CC BY
96
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник АПК
Ставрополья
УДК 621.548
Гуцевич А. А., Халюткин В. А., Алексеенко В. А., Юров И. Б.
Gutsevich A. A., Halyutkin V. A., Alexeenko V. A., Yurov I. B.
РЕЗЕРВЫ ПОВЫШЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА РОТОРНЫМИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
RESERVES FOR INCREASING THE WIND USE BY LOW-POWER ROTARY WIND TURBINES
Ветер обладает огромной кинетической энергией. Существующие ветроэнергетические установки (ВЭУ), в особенности большой мощности, которые в основном являются пропеллерными с горизонтальной осью вращения, в значительной степени не используют эту энергию и начинают работать только при скорости 3...6 м/с, а роторные установки малой мощности типа Савониуса, с 2,5. м/с.
Для анализа использования энергии ветра ВЭУ приводится диаграмма. Каждая ВЭУ имеет свой определенный коэффициент использования энергии ветра. В качестве примера приводится мощностная характеристика ВЭУ Яерсмег 480/600.
Наиболее рациональным способом использования энергии ветра роторной ВЭУ малой мощности, является:
1. Исключение расхода мощности на непроизводительные нагрузки, связанные с регулированием числа оборотов ветродвигателя;
2. Разделение всех энергопотребителей на три категории:
1) механические устройства;
2) осветительные приборы, электронные устройства, электродвигатели;
3) нагревательные приборы с электронным регулированием.
Роторные ветродвигатели с вертикальным валом вращения имеют более широкие возможности для одновременного энергоснабжения всех трех категорий потребителей.
В этом плане нужно отметить, что при сильном ветре остановка роторного ветродвигателя с вертикальным валом вращения не является лучшим способом предотвращения аварии. Неработающий ветродвигатель вынужден гасить всю силу набегающего ветрового потока. Работающий ветродвигатель переводит часть ветровой энергии в работу механических устройств и электрогенератора, и только часть оставшейся энергии оказывает воздействие на конструкцию ВЭУ.
Маломощные роторные ВЭУ с вертикальным валом вращения позволяют наиболее рационально использовать как механическую, так и электрическую энергию в широком наборе сельскохозяйственных технологий, а в сочетании с простотой устройства ВЭУ, возможности самостоятельного технического их обслуживания и экологичностью, они наиболее приемлемы для использования децентрализованными энергопотребителями.
Ключевые слова: Роторная ветроэнергетическая установка; мощность ветра; энергоснабжение.
The wind has enormous kinetic energy. Existing wind power plant (WEA), especially of high intensity that are mainly propeller with a horizontal axis of rotation, to a large extent do not use this energy and begin to operate only when a speed of 3...6 m/s and the rotor installation low power savonius type, with 2.5. m/s.
To analyse the use of wind energy the wind turbine contains a chart. Each wind turbine has its own specific coefficient of utilization of wind energy. As an example, the power characteristics of the wind turbine Repower 480/600.
The most efficient way to use wind energy rotor wind turbines of small power is:
1. Exception flow of power to overhead loads connected to
the speed control of a wind turbine.
2. The division of consumers into three categories:
1) mechanical devices;
2) lighting, electronic devices, electric motors;
3) heaters with electronic regulation.
Rotary wind turbine with vertical shaft rotation are more opportunities for simultaneous supply of all three categories of consumers. In this regard it should be noted that in a strong wind stop wind turbine rotor with vertical shaft of rotation is not the best way to prevent accidents. Idle the turbine is forced to absorb the full force of the incoming wind flow. Operating the wind turbine converts part of the wind energy into the mechanical devices and the electric generator, and a portion of the remaining energy affects the design of wind turbines.
Low-power rotary wind turbine with vertical shaft rotation allow the best use of both mechanical and electrical energy in a wide set of agricultural technologies, and in combination with the simplicity of the device of the wind turbine, the possibility of self maintenance and environmental friendliness, they are most suitable for decentralized energy consumers.
