CC BY
11Статья поступила в редакцию 21.05.14. Ред. рег. № 2007
The article has entered in publishing office 21.05.14. Ed. reg. No. 2007
УДК 62-111.1
О РАЗМЕЩЕНИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ
Е.В. Соломин
Южно-Уральский государственный университет (Национальный исследовательский университет) 454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел./факс: +79123171805, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 24.05.14 Заключение совета экспертов: 27.05.14 Принято к публикации: 30.05.14
В статье описаны результаты изучения эксплуатации ветроэнергетических установок мощностью до 10 кВт, размещенных на полигонах, а также на зданиях и сооружениях. Вертикально-осевые и горизонтально-осевые конструкции показали удовлетворительную устойчивость к набегающему потоку до 25 м/с. Ценовые характеристики малых ВЭУ всех типов в целом одинаковы. Конструкции показали отличие в уровне вибрационного и акустического фона, в ряде случаев выходящего за уровни, допустимые применяемыми стандартами и нормами. Эстетическое социальное восприятие в целом положительное, на уровне футуристического техногенного представления.
Ключевые слова: ветроэнергетика, ветроэнергетические установки, здания, вибрации, шум.
ABOUT THE ARRANGEMENT OF WIND TURBINES ON THE BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS
E.V. Solomin
South Ural State University (National Research University) 76 Lenin str., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel./fax: +79123171805, e-mail: [email protected]
Referred: 24.05.14 Expertise: 27.05.14 Accepted: 30.05.14
The paper describes the results of research of the operation of wind turbines on up to 10 kW power located on polygons, buildings and engineering constructions. Vertical axis and horizontal axis installations have shown the satisfactory durability to the oncoming wind flow up to 25 m/s. The cost parameters of all small turbines are similar in general. The structures of turbines have demonstrated different levels of vibration and acoustic noise, in some cases exceeding the applicable standard requirements. Aesthetic social sensation is positive in general, on the level of futuristic anthropogenic imagination.
Keywords: wind energy, power, turbines, buildings, noise, acoustic, vibration.
Сведения об авторе: д-р техн. наук, доцент кафедры «Электротехника и возобновляемые источники энергии» Ю-УрГУ, директор Международного Инновационного Центра «Альтернативная Энергетика». Действительный эксперт Рамочной Программы Евросоюза Ноп7оп-2020 (Брюссель, Бельгия), член Федерального реестра экспертов научно-технической сферы РФ (Минобрнауки, Россия), консультант по альтернативным источникам энергии Уэйнского Государственного Университета (Детройт, США) и др.
Образование: Будапештский технический университет (1990), Московский станкоинстру-ментальный институт (1990).
Основной круг научных интересов: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии.
Публикации: 107.
Евгений Викторович Соломин
Исследования параметров нескольких типов малых ветроэнергетических установок (ВЭУ) выявили ряд закономерностей и особенностей функционирования ветроагрегатов и управляющих органов, ранее не принимаемых во внимание разработчиками моду-
лей оборудования [1]. Более того, при размещении ВЭУ на зданиях и сооружениях стал очевидным учет особенностей и параметров конструкции, на которую помещается мачта ветроустановки [2].
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (149) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Преимущества размещения ветроэнергоустановок на зданиях и сооружениях:
- снижение (минимизация) установочных (на 40%) и эксплуатационных (на 30-50%) расходов за счет отсутствия мачты [3];
- близость источника электроэнергии к потребителю, минимальный риск утраты оборудования [4];
- в ряде случаев эстетически привлекательный техногенный вид [5].
Недостатки размещения ветроэнергоустановок на зданиях и сооружениях:
- ВЭУ является вибродинамическим объектом повышенной опасности [6];
- вероятность повреждения здания (сооружения) в плане нарушения целостности конструкций за счет низкочастотных вибраций [7];
- вероятность разлета лопастей (необходимость проведения соответствующих мероприятий по оценке опасности для проживающих в нем людей, для прохожих на окружающих здание улицах) [6];
- вероятность гибели птиц, мелких животных [6];
- наличие аэродинамических и механических шумов [8];
- нарушения эстетического представления, стробоскопический эффект [8].
Себестоимость модулей различных типов ВЭУ в процентах от общей стоимости Self-cost of the modules of wind turbines of different types, percent of total cost
Рис. 1. ГО и ВО ВЭУ на полигоне в одинаковых условиях эксплуатации Fig. 1. HAWT and VAWT on polygon in the same conditions of operation
В процессе эксплуатации были выявлены следующие особенности создания и функционирования различных типов ВЭУ (рассматриваются только установки, работающие на подъемной силе, рис. 1) [9]: - Себестоимость различных типов ВЭУ (горизонтально-осевых - ГО и вертикально-осевых - ВО), одинаковых по мощности, в целом равна (таблица).
