автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Исследование ресурсов ветровой и солнечной энергии Республики Армения и разработка рекомендаций по повышению их эффективности

На правах рукописи

Погосяя Армен Воваевич

. ' / ¿¿¿¿¿у

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕСУРСОВ ВЕТРОВОЙ И СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ РЕСПУБЛИКИ АРМЕНИЯ И РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ

ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность: 05.14.08 «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии»

АВТОРЕФЕРАТ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

005553728

г 1 ОКТ 2014

Москва - 2014

005553728

Работа выполнена на кафедре «Гидроэнергетика и возобновляемые источники энергии» ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» г. Москва.

Научный руководитель:

Цгоев Руслан Сергеевич

доктор технических наук, профессор кафедры «Нетрадиционных и возобновляемых источников энергии»

доктор технических наук, профессор Объединённого института высоких температур РАН, Заведующий лаборатории возобновляемых источников энергии и энергосбережения

Жданов Евгений Васильевич кандидат технических наук, ведущий специалист Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский электротехнический институт»

ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты:

Попель Олег Сергеевич

Ведущая организация:

ЗАО НПО

«Нетрадиционная электроэнергетика»

Защита состоится «21» ноября 2014 года в 16 часов 30 мин в аудитории Г-200

на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, 2 этаж, корпус «Г».

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан

2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03 кандидат технических наук

Дичина О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

По официальным данным в Армении в 2011 году было произведено 7,4 млрд кВт/ч электроэнергии, стоимость электроэнергии составляла 30 драмов за 1 кВт-ч; доля Армянской АЭС в общей генерации составила около 40 % (2 461 658 858 кВт«ч). Сегодня стоит вопрос остановки действующего блока Армянской АЭС (400МВт) и замещения его новым реактором в 1000 МВт.

Стоимость строительства нового блока Армянской АЭС составит около $5-6 млрд. Россия готова профинансировать 35% от стоимости проекта по строительству нового энергоблока Армянской АЭС (ААЭС).

В ближайшие 10 лет Армения должна иметь возможности по замещению необходимой годовой генерации не менее 3,5 млрд кВт/ч. Такую генерацию можно обеспечить как строительством новой АЭС, так и введением в строй 5-го блока Разданской ТЭС (для местного рынка), а также частичным использованием возобновляемых источников энергии — таких как ветровая и солнечная.

Особое значение для обеспечения стабильного развития Республики Армепия (РА) имеет, повышение степени независимости ее собственной энергосистемы. В условиях Армении это означает сокращение зависимости от импортируемого топлива, что в свою очередь положительно скажется на платёжном балансе Армении, повышении ее безопасности и конкурентоспособности на международной арене.

Не менее важен и вопрос выявления собственного потенциала возобновляемой энергии и его эффективного использования в экономике. В работе анализируются ветровые и солнечные энергетические потенциалы РА.

Валовой ветровой потенциал РА на высоте 10м по сделанным расчетом составил 1538,3 млрд. кВт/ч, около 10% которого экономически возможно для использования путём строительства сетевых ветроэлектростанций (ВЭС). Стоимость инвестиционных проектов по строительству ВЭС в Армении составляет около $2,2 млн на 1 МВт установленной мощности. Таким образом, строительство ВЭС общей мощностью 1000 МВт обойдется в $2,2 млрд. Другими словами, замещение только той части генерации, которая сегодня обеспечивается Армянской АЭС, может обойтись в $2,2 -2,5 млрд. Конечно, при высокой доле производства электроэнергии на ВЭС возможны некоторые технические проблемы, связанные с диспетчированием мощностей и производством электроэнергии при отсутствии развитых региональных сетей, однако практика тех стран, где доля ВЭС в общей выработке составляет более 20%, показывает, что технические решения возможны.

Таким образом, наличие в Армении значительного ветроэнергетического и солнечного потенциала, других возобновляемых источников энергии, а также огромные возможности энергосбережения и энергоэффекгивности дают повод для переосмысления стратегии

развития энергетики в Армении и поиска возможных альтернативных, более безопасных решений, разработки и внедрения соответствующей государственной политики. Через 5-10 лет нам так и так придётся платить высокий тариф на электроэнергию - так лучше платить за безопасную и независимую энергетику.

Цель диссертационной работы:

- Исследование и расчёт потенциала возобновляемых источников энергии (ВИЭ) Республика Армения (РА) - энергии ветра и энергии солнца, разработка рекомендаций по повышению их использования; сравнительный анализ результатов расчётов указанных ВИЭ с использованием открытых специализированых баз данных (СБД) "Погода России", "Расписание погоды", "Справочник по климату СССР", "NASA" и "Meteonorm" с БД "Кадастр" РА. Исследование повышения эффективности ВЭУ регулированием угла установки лопастей ветроколеса. Разработка методики выбора ветроэнергетической установки (ВЭУ) в рассмотренной местности.

