Разработка и создание парусной ветроустановки

Сегодня в США, Великобритании, Дании и Канаде производятся ветровые турбины мощностью 1 МВт электроэнергии (этого хватает, чтобы мгновенно  вскипятить 500 чайников). Самые большие  ветрогенераторы в мире - английская LS-1 на острове Оркни и американская MOD5-B на Гавайских островах. Лопасти  английской турбины имеют размах 60 метров, она производит приблизительно 3 МВт электроэнергии. Американская еще больше: размах лопастей 96 метров.

Однако вряд ли ветровая энергетика будет развиваться по пути гигантизма. Скорее, будущее принадлежит  средним турбинам, более удобным  в производстве и эксплуатации. Как  бы ни были велики и мощны современные  ветрогенераторы, они пока не могут  полностью обеспечить потребности  крупных городов. Небольшие ветровые электростанции успешно действуют  во многих странах мира. В США, например, где множество ферм и малых  городов расположено в труднодоступной  местности, всячески поощряется строительство  ветрогенератор в 1,5 киловатта. На одном  из Северо-Фризских островов в Германии уже много лет работает установка  для опреснения морской воды, а  на острове Пельворм даже создан полигон  для испытаний разных моделей  ветроустановок. В нашей стране ветрогенераторы  малой мощности успешно применяются  в южных животноводческих хозяйствах для механизации подъема воды. Практика показала, что использование  их обходится в 4 раза дешевле, чем  использование дизельных двигателей, и в 10 раз дешевле подвоза воды автомобилями.

Непостоянство силы ветра  требует надежной аккумуляции (сохранения) энергии на периоды затишья. Однако существующие аккумуляторы электроэнергии очень дороги и могут работать с хорошей отдачей лишь с малыми ветрогенераторами. Вследствие этого  энергию ветра лучше аккумулировать в самом продукте, который она  производит, - в смолотой муке, измельченных кормах, воде, наполнившей водонапорную башню. Все это повышает ценность применения ветровой энергии именно в сельском хозяйстве.

Одно из достоинств ветроустановок заключается в том, что они  действуют как бы в унисон с  нашими потребностями. В большинстве  регионов земного шара наиболее сильные  ветра дуют осенью и в начале зимы - как роз тогда, когда человек  больше всего нуждается в свете  и тепле. И наоборот, времена затишья - в основном летом - совпадают с  периодами сокращения потребления  энергии (мы говорим, разумеется, о бытовом  потреблении). Но это и другие достоинство  выглядят бледновато по сравнению с  основным недостатком: чтобы увеличить  мощность ветроустановки, надо наращивать размер лопастей, то есть, утяжелять  конструкцию. Однако тогда для работы ветрогенератора потребуется еще  большая скорость ветра, а значит, сузятся районы применения установки.

 

Постановка проблемы.

Республика  Казахстан  находится  на  этапе  устойчивого  социально-экономического  развития.  Ежегодный  прирост  внутреннего  валового (ВВП) продукта составляет  порядка 8  процентов.  Основной  прирост  ВВП  обеспечивается  за  счет горнодобывающей и нефтегазовой отраслей. Приняты государственные  программы по  диверсификации  экономики  и  развития  не сырьевых  отраслей  промышленности и  сельского  хозяйства.  Президентом  страны  поставлена  задача  входа  страны  в 50 наиболее  конкурентных  стран  мира.  В  то  же  время  экономика  страны  характеризуется   высоким  потреблением  энергии.   Высокая  энергоемкость экономики приводит  к  нерациональному  использованию  топливно-энергетических ресурсов,  снижает  конкурентно способность  экономики  и  приводит  к существенному  загрязнению  окружающей  среды.  В  Стратегии  индустриально - инновационного  развития  Республики  Казахстан  поставлена  задача  снижения энергоемкости  экономики в два раза к 2015г. Как  следствие высокого потребления  энергоресурсов  происходит  значительное  загрязнение  окружающей  среды.  По удельным  выбросам  парниковых  газов  на  единицу  ВВП (6,11  кг  СО₂/USD) Казахстан занимает третье место в мире.  Казахстан является участником  Киотского Протокола  и  обязан вести работы по  снижению  выбросов  парниковых  газов.  В  этой связи,  для  обеспечения  устойчивого  социально-экономического  развития Республики  Казахстан  необходимы  усилия  по  повышению  энергоэффективности  экономики  и  сохранению  окружающей  среды.  Одним  из  путей  сокращения потребления  топлива  и  вредного  влияния  на  окружающую  среду  является использование возобновляемых источников энергии.

