CC BY
69
6. Калмыков Б. Ю., Петриашвили И. ^.Экспериментальное исследование прочностных характеристик кузова автобуса // Инженерный вестник Дона, 2014. Т. 29. № 2. С. 38.
7. Прокопов А. Ю., Калмыков Б. Ю. Метод распределения потенциальной энергии по несущим элементам кузова автобуса при его опрокидывании // Научное обозрение, 2014. № 11-3. С. 709-712.
Применение солнечных и ветровых энергетических установок
в городской среде Беляев П. В.1, Подберезкин Д. А.2, Мищенко В. С.3, Эм Р. А.4
'Беляев Павел Владимирович /Belyaev Pavel Vladimirovich — кандидат технических наук;
2Подберезкин Дмитрий Анатольевич /Podberezkin Dmitry Anatolyevich — студент магистратуры, кафедра электрической техники, факультет электроэнергетики, Энергетический институт Омский государственный технический университет;
3Мищенко Владимир Сергеевич /Mishchenko Vladimir Sergeevich — студент магистратуры, кафедра электрической техники, факультет электроэнергетики, Энергетический институт Омский государственный технический университет, преподаватель, Омский промышленно-экономический колледж;
4Эм Роман Артурович / Em Roman Arturovich — студент, кафедра электрической техники, факультет электроэнергетики, Энергетический институт Омский государственный технический университет, г. Омск
Аннотация: в данной работе исследованы перспективы использования возобновляемых источников энергии. Рассмотрено применение солнечных и ветровых энергетических установок в городской среде на конкретных примерах. В завершение представлены выводы о целесообразности применения данных установок.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечные/ветровые энергетические установки.
Неограниченное использование ископаемого топлива на протяжении многих десятилетий привело к глобальному ухудшению экологической обстановки на планете [1]. Альтернативным источником энергоресурсов стали возобновляемые источники энергии, что сосредоточило внимание и спрос на них по всему миру. Наиболее широкое распространение получили ветрогенераторы. Конструктивно ветровые турбины могут быть разделены на две основные группы: горизонтально-осевые турбины и вертикально-осевые турбины [2].
На начальных этапах развития ветроэнергетики все исследования были сосредоточены на горизонтально осевых ветровых турбинах. Однако в последнее время данная тенденция изменилась в сторону вертикально осевых ветровых турбин ввиду ряда технических преимуществ и их независимости от направления ветра [3]. Исследования в области малых ветроустановок вертикального типа, с диаметром ротора всего несколько метров, подтверждают рентабельность их применения. Их установка возможна как в крупных городах, так и в сельских населенных пунктах с децентрализованной сетью электроснабжения. Малые вертикально-осевые турбины могут быть интегрированы в здания, уже начиная с этапа проектирования [4].
Важным аспектом при выборе места расположение ветроустановки являются условия возникновения явления турбулентности. Исследования показали, что в случае квадратной и прямоугольной конструкции здания, потоки ветра распределяются равномерно вдоль крыш и основных сторон по всей высоте здания. На торцевых же сторонах зданий зарегистрированы более высокие значения потоков ветра вихревого характера [5]. Устранить данную особенность возможно при наличии оригинальных архитектурных решений в форме здания. Примером может послужить жилой дом в Лондоне, форма которого представляет собой парус. Такая форма обеспечивает концентрацию потоков ветра и направление их к ветровым турбинам (рис. 1) [6].
Рис. 1. Конструкция здания, исключающая влияние вихревых потоков ветра
Стоит отметить, что турбулентность не часто встречается в случае построек треугольной или круглой формы. Это делает их более предпочтительными для применения систем генерации энергии ветра.
Основными недостатками ветрогенераторов являются шум и вибрация, которые могут возникнуть при работе ветровой турбины. Однако экспериментально подтверждено, что ветрогенераторы малой мощности соответствуют всем установленным нормам по вибрации и шуму для жилых и офисных зданий и негативных последствий не несут [5].
Для улучшения энергетических показателей вертикально-осевой турбины установленной на крыше высотного здания также существует несколько инновационных разработок. Примером может послужить устройство под названием «всесторонне направленная лопасть (отпм!1гес11юпа1^ш1е^апе (ODGV))». Его функциональная особенность заключается в том, что оно увеличивает скорость поступающего ветра еще до его взаимодействие с лопатками ветрогенератора и позволяет увеличивать скорость вращения ротора до 125%. Выходная производимая мощность однолопастной турбины, при использовании ODGV, увеличивается на 206%. Внешний вид конструкции показан на рисунке 2.
Рис. 2. Внешний вид конструкции ODGV
Конструкция ОБОУ позволяет разместить на ее внешней верхней части дополнительный возобновляемый источник энергии - солнечные панели [7].
Гибридные схемы электроснабжения, использующие в качестве источника электроэнергии ветровые турбины и солнечные панели (рис. 3), широко распространены в настоящее время. Такая
система является более надежной, так как совместное использование двух источников позволяет компенсировать недостатки каждого из них.