Модуль ГО ВЭУ/к-во ВО ВЭУ/к-во
Лопасти 16/3 12/6
Ступица 7 5
Несущая конструкция - 3
Устройство ориентации на ветер 2 -
Регулятор мощности (контроллер) 6 12
Генератор (синхронный, на пост. магнитах) 28 28
Мачта 26 27
Токосъемник 2 -
Кабель, ЗИП 1 1
Инвертор (автономный или сетевой) 12 12
Итого 100 100
- Чем меньше мощность ВЭУ, тем ниже себестоимость [10]. Это утверждение легко доказывается. Например, ометаемые площади и мощности одной ВЭУ с ротором диаметром 100 м и ста ВЭУ с роторами диаметром 10 м равны (ометаемая площадь пропорциональна квадрату диаметра, тогда ~ 1005 ~ Б2 ~ 100ё2), где 5 и 5 - ометаемые площади, а Б и ё - диаметры сравниваемых ВЭУ. Но масса крупной ВЭУ, пропорциональная кубу диаметра ротора (106), больше на порядок, чем суммарная масса ста малых ВЭУ (105). Тем не менее, на данный момент удельная стоимость малых ВЭУ выше крупных, что объясняется отсутствием серийного производства модулей малых ветроэнергоустановок. Ценовая ниша у всех без исключения производителей ($1000/кВт оборудования в полном комплекте) найдена на уровне мощности 3 кВт, очевидно, в связи с дороговизной модулей микроВЭУ (мощностью до 1 кВт) [11, 12].
- Вырабатываемая мощность идентична у обоих типов установок при равных скоростях ветра до номинальной. Исследовалась номинальная мощность ГО и ВО ВЭУ мощностью 3 кВт. Номинальная скорость ветра у обеих ВЭУ 11 м/с. Скорость ветра страгивания составила 1-2 м/с, скорость ветра начала выработки энергии 3 м/с. Высота мачт 12 м. Номинальная частота вращения ВО ВЭУ 180-200 об/мин., ГО ВЭУ 350-400 об/мин.
- ГО ВЭУ-3, благодаря аэродинамическим особенностям ротора, может быть оснащена простейшим электронным регулятором мощности на основе диодного моста с системой балластного торможения, при этом выработка мощности осуществляется в соответствии с теоретическими зависимостями (рис. 2, а).
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (149) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
Ветроэнергетика
ВО ВЭУ-3 с простым регулятором мощности не выходит на заданную быстроходность и не может преодолеть частоту вращения 1 Гц (60 об/мин.), а при регулировании отбора мощности на основе отслеживания заданной оптимальной быстроходности характеристика мощности ВО ВЭУ-3 в точности повторяет график ГО ВЭУ-3 (рис. 2, Ь).
10 20 Скорость ветра, м/с а
10 20 Скорость ветра, м/с b
Рис. 2. Характеристика мощности: a - ГО ВЭУ (простое регулирование с балластным торможением при частоте вращения выше номинала); b - ВО ВЭУ (регулирование по оптимальной быстроходности с аэродинамическим регулированием частоты вращения) Fig. 2. a - HAWT power curve (simple control) and b - VAWT power curve (control of optimal tip speed ratio)
- Система аэродинамического регулирования ВО ВЭУ проще, чем ГО ВЭУ. В ВО ВЭУ могут быть введены элементы аэродинамического торможения лопастями и обтекателями, установленными на траверсах [13]. Однако в результате несинхронного срабатывания элементов торможения может появиться дисбаланс и, как следствие, вибрации и шум. Шум в любом случае возникает при работе аэродинамических регуляторов, уровень шума не превышает 60 дБ(А). В ГО ВЭУ регулирование может осуществляться выводом ротора из-под потока с помощью наклона в горизонтальную плоскость либо в вертикальную, перпендикулярную вектору набегающего потока.
- Системы механического динамического регулирования на основе центробежных тормозных муфт являются одинаково эффективными для всех типов ВЭУ [14, 15].
