении устойчивой работы агрегата.
Определенный вклад в создание ВЭУ малой мощности, предназначенных 2.-.Я небольших автономных потребителей, подъема воды, освещения и т.п., вно-. гт коммерческие структуры и отдельные предприятия различного профиля.
Однако создание крупных современных, комплексных автоматизированных ВЭУ и ВЭС (ветростанции), проведение их испытания и отработки, организа-_ ;-:я серийного производства могут быть осуществлены только крупными соименными специализированными конструкторскими бюро и заводами соответствующего профиля - авиационного, машиностроительного, приборострои-_:льного комплекса и с использованием электротехнического и электронного гборудования.
Это предприятие одновременно должно иметь специалистов высокого уровня по аэродинамике, прочности, электротехнике. Трудно указать на такой комп-скс в пределах РК. Поэтому создание ВЭУ и ВЭС средней и большой мощности здесь проблематично. Можно лишь рекомендовать закуп готовых узлов за рубежом и их монтаж в РК. Кроме того, такие ВЭУ и ВЭС будет эффективно работать лишь в отдельных очагах с повышенными годовыми скоростями ветра (Джунгарские ворота, Курдайский перевал, побережье Каспия и др.).
На большей части территории страны погодно-климатические условия таковы, что наиболее рационально применить мачые ВЭУ (МВЭУ).
Диффузор.
Так как мощность ветряков пропорциональна третьей скорости прохождения зоздуха через ветроколесо для создания наиболее компактного автономного ВЭУ предложен концентратор скорости - диффузор.
Обеспечение перепада давления, особого профиля стенок диффузора позволяет решить эту проблем}'. Диффузор эффективно преобразует кинетическую энергию вовлекаемого внутрь возду шного потока в потенциальную энергию поперечного давления на лопасти. Кроме того, геометрия поверхности его такова, что возникает такая составляющая вектора сил, которая плавно разворачивает диффузор в горизонтальной плоскости так, что ось вращения ветроколе-са совпадает с генеральным направлением ветра. При этом внутри диффузора движение потока упорядочено.
На основе гранта Фонда Науки РК в 2004 г. была создана композиционная ветроэнергетическая установка с диффузором (ВЭУД).
Поворотный диффузор (флюгерного типа) состоит из цилиндрической (силовое кольцо) и конической частей. Цилиндрическая часть (силовое кольцо) изготавливается из стеклопластика методом намотки. Коническая часть собирается из фигурных элементов, отформованных из стеклопластика в пресс-форме.
Особая форма профилирования внутренней поверхности диффузора позволяет разогнать ветровой поток в закрытом канале до более высоких скоростей, нежели свободный поток у установок открытого типа. Геометрический контур внутренней и наружной поверхности диффузора подвергался газодинамическому расчету с целью обеспечения наивысших характеристик скорости потока воздуха внутри канала и наименьшего сопротивления воздушному потоку на внешней стороне. При проектировании профиля диффузора использовался расчетный конечно-элементный комплекс STAR-CD.
- масса диффузора - не более 30 кг
- отношение площадей входа и выхода из диффузора составляет 0,3025
- материал - стеклопластик
- профиль стенки диффузора - аэродинамический
- габариты:
диаметр на входе - 1080 мм
диаметр на выходе - 2040 мм
длина - 1500 мм
- крепление диффузора к опорной башне ВЭУ поворотное
- диффузор имеет антиобледенительное покрытие
Опыт эксплуатации МВЭУ показан, что наиболее слабыми (критичными) элементами их являются рабочие лопатки ветроколеса, углеродные щетки, узлы поворотного механизма. В отличие от МВЭУ применение диффузора позволяет частично защитить рабочие лопатки (особенно тонкие кромки и периферийное сечение лопаток), узлы поворотного механизма от прямого воздействия
-т; жающей среды и, тем самым, способствует увеличению их долговечнос-- • Кроме того, конструкционная жесткость диффузора, его повышенная ре-: непригодность позволяет надеяться, что долговечность ВЭУД и принятый з гасчетах его уровень заметно превышает ресурс МВЭУ.
Применение диффузора из легких высокопрочных композиционных материа-. з позволит создать переносной ветроэлектрогенератор массой порядка 95 кг '■ющностью на выходе из генератора 1-1,2 квт (V = 220 В, } = 5 А, Г = 50 Гц), :гко монтируемый в полевых условиях.
Эти факторы являются определяющими при применении данного типа вет-: электрогенераторов в отгонном животноводстве для выкачивания воды с -: мощью скважинного насоса, в труднодоступных и отдаленных пунктах, где -. заходим автономный, переносной, надежный источник электроэнергии.
Серия таких электрогенераторов, электрически соединенных параллельно '.¿жду собой дает возможность эксплуатировать в полевых условиях более :ощные потребители электроэнергии, такие как доильные аппараты на ското-: лческих фермах, сварочные установки, электрические печи и т.д.
Кроме того, наличие диффузора позволяет ветроколесу установки выходить на его минимальные рабочие обороты при скорости ветра 4,0 м/сек (у обычных ветроустановок минимальное значение этого параметра равно 7,0 м/сек), что существенно увеличивает зависящее от метеоусловий среднегодовое время его заботы, а также эффективно эксплу атировать такого типа установки в регионах с относительно невысокими среднегодовыми скоростями ветра.