Основные задачи исследований.

Для достижения постановленной цели в работе был сформулированы и решены следующие задачи:

1. Сравнительный анализ ветровых и солнечных данных по БД «Кадастр» РА с остальными общедоступными СБД.

2. Расчет и оценка валового ветрового и солнечного потенциала РА.

3. Разработка методики выбора ветроэнергетической установки (ВЭУ) в рассмотренной местности.

4. Повышение эффективности ВЭУ регулированием угла установки лопастей ветроколеса.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Результаты исследования энергопотенциала возобновляемых источников энергии (ВИЭ) РА - энергии ветра и энергии солнца: на основе сравнительного анализа и сопоставления БД "Кадастр" РА с остальными известными СБД, разработаны рекомендации по повышению их использования.

2. Предложена методика выбора ВЭУ для ВЭС в рассмотренной местности.

3. Предложена методика повышения эффективности ВЭУ регулированием угла установки лопастей ветроколеса.

Основные положения, выносимые на защиту.

На защиту автором выносится следующие положения:

1. Исследования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) РА - энергии ветра, энергии солнца по кадастровым данным на основе анализа и сопоставления БД "Кадастр" с СБД "Погода России", "Расписание погоды", "Справочник по климату СССР", "NASA" и "Meteonorm" и разработанные рекомендации по повышению их использования.

2. Методика выбора ВЭУ для ВЭС в рассмотренной местности.

3. Методика повышения эффективности ВЭУ регулированием угла установки лопастей ветроколеса и анализ повышения эффективности на разных высотах оси вращения (30, 38 и 50м) ветроколеса.

Методика исследований.

Решение поставленных в работе задач осуществлялось на основе использования методов системного анализа, методов математического программирования и методов математической статистики.

Практическая значимость результатов диссертационного исследования заключается в том, что в проведенной работе получена исходная информация по валовым ресурсам ВИЭ и их распределение по территории РА, что позволяет оценить перспективность их использования в других регионах страны. Разработаны методики и программное обеспечение для выбора ВЭУ для ВЭС в рассмотренной местности, повышение эффективности ВЭУ регулированием угла установки лопастей ветроколеса и разработаны рекомендации для повышения выработки электроэнергий в РА по возобновляемым источникам энергии (энергии ветра, энергии солнца).

Достоверность научных результатов и выводов.

Достоверность научных положений, теоретических выводов и практических рекомендаций диссертации подтверждается применением апробированных методов математического программирования и математической статистики, сравнительным анализом и. сопоставлением общедоступных СБД.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на двух научно-технических конференциях: "Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях" (26-28 июня 2013г., Москва), "Научный семинар по вопросам использования возобновляемых источников энергии, повышения энергоэффективности и энергосбережения" (16 октября 2013 г, "МЭИ"), "Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях" (2527 июня 2014 г., Москва), VII международной Школе-семинаре молодых учёных и специалистов "Энергосбережение-теория и практика" (13-17 октября 2014г. Москва)

Публикации.

По основным результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе две статьи в печатных изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 1 патент на изобретения.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, список литературы, 2 приложения.

Объем работы составляет 182 страниц, включая 33 страницы приложений, содержит 60 иллюстраций и 74 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и основные задачи исследования, приведены научная новизна, методика исследования и практическая значимость результатов диссертационной работы.

В первой главе дан анализ современного состояния и перспектив развития топливно-энергетического комплекса и физико-географическая характеристика Армении.

По официальным данным, в Армении в 2011 году было произведено 7,4 млрд. кВт/ч электроэнергии, стоимость электроэнергии составляла 30 драмов за 1 кВт/ч.

По данным за 2012 год, самая большая доля производимой в стране электроэнергии приходится на тепловые электростанции (ТЭС) (Ереванская и Разданская) — 42%, затем идут гидроэлектростанции и ветроэлектростанции — чуть более 29% и Армянская атомная электростанция (ААЭС) — менее 29%.

В результате сокращения спроса и резкого повышения цен на топливо производство электроэнергии в Армении по сравнению с 1990г. сократилось на 43% (по сравнению с 1987г. - на 71%). В 2000г. производство электроэнергии составило 5957.6 ГВт.ч, в том числе на ТЭС - 2692 ГВт-ч (45.2%), на АЭС - 2005.4 ГВт-ч (33.7%), на ГЭС - 1260.3 ГВт-ч (21.2%).