Key words: rotary wind power turbine; wind power; energy supply.
Гуцевич Алина Александровна -
аспирант кафедры физики,
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: (8988) 755-77-74
Е-таИ: gutsevich.alina@yandex.ru
Халюткин Владимир Алексеевич -
доктор технических наук, профессор кафедры физики
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: (8988) 749-95-53
Gutsevich Alina Alexandrovna -
Graduate student of Department of physics Stavropol State Agrarian University Stavropol
Тel.: (8988) 755-77-74
Е-mail: gutsevich.alina@yandex.ru
Halyutkin Vladimir Alekseevich -
Doctor in Technical
Professor of Department of physics,
Stavropol State Agrarian University,
Stavropol
Тel.: (8988) 749-95-53
в
естник ЛПК
Ставрополья
№ 2(22), 2016
Агроинженерия
7
Алексеенко Виталий Алексеевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры
«Мобильные энергетические средства»
Ставропольский государственный аграрный университет
г. Ставрополь
Тел.: (8918) 751-34-79
Е-таМ: v.a.alexeenko81@gmail.com
Юров Игорь Борисович -
старший преподаватель кафедры «Мобильные энергетические средства» Ставропольский государственный аграрный университет г. Ставрополь Тел.: (8905) 410-01-02
Alekseenko Vitaliy Alekseevich -
Ph.D in Technical,
Docent of Department of mobile power tools Stavropol State Agrarian University Stavropol
Тel.: (8918) 751-34-79
Е-mail: v.a.alexeenko81@gmail.com
Yurov Igor Borisovich -
Chief lecturer of Department of mobile power tools Stavropol State Agrarian University Stavropol
Тel.: (8905) 410-01-02
Ветер обладает огромной кинетической энергией. Мощность ветрового потока с увеличением его скорости возрастает в кубе. Существующие ветроэнергетические установки (ВЭУ), в особенности большой мощности, которые в основном являются пропеллерными с горизонтальной осью вращения, в значительной степени не используют эту энергию. При малых скоростях ветра ВЭУ бездействуют, и только при скорости 2,5 м/с начинают работать роторные установки типа Савониуса, а пропеллерные - со скорости 3...6. м/с. При проектировании ВЭУ за расчетную принимают скорость ветра 8.9 м/с.
Чтобы проанализировать использование энергии ветра ВЭУ воспользуемся диаграммой, приведенной в литературе [1], на которой линия I соответствует удельной мощности Муд, Вт/м2, ветра, то есть полной мощности ветрового потока, проходящего через площадь 1 м2. Каждая ВЭУ имеет свой определенный коэффициент использования энергии ветра, с учетом которого, если бы ее энергетические возможности использовалась полностью в диапазоне скоростей от расчетной до максимальной, возможная получаемая от нее удельная мощность могла быть представлена линией II, Ивтм, Вт/м2.
Скорость ветрового потока г/, м/с
Рисунок 1 - Использование мощности ветра: I - удельная мощность ветра; II - возможная для использования удельная мощность ветра; III - используемая удельная мощность ветра; IV - расчетная мощность ВЭУ; V - используемая мощность ВЭУ; VI - коэффициент использования энергии ветра ВЭУ.
Возможная удельная мощность (линия II), эта та удельная мощность, которую может отдавать ВЭУ в виде некачественной механической или электрической энергии. Ее величина зависит только от совершенства конструкции ветродвигателя, выраженное через коэффициент использования ветрового потока и универсальности ВЭУ, которой в большей степени обладают установки с вертикальным валом вращения. Разность удельных мощностей ветрового потока (линия I) и (линия II) являются областью творческого поиска более совершенной конструкции ветродвигателя. Разность между возможной удельной мощностью ВЭУ (линия II) и используемой мощностью Nucn (линия III) является область поиска наиболее оптимальных способов регулирования и использования мощности, вырабатываемой ВЭУ. Расчетная мощность Npac4 (линия IV) характерна для мощных пропеллерных ВЭУ, которые вырабатывают только электроэнергию. К ним предъявляются жесткие требования по напряжению и частоте электрического тока. В силу этих требований энергия ветрового потока явно недоиспользуется по следующим причинам [2]:
ВЭУ рассчитываются на диапазон скоростей ветра, характерной для определенной местности.