Назначение установки и общая характеристика.
Магая ветроэнергетическая переносная установка с диффузором ВЭУД предназначена для автономного снабжения электроэнергией бытовых приборов и
Подготовка ВЭУД к испытаниям, Кокшетау; 2004 г.
зарядки аккумуляторов метеостанций, радиоузлов, жилищ скотоводов, туристических лагерей, водоисточников и т.д., т.е. там, где подключение к существующим линиям электропередач либо экономически нецелесообразно, либо технически невозможно. Применение диффузора позволяет ветроколесу выходить на его минимальные рабочие обороты при скорости ветра 3,5 - 4 м/сек, что позволяет эффективно использовать установку практически во всех регионах страны. Относительно небольшой вес позволяет производить ее монтаж или перенос в друтое место без специальных машин и механизмов.
Малогабаритная переносная ВЭУ состоит из ветроколеса диффузора, электрического генератора и башни с растяжками. Съем электроэнергии начинается при скорости ветра 3 м/сек. Нормальный эксплуатационный режим ВЭУ осуществляется в диапазоне скорости ветра 4-25 м/сек.
Ветроколесо трехлопастное, с шарнирным замковым соединением лопастей с диском, лопасти лонжеронного типа, облегченные; выполнены из стеклопластика на эпоксидном связующем.
Диффузор комбинированный. Состоит из цилиндрической и конической частей с аэродинамическим профилем, изготовляется из стеклопластика.
Генератор переменного тока малогабаритный, облегченного типа, с воздушным естественным охлаждением, во взрывобезопасном исполнении.
Опорная башня облегченного типа, четырехсекционная, трубчатой конструкции, с фланцевым креплением секций. Внутри башни размещены электрокабель и тросик механизма экстренного торможения ветроколеса. Для повышения устойчивости башни ветровым нагрузкам используются натянутые (в плане) под углом 120 градусов друг к другу и закрепленные к вбитым под углом в грунт стальным костылям три тросовые растяжки из капрона. Регулирование их натяжения осуществляется с помощью винтовых пар. Установка и фиксация опорной башни в вертикальном положении производится с помощью опорной плиты, прикрепляемой к грунту четырьмя стальными костылями. В верхней части башни смонтирован узел поворота для автоматической установки в направлении ветра воздухозаборника диффузора.
- Длительность эксплуатации - 20 лет, окупаемость - не более года при цене 1500$
- Гарантийный срок службы - 5 лет
- Температурный диапазон эксплуатации установки - от -50 С до +80 С
- Минимальная площадь участка необходимая для монтажа ВЭУ - 30 м
Можно выделить также высокую мобильность ВЭУД, повышенные ремонтопригодность, стойкость к воздействию различных проявлений окружающей
- _: х опасность при самом широком диапазоне использования, бесшум-« — г :_:оты. незначительная металлоемкость, привлекательность дизайна, ~ с-~>:прозрачность и т.д. »
ч чплектность установки, г ЭУД состоит из следующих частей:
Зетроколеса с тремя лопастями 1 Генератора
Диффузора - флюгера
- Опорной башни с растяжками
~ Системы зашиты генератора от перегрузок
- Линии (воздушной или подземной) электропередачи
Системы преобразовательной, распределительной регулирующей и ком-
- г .юшей электрозащиты
• Системы накопителя энергии (аккумуляторная батарея) С ;годня чрезвычайно затрудняет все работы отсутствие средств для раз-.г:: - и. создания и эксплуатации ВЭУ и ВЭС, капиталовложений для органи-__•-:•• серийного производства специфического ветроэнергетического оборудо-
- - .-:. законодательной основы (например, снятие на определенный период на-
- _ -: л добавленную стоимость), дотаций или льготного тарифа для производи-. и пользователей экологически чистой электроэнергии из "ветра", то, что
■в: -: льзуется во всех странах, заинтересованных в широком применении ветро--кргетики.
I о временные тенденции мировой ветроэнергетики, требования экологов, ог-: . - ценность запасов топлива и постоянный рост цен на него, слабая энерго-■"сслеченность села - вот неполный перечень причин, по которым следует не-
- !¿длительно заняться созданием малых ветроэнергомашин в Казахстане. Л" • этого требуются поддержка государственных структур, инвестиции, уси-
- машиностроителей и других специалистов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кларк Р. Более чем достаточно? Оптимистический взгляд на будущее
- ."ргетики мира. - Москва: Энергоатомиздат, 1984, 266 с.
2. Безруких П.П. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: Сбор--ик аналитических, методических и программных материалов. Книга 1.- Москва АМИПРЕСС, 2002, 142 с.
3. Байшагиров Х.Ж , Каримбаев Т.Д., Петров Ю.А. и др. Разработка и со-
здание композиционной ветроэлектрогенераторной установки с диффузором. Отчет НИОКР (выполненный по Гранту Фонда Науки МО и Н РК) № Госрегистрации 0105 РК 00008, Кокшетау, 2004,91 с.