Потребление энергии в 2000 г. составило 3565.67 ГВт-ч, в том числе населением -1234.14 (35.17%), в промышленности - 698.45 (19.5%), сельском хозяйстве - 474.4 (13.31%), в водоснабжении - 323.44 (9.1%), бюджетными организациями - 101.13 (5.4%), прочими -522.65(17.52%). .

На 2008 год электропотребление в Армении на душу населения составляет 1577 кВт/ч (для сравнения, в России этот показатель равен 6435 кВт/ч)

В 1988 г., после Спитакского землетрясения, по причинам безопасности, эксплуатация ААЭС была прекращена, хотя сама станция не была повреждена. В 1995 г. в целях преодоления глубокого энергетического кризиса был перезапущен 2-ой энергоблок станции мощностью 408 МВт. В настоящее время на долю ААЭС приходится 33% общей выработки электроэнергии. Как известно, атомные электростанции не приводят к выбросам парниковых газов, однако здесь остро стоят проблемы безопасности эксплуатации станции и радиоактивных отходов. Жидкие радиоактивные отходы накапливаются в больших

количествах И их переработка, в основном выпариванием, является очень энергоёмким процессом и не решает проблемы в целом.

В настоящее время гидроресурсы являются в Армении единственным источником энергии промышленного значения, половина экономического потенциала которого уже освоено (1500-1600 ГВт-ч). На ГЭС Армении приходится 28.2% всей установленной мощности электросистемы. В период энергетического кризиса и остановки атомной электростанции ГЭС обеспечивали до 64% общей выработки электроэнергии. Выделены первоочередные проекты, и в ближайшие 15-20 лет намечено построить крупные, средние и малые ГЭС общей мощностью 300 МВт и выработкой 1234 ГВт-ч электроэнергии. Осуществление этих проектов приведёт к годовой экономии органического топлива на 422 тыс. т.у.т. и снижению выбросов двуокиси углерода на 692 тыс. т. В Армении планируется построить порядка 115 малых ГЭС. В настоящее время количество действующих малых ГЭС в Армении составляет 70 (общей мощностью 89 МВт и объёмом выработки 300 млн. кВт-ч/год), еще 64 малых ГЭС получили лицензии на строительство.

Вследствие неудовлетворительного технического состояния электросетевого хозяйства имеют место значительные потери энергии при передаче и распределении, снижающие общую энергоэффективность электросистемы. Большую роль в экономии электроэнергии может сыграть распределённое энергоснабжение "distributedgenerating". Это единая система, осуществляющая оптимальное управление энергоснабжением и потреблением, включающая централизованные и децентрализованные (локальные) электростанции

Начиная с 1994 г. в Армении при содействии международных организаций было разработано семь программ развития электроэнергетики на период до 2010,2015 и 2020 гг.

Республика Армения находится в Азии (Ближний Восток), конкретные координаты 40° 00' с.Ш., 45° 00' в.д. страна в Закавказье не имеющая выхода к морю. Расположена на северо-востоке Армянского нагорья, ещё именуемого исторической Арменией, между Чёрным и Каспийским морями, с севера и востока обрамлена хребтами Малого Кавказа. Граничит с Грузией (164 км), Азербайджаном (566 км), Ираном (35 км), Турцией (268 км). Армения является самой высокогорной страной Закавказья. Свыше 90% её территории, составляющей примерно 29 800 км2, находится на высоте более 1000 м, около половины — на высоте более 2000 метров, и лишь только 3% территорий лежат ниже отметки 650 м.

На территории Армении существует около 9480 малых и больших рек общей протяжённостью 23000 км, из них 379 имеют длину 10 км и более. На тепловые электростанции приходится наибольшая доля (49%) установленной мощности электросистемы Армении. По сравнению с 1990г. производство электроэнергии на ТЭС сократилось на 68%, тепловой энергии - на 77%. В качестве топлива на тепловых электростанциях используется импортируемый природный газ.

Таким обозом, задача поиска дополнительных источников энергии, в том числе солнечной и ветровой, актуально для современной Армении.

Вторая глава посвящена определению валового ветрового потенциала Республики Армения (РА) по кадастровым и наземным метеорологическим и аэрологическим базам данных (СБД) на разных высотах.

Был сделан сравнительный анализ и сопоставление базы данных (БД) «Кадастр» с остальными СБД, которые есть в открытом доступе. Бьши построены изолинии скорости ветра, удельной мощности ветропотока (см. рис. 1) и удельной энергии.

Для расчётов валового ветроэнергетического потенциала РА были использованы кадастровые данные (БД "Кадастр") от министерства по чрезвычайным ситуациям РА ("Национальная служба мониторинга и гидрометеорологии Армении").