Ветры, превышающие характерный диапазон скоростей, бывают сравнительно редко и рассчитывать конструкцию на это превышение экономически не выгодно, поскольку приводит к удорожанию конструкции. Рациональнее в таких случаях использовать способы, тормозящие ротор ВЭУ. Это обходится дешевле.
При повышенных оборотах ВЭУ его лопасти входят в зону возмущенного потока ветра и начинают его перемалывать. При этом коэффициент использования энергии ветра резко снижается.
Для того, чтобы продемонстрировать влияние вышеперечисленных причин приведем в качестве примера мощностную характеристику ВЭУ Repower 480/600 (stall, Pn=600 кВт, D=48,4 м) [2].
Вырабатываемая мощность этой ВЭУ представлена линией V, коэффициент использования энергии ветра - линией VI.
Следует обратить внимание на то, что при скорости ветра 3 м/с коэффициент использования его энергии ВЭУ интенсивно растет и достигает максимума при 8 м/с. Однако максимальной мощности, несмотря на снижение коэффициен-
8
,,„ „„„„, щ ^ Ставрооодья
научно-практическии журнал
та использования энергии ветра, ВЭУ достигает только при скорости ветра 14 м/с.
С увеличением скорости воздуха ветродвигатель ВЭУ тормозится и выключается. Приведенный пример полностью демонстрирует характер работы ВЭУ большой мощности и зависимость их конструкции от условий эксплуатации.
Наиболее рациональным способом использования энергии ветра ВЭУ малой мощности по нашему мнению, является:
1. Исключение расхода мощности на непроизводительные нагрузки, связанные с регулированием числа оборотов ветродвигателя.
2. Разделение всех энергопотребителей на три категории:
1) Потребители механической энергии вращающегося вала;
2) Потребители, для которых требуется качественная электроэнергия, то есть стабилизированная по направлению и частоте;
3) Потребители, которые не критичны к параметрам используемой электроэнергии.
К потребителям первой категории относятся механические устройства, приводящиеся в действие от вертикального вращающегося вала ВЭУ через механическую передачу крутящего момента; ко второй категории могут быть отнесены осветительные приборы, электронные устройства, электродвигатели;
К третьей категории следует отнести нагревательные приборы с электронным регулированием.
Рисунок 2 - Блок схема распределения потоков энергии, вырабатываемой ВЭУ по потребителям: 1 - роторная ВЭУ с вертикальным валом вращения; 2 - редуктор; 3 - электрогенератор; 4 - регулятор напряжения электрогенератора; 5 - контроллер зарядки аккумулятора; 6 - аккумулятор электрической энергии; 7- инвертор; 8 - потребители качественной электроэнергии; 9 - регулятор-распределитель некачественной электроэнергии по потребителям; 10 - потребители не качественной электроэнергии;
11 - потребители механической энергии вращающегося вала.
На рисунке 2 представлена блок-схема распределения потоков энергии вырабатываемой ВЭУ с вертикальным валом вращения между потребителями.
Роторные ветродвигатели с вертикальным валом вращения имеют более широкие возможности для одновременного энергоснабжения всех трех категорий потребителей.
В этом плане нужно отметить, что при сильном ветре остановка роторного ветродвигателя с вертикальным валом вращения не является лучшим способом предотвращения аварии. Неработающий ветродвигатель вынужден гасить всю силу набегающего ветрового потока. Работающий ве-
тродвигатель переводит часть ветровой энергии в работу механических устройств и электрогенератора, и только часть оставшейся энергии оказывает воздействие на конструкцию ВЭУ
Маломощные ВЭУ с вертикальным валом вращения позволяют наиболее рационально использовать как механическую, так и электрическую энергию в широком наборе сельскохозяйственных технологий, а в сочетании с простотой устройства ВЭУ, возможности самостоятельного технического их обслуживания и экологич-ностью [3,4,5], они наиболее приемлемые для использования децентрализованными энергопотребителями.