- Вибрации ВО ВЭУ существенно ниже, чем ГО ВЭУ, однако они находятся в нижнем диапазоне, что необходимо учитывать при расчете частоты собственных колебаний здания или сооружения, на которое устанавливают ВЭУ. На скорости ветра 7-8 м/с возникают наибольшие вибрации - при частоте 2,25 Гц вибрации ВО ВЭУ 0,2 мм/с, ГО ВЭУ при частоте 4,2 Гц -вибрации 0,8 мм/с. Однако это не выходит за допустимые пределы соответствующих стандартов и норм. У каждой конструкции имеется ряд гармоник, дающих серьезный вклад в общую вибрацию. Как правило, они находятся на частотах, пропорциональных количеству возможных резонансов соответствующего ротора. Необходимо отметить, что ВО ВЭУ могут выдавать горизонтальные вибрации в связи с особенностью строения ротора и наличием прецессий. Напротив, ГО ВЭУ могут выдавать вертикальные вибрации, вызывающие акустический шум. Однако во всех случаях вибрации легко устраняются с помощью широкого ассортимента виброгасителей до уровней, рекомендуемых и предписываемых стандартами и нормами [16].
- Шум ВО ВЭУ существенно ниже, чем ГО ВЭУ с лопастями обычной конструкции. На скоростях ветра до 25 м/с определен ряд диапазонов, характеризующихся аэродинамическими и/или механическими шумами. Самым шумным является диапазон скорости ветра 7-9 м/с, поскольку шум фона еще не столь велик, и аэродинамический шум четко различается на общем фоне, составляя у ВО ВЭУ до 58 дБ(А), у ГО ВЭУ до 88 дБ(А), что выходит за пределы ряда стандартов стран Евросоюза и России. Таким образом, по шуму ГО ВЭУ не проходят тест по размещению на кровле жилого здания, однако могут быть размещены на промышленных объектах и других сооружениях [17].
Таким образом, в заключение можно отметить, что анализ сравнения двух основных типов ВЭУ по ряду параметров приводит к выводу о равнозначности в плане технических решений ГО и ВО ВЭУ. В части цены ГО выигрывают у ВО ВЭУ. Однако в плане размещения в непосредственной близости к жилью человека ГО проигрывают ВО ВЭУ по шуму и частично по вибрациям.
Список литературы
1. Грахов Ю.В., Матвеенко О.В., Соломин Е.В. Инженерный метод и математическое моделирование в проектировании ветроэнергетических установок // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». 2010. Вып. 2, № 9 (185). С. 45-52.
2. Куль Дж., Соломин Е.В. Предложение о сотрудничестве при производстве ветроэнергетических установок // Альтернативная энергетика и экология -ШЛББ. 2010. № 1. С. 115-125.
3. Кирпичникова И.М., Мартьянов А.С., Соломин Е.В. Вертикально-осевые ветровые турбины. Новые аспекты // Альтернативная энергетика и экология -ШАБЕ. 2013. № 01/2 (118). С. 55-58.
References
1. Grahov Ü.V., Matveenko O.V., Solomin E.V. Inzenernyj metod i matematiceskoe modelirovanie v proektirovanii vetroenergeticeskih ustanovok // Vestnik ÜUrGU. Seria «Matematika. Mehanika. Fizika». 2010. Vyp. 2, № 9 (185). S. 45-52.
2. Kul' Dz., Solomin E.V. Predlozenie o sotrudnicestve pri proizvodstve vetroenergeticeskih ustanovok // Al'ternativnaa energetika i ekologia -ISJAEE. 2010. № 1. S. 115-125.
3. Kirpicnikova I.M., Mart'anov A.S., Solomin E.V. Vertikal'no-osevye vetrovye turbiny. Novye aspekty // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2013. № 01/2 (118). S. 55-58.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (149) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
4. Соломин Е.В. Размещение ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения на ответственных инженерных объектах // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура».
2010. Вып. 11, № 33 (209). С. 47-51.
5. Соломин Е.В., Кирпичникова И.М. Социальные, экономические и правовые аспекты размещения ветроустановок на зданиях и сооружениях // Малая энергетика. 2009. № 1-2. С. 29-39.
6. Соломин Е.В. Размещение ветроэнергетических установок мощностью до 10 кВт на кровле зданий // Матер. IV Межд. научно-практ. конф. «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии» 1-3 октября 2009 г. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ,
2009. С. 284-290.
7. Соломин Е.В. Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль для экологических курортов // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2010. № 2. С. 60-64.
8. Соломин Е.В. Основы методологии разработки вертикально-осевых ветроэнергетических установок // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE.
2011. № 1. С. 18-28.
9. Соломин Е.В. Перспективы использования малых ветроэнергетических установок в агропромышленном комплексе // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2011. Вып. 7. С. 12-15.
10. Соломин Е.В. Основы создания ветроэнергетических установок: монография. Saarbrücken (Германия): Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2012.
11. Соломин Е.В. Ветроэнергетическая экономика // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE.
2010. № 2. С. 28-30.
12. Solomin, E.V. Development and optimizing of vertical axis wind turbines // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 1. С. 29-39.