На территории Армении по БД "Кадастр" имеется информация по тринадцати метеостанциям (МС) за период 01.01.2007-30.12.2011 (направление ветра, скорость ветра), которые фиксировались каждые три часа (8 раз в сутки по Гринвичу).

Расчёт валового ветрового потенциала РА Эвал на высоте 10 м за период времени один год Т (среднемноголетний) производится по формуле:

где п - количество зон, на которые поделена территория РА, с одинаковыми условиями (географическое положение, ландшафтные условия) формирования ветра; Л^1 - удельная мощность ветрового потока в /-ой зоне, кВт/м2; Р, -площадь /-ой зоны.

По построенным изолиниям среднемноголетней удельной мощности ветра на высоте 10 м по территории РА (см. табл. 1 и рис. 1) была разбита на 6 зон: 1-ая зона удельная мощность в диапазоне от 0,35 до 0,45 кВт/м2, 2-ой зона - от 0,25 до 0,35 кВт/м2, 3-ья зона - от 0,15 до 0,25 кВт/м2, 4-ая зона - от 0,1 до 0,15 кВт/м2, 5-ая зона - от 0,05 до 0,1 кВт/м2, б-ая зона - от 0,02 до 0,05 кВт/м2. Была проведена оценка площади каждой зоны (см. табл. 1) и осуществлён расчёт ее валовой мощности.

Примем, что целесообразно использование ветрового потенциала на территории, где удельная мощность ветропотока составляет более 0,2 кВт/м2 (первые два зоны табл. 1). Для этих зон суммарная валовая энергия составляет ~478 млрд. кВт-ч. При использовании ветроустановок с эффективностью всего 20% это составит 95,6 млрд. кВгч, что существенно превосходит вырабатываемую в течение года энергосистемой РА энергию (8.01 млрд. кВгч):

(1)

95,6 млрд. кВт • ч

12 раз

звал

^энергосист.

8.01 млрд. кВт • ч

Это свидетельствует о возможном широком использовании ветроэнергетики в РА.

8

Таблица 1.

Расчёт валового потенциала ветровых ресурсов на высоте Юм по территории РА

Площадь района, км2

кВт/м2

г^вал

млрд. кВт'Ч

390,82

260,55

325,69

11897

390,82

Итого

29743

1538,3

0,46кВт/кв. и 0,44к8т/кв. м 0,42к8т/кв. м 0.4хВт/кв. (А 0,38кВт/м. м 0,35кВт/кв. м 0,34кВт/кп. м 0,32кВтЛ®. ы 0,ЗхВт/кв. м 0,28кВт/га. м 0,26к8т/ко м 0,24кВт/кв. ы 0,22к8т/кв. М 0,2кВт/кв м О.ШВт/те. м 0,16кВт/кв. м 0,14к8т/кв. ы 0,12кВгЛш. и 0,1кВт/кв. м О.ОВкВтЛя. м 0,0бкВт/ке. м 0.04к8т/кп. м 0,02кВт/»®. м

Долгота (X)

Рис. 1. Изолинии среднемноголетней удельной мощности (с учётом аэрологических и метеорологических станций) ветра на высоте 10 м по территории РА

Третья глава посвящена разработке методики выбора ветроустановки и повышение эффективности ВЭУ

Рассмотрим, правильно ли выбрана ВЗУ "Радуга 1" для данной местности, как распределена мощность ветропотока по всей высоте ветроколеса, и на основании этого определим возможность повышения эффективности ВЭУ применением специальной системы регулирования углов установки лопастей ветроколеса ВЭУ.

Все расчёты будем проводить для ВЭУ "Радуга 1так как в литературных источниках опубликован наибольший объём доступных и необходимых технических данных.

Выбор ВЭУ для данной местности осуществляется в следующей последовательности:

1. Для оценки ресурсов ветропотенциала данной местности воспользуемся статистической обработкой многолетнего ряда часовых значений скорости ветра, например, из СБД "Расписание погоды" на высоте флюгера от поверхности земли.

2. Перерасчёт скорости ветра к высоте оси вращения ветроколеса (башни) ВЭУ осуществляется, например, по известной формуле

yh = yh=10

■(e)"

где m=0,2.

Высота до оси вращения ветроколеса ВЭУ "Радуга 1" составляет 38 м, радиус ветроколеса 24 м.

3. По пересчитанным на высоту установки ВЭУ данным скорости ветра рассчитываются кривые повторяемости, например, по формуле Гриневича:

AV ( V У'' -ЧгТ (ГП = 1.038*—* — L "J *100

^ W , (3)

где F- текущее значение скорости ветра, м/с; Vcp — средняя многолетняя скорость ветра, м/с; AV - шаг расчёта (например, 1 м).

График кривой повторяемости t = /(V) скорости ветра по формуле (3) приведён на рис.