В этой связи актуальным и своевременным является проект по созданию новых типов эффективных  ВЭУ.

 

Актуальность  проблемы.

В настоящее время в  РК работы по использованию энергии  ветра ведутся преимущественно  на территориях с хорошими ветровыми  условиями (Алматинская область, Акмолинская, Мангистаускаяи.т.д.). Разработка и создание ВЭУ для большей части территории Казахстана со среднегодовой скоростью  ветра менее 6 м/с, частыми перепадами его скорости и политропной розой  ветров требуют поиска новых технических  решений, обеспечивающих энергоэффективность  ВЭУ с совокупе с их невысокой  стоимостью и небольшими массогабаритными размерами. Разработанный ветрогенератор с горизонтальной осью вращения в  однофазном исполнении предназначен для  бесперебойного снабжения электроэнергией  мощностью до 220 В. При наличии  среднегодовой скорости ветра более  2,5 м/с достаточно ветроустановки мощностью 5 кВт для электроснабжения потребителей домов, коттеджей и т.д. В периоды сильного и продолжительного ветра излишки вырабатываемой электроэнергии могут использоваться для отопления помещений.

Кроме того, особо актуальна  эта проблема стоит в преддверии Международной выставки «Экспо 2017»  в г. Астана, результаты данного проекта  могут послужить в качестве выставочного материала отечественной разработки.

 

Цель исследования: разработка и создание парусного ветрогенератора, а также разработка новых износостойких материалов, использующихся при производстве ВЭУ.

 

Задачи:

   - Сборка и установка ВЭУ;

   - эксплуатация, оценка  и оптимизация рабочих параметров  ВЭУ;

   - построение зависимостей  скорости ветра и вращения  вала ВЭУ от вырабатываемой  мощности;

   - модернизация и  улучшение рабочих характеристик  ВЭУ в процессе его работы, оценка конкурентных преимуществ ВЭУ;

   - разработка технологии изготовления износостойких упрочняющихся материалов  для ВЭУ на базе опытно-промышленной площадки.

 

 

Гипотеза: С точки зрения научного эффекта, будут оптимизированы рабочие параметры ВЭУ и построены зависимости скорости ветра и вращения вала от вырабатываемой мощности данной ВЭУ; с точки зрения технического эффекта, будет создана эффективная инновационная ВЭУ, которая сможет производить электроэнергию, отдельные элементы которой будут произведены изготовлены на базе лаборатории.

 

Объект исследования: Парусный ветрогенератор.

Предмет исследования: Процесс преобразования ветрового потока в электроэнергию и подвод электроэнергии к потребителю.

Новизна: Ветровой генератор, отличающийся тем, что он использует парусные лопасти из прочной синтетики, закрепленные на ветроколесе,  соединенным с многополюсным генератором на постоянных магнитах.

 

 

 

 

Исследовательская часть

Аналитический обзор

Перспективы развития ветроэнергетики  Казахстана обусловлены высоким  потенциалом ветровой энергии в  РК и «Стратегией территориального развития Республики Казахстан до 2015 года», согласно которой намечены мероприятия  по проработке вопроса развития ветроэнергетики  в регионах, обладающих значительным потенциалом ветровой энергии. Казахстан  исключительно  богат ветровыми  ресурсами.  Порядка 50%  территории  Казахстана  имеет  среднегодовую скорость  ветра 4-5  м/с,  а  ряд  районов  имеет  скорость  ветра 6м/с  и  более,  что предопределяет  очень  хорошие  перспективы  для  использования  ветроэнергетики. По  оценкам  экспертов,  Казахстан,  одна  из  стран  мира,  с  наиболее  подходящими условиями  для  развития  ветроэнергетики.  Ветреные  места  расположены  в  Прикаспии,  в  центре  и  на  севере  Казахстана,  на  юге  и  юго-востоке   Казахстана.

Интерес  к  развитию  ветроэнергетики  объясняется следующими факторами:

• возобновляемый ресурс энергии, не зависящий от мировых рынков топлива;
• отсутствие выбросов вредных веществ и парниковых газов в атмосферу;
• развитый мировой рынок ветроустановок;
• конкурентная стоимость установленной мощности (1000-1400 долл. США/ кВт);
• конкурентная  стоимость  электроэнергии,  не  зависящая  о  стоимости топлива;
• снижение стоимости электроэнергии при децентрализованном обеспечении электроэнергией  отдаленных потребителей. 