13. Пат. 2347104 РФ, МПК F03D 3/06 (2006.1). Ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения / Грахов Ю.В., Соломин Е.В. и др. № 2006117014/06; заявл. 12.05.2006 // опубл. 20.02.2009, Бюл. № 5.
14. Аникин А.С., Козлов С.В., Сироткин Е.А. и др. Регулирование частоты вращение ротора вертикально-осевой ветроэнергетической установки // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2014. № 05 (145). С. 32-36.
15. Киндряшов А.Н., Соломин Е.В. Методы торможения и регулирования частоты ветроэнергетических установок // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2011. № 5. С. 38-40.
16. Кирпичникова И.М., Соломин Е.В. Виброгасители мачт сверхмалых вертикально-осевых ветроэнергетических установок // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2010. Вып.13, № 14(190). С. 78-81.
17. Кирпичникова И.М., Мартьянов А.С., Соломин Е.В. Вертикально-осевые ветровые турбины. Новые аспекты // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2013. № 01/2 (118). С. 55-58.
4. Solomin E.V. Razmesenie vetroenergeticeskih ustanovok s vertikal'noj os'ü vrasenia na otvetstvennyh inzenernyh ob"ektah // Vestnik ÜürGU. Seria «Stroitel'stvo i arhitektura». 2010. Vyp. 11, № 33 (209). S. 47-51.
5. Solomin E.V., Kirpicnikova I.M. Social'nye, ekonomiceskie i pravovye aspekty razmesenia vetro-ustanovok na zdaniah i sooruzeniah // Malaa energetika. 2009. № 1-2. S. 29-39.
6. Solomin E.V. Razmesenie vetroenergeticeskih ustanovok mosnost'ü do 10 kVt na krovle zdanij // Mater. IV Mezd. naucno-prakt. konf. «Bezopasnost' ziznedeatel'nosti v tret'em tysaceletii» 1-3 oktabra 2009 g. Celabinsk: Izd-vo ÜürGU, 2009. S. 284-290.
7. Solomin E.V. Vetroenergeticeskie ustanovki GRC-Vertikal' dla ekologiceskih kurortov // Аl'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2010. № 2. S. 60-64.
8. Solomin E.V. Osnovy metodologii razrabotki vertikal'no-osevyh vetroenergeticeskih ustanovok // АГternativnaä energetika i ekologia - ISJAEE. 2011. № 1. S. 18-28.
9. Solomin E.V. Perspektivy ispol'zovania malyh vetroenergeticeskih ustanovok v agropromyslennom komplekse // Mehanizacia i elektrifikacia sel'skogo hozajstva. 2011. Vyp. 7. S. 12-15.
10. Solomin E.V. Osnovy sozdania vetroenergeticeskih ustanovok: monografia. Saarbrücken (Germania): Izd-vo LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co, 2012.
11. Solomin E.V. Vetroenergeticeskaa ekonomika // Аl'ternativnaä energetika i ekologia - ISJAEE. 2010. № 2. S. 28-30.
12. Solomin, E.V. Development and optimizing of vertical axis wind turbines // Аl'ternativnaä energetika i ekologia - ISJAEE. 2011. № 1. S. 29-39.
13. Pat. 2347104 RF, MPK F03D 3/06 (2006.1). Rotor vetranoj ustanovki s vertikal'noj os'ü vrasenia / Grahov Ü.V., Solomin E.V. i dr. № 2006117014/06; zaavl. 12.05.2006 // opubl. 20.02.2009, Bül. № 5.
14. АшИп А^., Kozlov S.V., Sirotkin EA. i dr. Regulirovanie castoty vrasenie rotora vertikal'no-osevoj vetroenergeticeskoj ustanovki // Аl'ternativnaä energetika i ekologia - ISJAEE. 2014. № 05 (145). S. 32-36.
15. Kindrasov А.К, Solomin E.V. Metody tormozenia i regulirovania castoty vetroenergeticeskih ustanovok // Аl'ternativnaä energetika i ekologia -ISJAEE. 2011. № 5. S. 38-40.
16. Kirpicnikova I.M., Solomin E.V. Vibrogasiteli mact sverhmalyh vertikal'no-osevyh vetroenergeticeskih ustanovok // Vestnik ÜürGU. Seria «Energetika». 2010. Vyp.13, № 14(190). S. 78-81.
17. Kirpicnikova I.M., Mart'anov А^., Solomin E.V. Vertikal'no-osevye vetrovye turbiny. Novye aspekty // Аl'ternativnaä energetika i ekologia - ISJAEE. 2013. № 01/2 (118). S. 55-58.
Транслитерация по ISO 9:1995
- TATA — OO
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (149) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