2.

4. Там же приведён график известной зависимости удельной годовой энергии Эуц = /СО на один квадратный метр (в функции скорости ветра) ортогональной потоку ветра площади, определяемой по формуле

„ 1=25 /=25 п

= | (^-8760 = 8760,(4)

. 2 " ы лГ -год

где р - удельный вес воздуха; Р01 - удельная мощность невозмущённого ветропотока на 1-м интервале градации скорости ветра.

5. Вообще нас интересует в формуле (4) произведение равного

Руд - f(V) = Рщ •ii('//)1—г> с максимумом характеристики которого совпадает и максимум м

характеристики Э^ = /(К). Согласно графику, он достигается при скорости ветра примерно 13 м/с.

6. На рис. 2 также приведён график Рзэу = f(V) мощности ВЭУ "Радуга 1", взятый из литературы.

7. Из рис. 2 видно, .что скорость ветра номинального режима (точка начала горизонтального участка графика = /(Р) мощности, соответствующая номинальному режиму при Рвэу= const) практически совпадает со скоростью ветра максимума

характеристики Эуд = /(V), что свидетельствует о правильности выбора ветроустановки "Радуга 1" для данной местности. Обосновывается это тем, что чем в меньшем интервале скорости ветра производные характеристик Э# = /(V) (точнее, Р^ = имеют одинаковый и положительный знак, тем больше естественный прирост выработки энергии. В реальности, чем ближе восходящая часть характеристики Рвэу = /(К) к характеристике мощности Рид = /(V) идеального ветроколеса, определяемого по формуле

(5)

где 5 - площадь ветроколеса; С™"* =16/27 - коэффициент мощности идеального ветроколеса (критерий Жуковского-Бетца), тем более эффективна реальная ветроустановка.

Эуд. НВГ'Ч/М! ¿ООО

аоо 600 400

о 1 2 .3

/

V

Л

\

£

/

г

5 6 7

Эуд (V) -

1 9 Ю 11 12 13 14 15 Ю 17 16 -■ график мощности Радуги - 1

) 21 2г 23 24

Рис. 2. Вероятностное распределение скорости ветра I = /(V), удельный ветроэнергетический потенциал ветрового потока Э^ = /(К) на высоте оси вращения ветроколеса ВЭУ и характеристика мощности Рвэу = /(К) ВЭУ "Радуга -1" При этом математическая модель ветроколеса представлена формулами, определяющими:

• быстроходность:

к-п-Я.

2 = -

(б)

30-V '

где п - скорость вращения ветроколеса, об/мин; Я - радиус ветроколеса, м; • коэффициент мощности ветроколеса:

СР=2-СМ, (7)

где См - коэффициент крутящего момента ветроколеса, характеристика См = /{2) строится при продувке в аэродинамической трубе модели ветроколеса (обычно характеристика задана) и, по сути, является аэродинамической характеристикой ветроколеса;

• мощность ветроколеса:

Р=0.5-р-я-Яг-V' 'С?, (8)

• крутящий момент ветроколеса:

М(9)

71 -П

Поскольку скорость ветра по высоте ветроколеса распределяется существенно неравномерно (см. рис. 3) то и мощность ветропотока будет распределяется неравномерно по высоте ветроколеса.

Рис. 3. График изменения скорости ветра по всей высоте ветроэнергетической установки (высота башни = 38 метрам) Рассмотрим, как было указано выше, возможность использования системы регулирования угла установки лопастей ветроколеса для повышения эффективности ВЭУ.

Для этого воспользуемся семейством графиков коэффициентов крутящего момента от быстроходности 2 при разных углах ср установки лопастей ветроколеса См = представленном на рис. 4.

В соответствии с характеристиками См = (р) по уравнениям (6) - (8) были рассчитаны и построены для трёхлопастной ВЭУ "Радуга 1" при номинальной скорости вращения (п = 3&об/мин) характеристики РВЭУ = /(V,^мощностей ВЭУ в функции скорости ветра К при различных углах ср установки лопастей (рис. 5).

Эти характеристики справедливы при одновременном и совместном регулировании общего для всех лопастей ветроколеса угла <р установки. Из семейства характеристик

Рвэу = >Ф)мощностей ВЭУ видно, что если, например, провести горизонтальную линию при Рвэу = \йййкВт, то этот режим можно обеспечить традиционным методом, а именно -увеличением общего для всех лопастей ветроколеса утла <р установки. Именно так обеспечивается горизонтальный участок приведённой на рис. 2 характеристики мощности ВЭУ "Радуга 1".