На сегодняшний момент в мире существует множество типов  ветроустановок горизонтального и  вертикального исполнения. Парусные ветряки могут быть реализованы как с горизонтальной, так и вертикальной осью вращения ветроколеса. Основная часть сухопутных парусников является наследниками древнего критского ветроколеса, различные варианты которого продолжают использовать в ветряных мельницах Испании, Греции и в других странах Средиземноморья [1-3].

По сравнению с лопастями  классических мельниц, например, голландских  или российских, парусные лопасти  проще в изготовлении, эксплуатации или ремонте. У паруса есть одна важная особенность, которой нет у классической лопасти. Парус практически мгновенно  подстраивается под силу и направление  ветра, что обеспечивает возможность  работы парусного ветряка в широком  диапазоне скоростей ветра, от самых  малых до буревых. Так как паруса располагаются по периферии ветроколеса, то даже при слабом ветре такое  ветроколесо передает на ось электрогенератора  заметную мощность, тогда как сечение лопасти у классического лопастного ветряка уменьшается от центра к периферии, поэтому лопастные ветряки, не способны утилизировать слабый ветер. В конструкции парусных ветряков есть много положительных качеств. Общая схема любой ветроустановки показана на рисунке 1  [4-7].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Общая схема ветроустановки

 

Парусные ветроустановки отличаются от традиционных лопастных ветроустановок дешевизной, абсолютной экологичностью, способностью использовать энергию слабых ветров. К примеру, классический лопастной ветрогенератор малой мощности нельзя поставить на пасеке из-за вероятности смертоубийства пчел и другой живности. Отсутствуют звуковые возмущения, вибрации и другие отрицательные стороны традиционных ветряных систем. Парусные ветрогенераторы лучше всего подходят для сельской местности. Сельскому жителю, имеющему подворье, постоянно приходиться запаривать корм животным или обогревать теплицы. Кроме того, для нужд хозяйства нужна и механическая энергия, к примеру, для водоподъема или прессования самана. Эта информация дает достаточно полное представление, что парусные ветроустановки могли бы при массовом применении в сельской местности и в небольших городах решить многие проблемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

Результаты работы и  их обсуждение

 

Разработан ветрогенератор с горизонтальной осью вращения в  трехфазном исполнении предназначенный для бесперебойного снабжения электроэнергией мощностью до 220 В. Предлагаемый парус ветроустановки, сделан из агротекса и очень быстро подстраивается под направление дующего ветра, что дает возможность работы парусного ветрогенератора при различных скоростях ветра. Можно будет избежать неравномерности в скорости ветра по высоте, так как каждый парус, работая на общую ось, гибко сам будет подстраивается под силу и направление локального воздушного потока. Кроме того, как показали наблюдения на лабораторном макете, при движении ветра, паруса создают между собой систему воздушных каналов, воздух в которых перенаправляется в таком направлении, что обеспечивается увеличение мощности ветроколеса, так как увеличение скорости воздуха между парусами приводит к падению давления между ними, а значит, в эти зоны будет устремляться воздушные потоки, «пролетающие» рядом с ветроколесом (аэродинамический эффект). По результатам наших наблюдений агротекс предварительно необходимо обработать раствором полиуретана на основе сложного полиэфира.  В течение полугода были произведены испытания материала парусов на стойкость к погодным условиям и по предварительным расчетам, срок службы составит не менее 3 – х лет. По данным «Казгидромет» в нашем городе средняя скорость ветра по направлениям составляет 3,9 м/с, а средне годовая скорость ветра – 2,3 м/с, но в отдельных местах города и пригорода средне годовая скорость ветра достигает – 5м/с. Как видно, из приведенных данных этой скорости будет достаточно для постоянного вращения парусов ветроустановки (минимальная скорость ветра при которой паруса будут вращаться-1,9м/с).

В нашем проекте для защиты от высоких скоростей ветра используются способ запрокидывания ветроколеса вверх вследствие давления ветра непосредственно на элементы конструкции самого ветроколеса. На лопастные ветроустановки при резких порывах ветра действуют дополнительные нагрузки в поворотных шейках опор, а в предлагаемой нами установки каждый парус крепится на двух опорах, что в свою очередь,  приводит к уменьшению нагрузки. Кроме того, рассчитанная несущая способность мачты показывает, что радиус и материал трубы подобран с 10-ти кратным запасом прочности (расчеты были произведены с помощью программы StructureCAD). Собственный вес ВЭУ введен программой по плотности и геометрическим характеристикам всех составляющих элементов рис. 2).

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Процесс расчета несущей способности мачты в программе StructureCAD