1
а □ О а J )
Рис. 3. Гибридная система электроснабжения здания: 1 — ветроэнергетическая установка; 2 — солнечная панель;
3, 5 — контроллер; 4 — центральный пункт постоянного тока; 6 — инвертор; 7 — блок аккумуляторов;
8 — распределительный пункт переменного тока
В солнечные дни здание получает основную часть электроэнергии от солнечных панелей. В пасмурные дни или в ветреную погоду электроснабжение будет осуществляться за счет ветрогенератора. Контроллеры автоматизируют процессы переключения между источниками. Инвертор в данной схеме отвечает за преобразование выработанной энергии постоянного тока в энергию переменного тока, для возможности последующего её использования в быту. При максимальной эффективности источников, излишняя энергия накапливается в аккумуляторах, после чего также может быть использована [8].
Выходная мощность ветровой турбины определяется по следующей формуле [9]:
РтЫа = 0,5-Ср(Х)-р-А-д3; (1)
где р - плотность воздуха, Ср(Х) - коэффициент мощности, А - площадь поперечного сечения турбины, и и - скорость ветра.
X = (2)
где Юг - скорость вращения турбины, R - радиус турбины.
Выходная мощность блока подключенных фотоэлектрических модулей [10]
Рру = I] ру ■ 1ру; (3)
где иРУ - выходное напряжение блока фотоэлектрических модулей, 1РУ - выходной ток блока фотоэлектрических модулей.
Для того чтобы получить необходимый уровень напряжения, аккумуляторы в гибридных схемах электроснабжения подключаются последовательно. Расчет количества необходимых аккумуляторов одного типа проводится по формуле
; (4)
где иВаГ напряжение одного аккумулятора.
Приведенная схема электроснабжения за счет возобновляемых источников энергии является практически бесперебойной, что, безусловно, является важным фактором при выборе источников
электроснабжения. К тому же технико-экономические расчеты показывают, что совместное использование ветровых и солнечных установок экономически выгоднее, чем использование их по отдельности [11]. Выводы
Интеграция возобновляемых источников энергии в систему электроснабжения городских районов имеет большой потенциал. Применение в городских районах ветроэнергетических установок и солнечных станций для дополнительного или резервного питания городских зданий помогло бы разгрузить центральную систему электроснабжения и повысить качество электроэнергии. Долгосрочной перспективой станет распространение использования возобновляемых источников электроэнергии для повседневной жизни и частичный отказ от центральной системы генерации электричества.
Литература
1. Беляев П. В., Подберезкин Д. А. Применение топливных элементов с протонообменной мембраной // Вестник науки и образования, 2016. № 5 (17). С. 15-17.
2. P'yankov K. S., Toporkov M. N. Mathematical modeling of flows in wind turbines with a vertical axis // Fluid Dynamics, 2014. Т. 49. № 2. С. 249-258.
3. Абрамовский Е. Р. и др. Сравнительный анализ аэродинамических и энергетических характеристик ветродвигателей разного типа, предназначенных для применения в городских условиях // Системне проектування та анатз характеристик аерокосмiчноi технжи, 2013. № 15. С. 16-26.
4. Dumitrache A. et al. Influences of some parameters on the performance of a small vertical axis wind turbine // Renewable Energy and Environmental Sustainability, 2016. Т. 1. С. 16.
5. Park S. H. et al. The performance of small wind power generation systems on super high-rise buildings // International Journal of Steel Structures, 2014. Т. 14. № 3. С. 489-499.
6. Елистратов В. В., Боброва Д. М. Ветроэнергетические установки - архитектурный элемент здания // Журнал «AMIT» Архитектура и современные информационные технологии. Международный электронный научно-образовательный журнал, 2013. № 2. С. 23.
7. Chong W. T. et al. Vertical axis wind turbine with omni-directional-guide-vane for urban high-rise buildings // Journal of Central South University, 2012. Т. 19. № 3. С. 727-732.
8. Soysal O. A., Soysal H. S. A residential example of hybrid wind-solar energy system: WISE // Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE. - IEEE, 2008. С. 1-5.
9. Apelfrojd S., Eriksson S., Bernhoff H. A Review of Research on Large Scale Modern Vertical Axis Wind Turbines at Uppsala University // Energies, 2016. Т. 9. № 7. С. 570.
10. Engin M. Sizing and simulation of PV-wind hybrid power system // International Journal of Photoenergy, 2013. Т. 2013.
11. Rama Subba Reddy G., Rashid S. Feasibilty of Wind-Solar Hybrid System for Cleveland, Ohio, USA // Smart Grid and Renewable Energy, 2011. Т. 2011.
Экспериментальное определение теплотехнических характеристик протяжной
печи
Рябчиков М. Ю.1, Берестов А. П.2
'РябчиковМихаил Юрьевич /RyabchikovMikhail Yurevich — кандидат технических наук, доцент; 2Берестов Алексей Павлович / Berestov Alexey Pavlovich — студент, кафедра автоматизированных систем управления, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова, г. Магнитогорск
Аннотация: в работе рассмотрена проблема экспериментального определения тепловой емкости и внешних тепловых потерь для протяжной печи башенного типа. Решение данной задачи позволяет получить сравнительные оценки эффективности различных режимов управления отжигом полосы на агрегате непрерывного горячего оцинкования с позиции требуемых затрат топлива и доли дефектной продукции.
Ключевые слова: агрегат непрерывного горячего оцинкования, тепловая емкость, внешние тепловые потери, моделирование нагрева печи.
УДК 621.771.23