Если же провести вертикальную линию условно при постоянной скорости ветра, например при У=18 м/с, то график мощности при <р = 0° разделяет пространство мощностей на две зоны: для режимов, графики мощностей которых проходят выше графика мощности при (р- 0°, возрастание угла ¡р>0° ведёт к увеличению мощности ВЭУ, а для режимов, графики мощностей которых проходят ниже графика мощности при ср = 0°, возрастание угла <р> 0° ведёт к уменьшению мощности ВЭУ.

Эта особенность режимов ветроколеса позволяет рассмотреть возможность регулирования угла ^установки каждой г'-й лопасти отдельно и независимо от других лопастей ветроколеса в функции от высоты ее положения в течение каждого оборота ветроколеса. Следует отметить, что, например, при одних и тех же условиях характеристика Рюу = /(V, ср) мощности каждой г-й лопасти будет иметь такой же характер, но, например, для трёхлопастного ветроколеса (как у ВЭУ "Радуга 1") будет в три раза меньшей амплитуды.

Сл,

Рис. 4. Зависимость коэффициента крутящего момента от быстроходности Си = Яг,ср) при разных углах р установки лопастей ветроколеса

13

С учётом вышесказанного для небольшого диапазона регулирования угла установки (например, 0° <ср<, 3°) строим мощностную характеристику для одной лопасти при разных углах одного проворота ветроколеса.

Так как диапазон изменения скорости ветра по всей высоте ветроколеса уже известен, то каждая лопасть проходит все эти значения за один оборот ветроколеса. При этом, взяв значения мощности по графикам Рвэу = /(V), например при <р = 0°, строим для ¡-й лопасти график

= (10)

скорость ветра, м/с

Рис. 5. Графики мощности ветроколеса ВЭУ "Радуга 1" при разных углах установки лопастей ветроколеса и в соответствии с рис. 4

Полученный график приведён на рис. 6. Там же приведены аналогичные графики для других значений угла <р за один оборот ветроколеса (0° <со• / <360°, где а- угловая частота вращения ветроколеса, I - время), а также график огибающей этих характеристик, по

14

сути, предполагающей работу ВЭУ по огибающей характеристик См = f(Z,(p) согласно рис. 5 (на рис. 5 огибающая не показана), что обеспечивает максимальную эффективность ВЭУ. Огибающая кривая рис. 6 показывает, по каким углам <р установки надо регулировать лопасть для получения максимальной мощности и, соответственно, увеличения выработки электроэнергии. Примем, что при a>-t = 0° лопасть находится в нижнем положении (ниже оси вращения ветроколеса), а при а> ■ t = 180° . в верхнем положении.

По формулам (7) и (8) и характеристике на рис. 5 можно рассчитать мощность, вырабатываемую ВЭУ при разных углах <р установки лопасти.

Рис. 6. Характеристика мощности, выдаваемая одной лопастью за один оборот ветроколеса (высота оси его вращения ветроколеса 38 м) при различных углах <р установки лопасти: 1 - огибающая всех характеристик; 2 - характеристика мощности одной лопасти при q> =0°; 3- то же при rp= 1 4 - то же. при q> =2°

Однако ветроколесо в нашем случае имеет три лопасти, сдвинутые в пространстве на 120° друг относительно друга. С учётом этого на рис. 7 построены три графика (графики 5, 6 и 7) характеристика мощности, аналогичные приведённой на рис. 6 огибающей, сдвинутые также в пространстве на 120° друг относительно друга. Эти три графика просуммированы. Из рис. 7 очевидно, что суммарный график (на рис. 7 график 2) мощности явно содержит

15

третью гармонику. Там же приведён интегральный график 3 суммарного графика 2 и интегральный график 4 суммарного графика, рассчитанного для режима при р =0°. Из сравнения этих двух графиков следует, что при дополнительном (к основному) регулирований угла установки в диапазоне 0° ^ ср < 2° увеличение мощности ВЭУ составляет ~1%.

бО 12С ¿ВО 240 ЗОО ЗбО

изменение положения лопастей за одни оборот (градус)

Рис. 7. Характеристика мощности трехлопастей со смещением на 120° друг относительно друга (высота оси вращения ветроколеса 38 м): 1 - мощность ВЭУ, рассчитанная по формуле (8); 2 - суммарная мощность, рассчитанная для огибающей; 3 -интегральная мощность для графика 2; 5, 6, 7 - характеристика мощности трёх лопастей ветроколеса со смещением на 120°; 4 - интегральная мощность, рассчитанная для угла ¡р =0°

установки лопасти

Путём дополнительного регулирования угла установки каждой лопасти в отдельности в пределах 0° < (р < 3° в течение каждого оборота ветроколеса так, чтобы при прохождении лопасти из положения ниже оси вращения в верхнее угол менялся от большего значения к меньшему, повышается эффективность ВЭУ.