Вестник АПК
Ставрополья
: № 2(22), 2016
Агроинженерия
9
Литература
1. Халюткин В. А. Эффективность использования энергии ветра ветроэнергетическими установками малой мощности // Физико-технические проблемы создания новых экологически чистых технологий в агропромышленном комплексе : сб. науч. тр. по материалам V Российской науч.-практ. конф. (г. Ставрополь) / СтГАУ. Ставрополь, 2009. С. 215-221.
2. Безруких П. П. Использование энергии ветра. Техника, экономика, экология. М., 2008. 196 с.
3. Алексеенко В. А., Халюткин В. А., Юров И. Б. Роторный ветродвигатель // Сельский механизатор. 2013. № 7. С. 30-31.
4. Алексеенко В. А., Халюткин В. А. Теоретические исследования воздействия ветрового потока на лопасти роторного ветродвигателя в статике // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сб. науч. ст. по материалам VIII Междунар. науч.-практ. конф. в рамках XX Междунар. агропромышленной выставки «Агроуниверсал - 2013» (Ставрополь, 20-22 марта 2013 г.) и научно-практической конф. «Ресурсо- и энергосбережение в АПК. Альтернативные виды топлива» (Ставрополь, 7-8 ноября 2013 г.) / СтГАУ. Ставрополь, 2013. С. 158-164.
5. Физиологические воздействия работающих ветроэнергетических установок на человека / В. А. Алексеенко, В. А. Халюткин, А. П. Ульянов, И. Б. Юров, П. С. Красов // Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК : сб. науч. ст. по материалам VIII Междунар. науч.-практ. конф. в рамках XX Междунар. агропромышленной выставки «Агроуниверсал-2013» (Ставрополь, 20-22 марта 2013 г.) и науч.-практ. конф. «Ресурсо- и энергосбережение в АПК. Альтернативные виды топлива» (Ставрополь, 7-8 ноября 2013 г.). Ставрополь, 2013. С. 155-157.
References
1. Halyutkin V. A. efficiency of the use of wind energy wind energy low-power devices // Physical-technical problems of creation of new ecologically clean technologies in the agro-industrial complex : collection of scientific papers. tr. according to the materials of V Russian scientific.-practical. conf. (Stavropol) / SSAU. Stavropol, 2009. P. 215-221.
2. Bezrukikh P. P. Usage of wind energy. Technology, economy, ecology. M., 2008. 196 p.
3. Alekseenko V. A., Halyutkin V. A., Yurov I. B. Wind turbine Rotor // Rural machine operator. 2013. № 7. P. 30-31.
4. Alekseenko V. A., Halyutkin V. A. Theoretical study of the impact of wind flow on the rotor blades of a wind turbine in a static // Actual problems of scientific-technical progress in agriculture : collection of scientific on materials of VIII Intern. scientific.-practical. conf. in the framework of the XX Intern. agricultural exhibition «Agrouniversal-2013» (Stavropol, 20-22 March 2013) and scientific practical conference. «Resource and energy saving in agriculture. Alternative fuels» (Stavropol, 7-8 November 2013) / SSAU. Stavropol, 2013. P. 158-164.
5. The physiological effects of operating wind turbines per person / V. A. Alekseenko, V. A. Halyutkin, A. P. Ulyanov, I. B. Yurov, P. S. Krasov // Actual problems of scientific-technical progress in agriculture : collection of scientific on materials of VIII Intern. scientific.-practical. conf. in the framework of the XX Intern. agricultural exhibition «Agrouniversal-2013» (Stavropol, 20-22 March 2013) and scientific practical conference. «Resource and energy saving in agriculture. Alternative fuels» (Stavropol, 7-8 November 2013). Stavropol, 2013. P. 155-157.