Для ВЭУ "Радуга 1" с высотой оси вращения 38 м и радиусом ветроколеса 24 м увеличение мощности составляет ~\%.

Кроме того, из сравнения графика 1, рассчитанного по уравнению (8), и указанного графика 3 следует, что для такой ВЭУ уравнение (8) даёт результат, завышенный на -6,4%.

В четвертой главе был проведен сравнительный анализ и определение валового солнечного потенциала Республики Армения по кадастровым и другим СБД.

Наибольшая длительность солнечного сияния бывает на равнинных территориях, где горизонт не закрыт горами. Многие территории республики по длительности солнечного сияния, в особенности Араратская равнина, могут сравниться с субтропическими зонами Средней Азии. В тёплый период длительность солнечного сияния, в республике составляет 82...87% от годовой, а в среднем длительность солнечного сияния составляет 58%.

Для сравнительного анализа и определение валового солнечного потенциала РА были использованы кадастровые данные (БД "Кадастр") от министерства по чрезвычайным ситуациям РА ("Национальная служба мониторинга и гидрометеорологии Армении").

В кадастре РА имеются данные 3 МС ("Помри", "Ереван" и "Мартуни") по солнечному излучению в период 2005 до 2011 гг. Данные фиксируется 5 раз в день и через каждые 3 часа (07:30, 10:30, 13:30, 16:30 и 19:30).

Для определения валового солнечного потенциала РА был сделан сравнительный анализ БД "Кадастр" с СБД "Meteonorm 7.0", "Справочник по климату СССР" и "NASA".

Практически во все месяцы в СБД ("Meteonorm", "NASA" и "Справочник по климату СССР") среднегодовые значения солнечной радиации на горизонтальную поверхность по сравнению с БД "Кадастр" завышены.

Учитывая тот факт, что только СБД "Meteonorm" и "NASA" выдают CP по координатам, а также то, что и СБД "Meteonorm", по сравнению "NASA", при сравнительном анализе с кадастровыми данными выдает меньше погрешности и имеет преимущество поскольку выдает 8760 значений, в дальнейших расчетах CP для территории РА была выбрана СБД "Meteonorm".

С помощью программного обеспечения Meteonorm 7.0 по территории РА для 24 городов (населённых пунктов) были сняты среднемноголетние значения CP и был определён оптимальный угол наклона.

Коэффициент пересчёта среднемесячных суточных приходов солнечной радиации с горизонтальной на наклонённую приёмную площадку:

Отношение среднемесячных приходов прямой солнечной радиации на наклонённую и горизонтальную приёмные площадки:

(Н)

KZ ~ i1 ~ 4) ' К"Р + КА

.г l+cosfi 1-cosg

(12)

cos(<p°-B°)-cos 5°-sin o)Z•sin(<p°-/?°)-sin 5е _________

COS (p°■ COS 56-Sin it>3Wg-sin ^p°-sin 6°

где обозначим:

Угол склонения Солнца:

S°(nj) = Г ■ sin(^ ■ (284 + nj)), (14)

где для северного полушария <5° = 23°27'; n¡ - число, характерное дням месяца. Часовой угол захода солнца на горизонтальной приёмной площадке определяется по формуле:

co¡ = cos_1(- tan <р°-tan 5o). (15)

Часовой угол захода солнца на наклонной площадке:

и>1 = min{tü[' или cos_1(- tan ip° • tan 5°)}, (16)

Коэффициент пересчёта прихода с суммарной солнечной радиации на диффузной для горизонтальной площадки:

КГД(К0) = 1,39 - 4,ОЗК0 + 5,53Ко2 - ЗДЩ3, (17)

где коэффициент прозрачности атмосферы определяемый для среднесуточного или среднемесячного интервала времени по формуле:

(18)

Далее выполняется задача поиска оптимального угла наклона площадки (3° для года и для каждого месяца. Для этого, изменяя р° от 0° до 50° с шагом 10° постепенно уменьшая до Io, найдём оптимальные углы, при которых полученная энергия будет максимальна.

Анализ показал, что CP при оптимальном угле наклона практически не отличается от CP при р°=38°. Самое большое расхождение - для городов Мегри и Севан: соответственно 0,074 и 0,065%.

Среднемноголетние значения CP |3=0° и при оптимальном угле наклонов 24 городах (населённых пунктов) РА за периоды наблюдений 5... 9 лет служат исходной характеристикой общего уровня СР.

Были построены карты среднемноголетаей CP для горизонтально ориентированной приёмной площадки р=0° и при оптимальном угле наклона по территории РА (см. рис. 8 и 9).

Долгота (X) Долгота (Ц

Рис. 8. СР для горизонтально Рис. 9. СР при оптимальном угле (р=38°)

ориентированной приёмной площадки наклона по территории РА В=0° по территории РА

Далее территория РА была разбита по частям и рассчитан приход CP для горизонталь но ориентированной приёмной площадки ß°=0° и для оптимального угла наклона ß°=38° соответственно достигает 45218,59 млрд. кВт*ч и 52180,58 млрд. кВт«ч, что говорит о настоятельной целесообразности широкого применения современных фотоэлементов . массового производства.

В заключении диссертационной работы приведены основные результаты и выводы:

1. Сравнительный анализ ветровых данных по БД «Кадастр» РА с остальными общедоступными СБД показал, что СБД "NASA SSE" и "Погода России" для расчёта ветроэнергетического потенциала РА нецелесообразны и в дальнейших расчетах были использованы СБД "Расписание погоды" и БД "Кадастр".

Сравнительный анализ солнечных данных по БД «Кадастр» РА с остальными общедоступными СБД показал, что более достоверными данными являются СБД "Справочник по Климату СССР" и "Meteonorm".

2. Расчет и оценка валового ветрового потенциала РА показал, что на высоте 10м он составил 1538,3 млрд. кВт'Ч на территории, где удельная мощность ветрового потока составляет более 0,2 кВт/м2 и которая составляет около 22% территории РА.

Расчет и оценка валового солнечного потенциала РА показал, что при горизонтально ориентированной приёмной площадке (ПП) и при оптимальном угле наклона он составляет соответственно 45218,59 млрд. кВт-ч и 52180,58 млрд. кВт-ч, что говорит о настоятельной целесообразности широкого применения современных фотоэлементов массового производства. При сравнительном анализе был выявлен оптимальный угол наклона приёмной площадки (ПП) (ß°=380). При перерасчёте CP от горизонтально ориентированной приёмной площадки ß=0° к оптимальному углу ß°=38° CP увеличивается до 20%.

3. Разработана и предложена методика, выбора ветроустановки, основанной на оценке производной удельной годовой энергии ветропотока данной местности.

4. Повышение эффективности ВЭУ регулированием угла установки лопастей ветроколеса достигнуто путём дополнительного регулирования угла установки каждой лопасти в отдельности в пределах 0° й (р < 3° в течение каждого оборота ветроколеса так, чтобы при прохождении лопасти из положения ниже оси вращения в верхнее угол менялся от большего значения к меньшему, повышается эффективность ВЭУ. Для российской ВЭУ "Радуга 1" с высотой оси вращения 38 м и радиусом ветроколеса 24 м увеличение мощности составляет -1%.' При проведении расчётов по общепринятой формуле (8) получаем завышенный результат по сравнению с используемым в работе методом. Для ВЭУ "Радуга 1" с высотой оси вращения 38 м превышение результата составляет -6,4%.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Цгоев P.C., Погосян A.B., Яковенко Г.А. Повышение эффективности ветроэнергетического агрегата регулированием угла установки лопастей ветроколеса И "Электричество". №3,2014.25 - 30с.

2. Цгоев P.C., Погосян A.B., Якпвепко Г.А. Регулированием угла установки лопастей ветроколеса // "Энергетик". №2,2014. 59 - 62с.

3. Цгоев P.C., Погосян A.B., Козлов И.С., Шлыков E.H. Генерирующая установка с двигателем Стерлинга // Решение о выдачи патента на изобретения № 2013115057 от 28.05.2014г.; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

4. Погосян A.B., Цгоев P.C. Некоторые результаты расчета основных ветроэнергетических характеристик Республики Армения по кадастровым данным // Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях: сборник докладов V международной научно-практической конференции - Москва: МГСУ, 2013. - С. 664-667.

5. Погосян A.B., Цгоев P.C. Повышение эффективности ВЭУ // Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях: сборник докладов VI международной научно-практической конференции - Москва: МГСУ, 2014. - С. 724-727.

6. Цгоев P.C., Погосян A.B., Егиазарян А.К. Сравнительный анализ и определение валового солнечного потенциала Республики Армения по кадастровым и другим специализированным базам данный // Энергосбережение — теория и практика: VII Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов - Москва: МЭИ, 2014 -С. 634-637.

7. Цгоев P.C., Погосян A.B., Егиазарян А.К. Оценка валового гидроэнергетического потенциала Республики Армения И Энергосбережение - теория и практика: VII Международной школы-семинара молодых ученых и специалистов - Москва: МЭИ, 2014. -С. 637-640.

Подписано в печать 05,10-ZQIIfi . Зак. т -Тир. № П.л. 1X6 .

Полшрафический центр МЭИ

Красноказарменная ул., д. 13