автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Методика энергетических и прочностных расчетов ветроэлектрической установки

На правах рукописи

ПАНФИЛОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

МЕТОДИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ПРОЧНОСТНЫХ РАСЧЕТОВ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Специальность 05 14 08 - "Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003162Э21

Санкт-Петербург - 2007

003162921

Работа выполнена на кафедре "Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика" ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Научный руководитель

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Елистратов Виктор Васильевич

- доктор технических наук, Безруких Павел Павлович

- кандидат технических наук, Кузнецов Михаил Васильевич

Ведущая организация

ОАО "ИЦ ЕЭС" институт "Ленгидропроект"

Защита состоится 13 ноября 2007 г в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212 229 17 при ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу 195251, Санкт-Петербург, ул Политехническая 29, Гидрокорпус-2, ауд 411

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Автореферат разослан " /0 " октября, 2007 года Ученый секретарь

диссертационного совета Орлов В Т

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы определяется современным состоянием развития российской ветроэнергетики и, связанной с этим необходимостью разработки методик решения целого ряда задач, по поиску оптимального размещения ветроэлектрических установок (ВЭУ) в составе ветроэлектростанций (ВЭС) в конкретных условиях, оценкой расчетной выработки проектируемой ВЭС, подсчетом нагрузок и выбором основных параметров инженерно-строительных конструкций Современная российская ветроэнергетика отстает от мировой в опыте реализации крупных ВЭС Ситуация усложняется тем, что почти треть пригодных для задач ветроэнергетики территорий России расположены в условиях вечной мерзлоты и (или) сейсмической активности

Целью диссертации является методика проведения энергетических и прочностных расчетов ВЭУ в зависимости от природно-климатических характеристик регионов России

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи

• создана классификация природно-климатических факторов окружающей среды, определяющих выбор параметров ВЭУ,

• разработана методика энергетических расчетов ВЭУ, учитывающая особенности места ее возведения,

• разработана методика прочностных расчетов ВЭУ на основе комплексного учета основных сочетаний нагрузок, действующих на инженерные конструкции ВЭУ, и их передачи на грунтовое или свайное основание, в том числе для условий сейсмической активности и вечной мерзлоты,

• разработан комплекс прикладных программ, с помощью которых выполнены расчеты основных параметров и сооружений Чукотской ВЭС мощностью 1 МВт

\ О ЧЛ/

Научная новизна работы заключается в следующем

• систематизированы и классифицированы факторы взаимодействия природной среды и ВЭУ,

• предложена методика определения энергетических параметров ВЭУ на основе комплексного учета природно-климатических факторов, таких как метеорологические, геологические и орографические условия местности,

• разработаны методики и алгоритм расчета нагрузок, действующих на ВЭУ, ее элементы, фундамент и основание, создан комплекс программ для расчета фундаментов ВЭУ различных типов

Личный вклад автора. Диссертация является результатом законченных исследований автора, которые проводились в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ГОУ ВПО "СПбГПУ") в ходе хоздоговорных работ, где автор выступал в роли ответственного исполнителя и соисполнителя Приведенные в диссертационной работе результаты исследований были получены автором лично Доля участия автора в публикациях определяется в 60%

Практическая значимость работы. В результате проведенных исследований была предложена методика оптимизации энергетических параметров ВЭС и прочностных расчетов инженерно-строительных конструкций ВЭУ в зависимости от природно-климатических условий, обеспечивающая учет значительного числа факторов взаимодействия ВЭУ с окружающей средой Разработаны прикладные программы для проектирования фундаментов ВЭУ Разработаны практические рекомендации по размещению ВЭУ на местности для ТЭО Чукотской ВЭС мощностью 1 МВт

Результаты теоретических исследований использованы в учебном процессе кафедры возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики (ВИЭГ) ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" при подготовке инженеров по специальности

140202 "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" и магистров по программе 551706 "Преобразование возобновляемых видов энергии, установки и комплексы на их основе" в виде учебных методик и методических рекомендаций для курсового, дипломного проектирования и подготовке магистерских диссертаций

Апробация работы проведена на российских и международных научно-технических конференциях Основные положения диссертационной работы докладывались автором на научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых РАН и высшей школы "Социально-экономическое развитие и экологическая безопасность регионов России" (Санкт-Петербург, 1999), 3-м международном форуме Экобалтика 2000 (Санкт-Петербург, 2000), Политехническом симпозиуме "Молодые ученые -промышленности Северо-Западного региона" (Санкт-Петербург, 2003), научных семинарах кафедры "Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика", а так же при составлении технико-экономического обоснования проекта по строительству на Чукотке (в районе г Анадырь) ветровой электрической станции мощностью 1 МВт

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• предлагается рассматривать ВЭС как часть природно-технической системы (ПТС),

• предлагается методика оценки выработки электроэнергии ВЭС для конкретных условий местности, в которой размещение ВЭУ производится с учетом инженерно-геологических условий,

• предлагается методика сбора статических и динамических нагрузок, действующих на ВЭУ и передачи их на различные типы основания, реализованная в виде комплекса программ

Достоверность научных положений и выводов обусловлена корректным использованием основных положений ветроэнергетики, применением научно апробированных методов математического моделирования и подтверждается практическими результатами

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 учебно-методические работы

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 167 наименований и 2 приложений Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 17 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Установленная мощность ВЭУ в мире за период с 1995 по 2006 гг выросла с 4 ГВт до 74 ГВт Это говорит о возросшем интересе к ветроэнергетике, как источнику промышленного получения электроэнергии Российской ветроэнергетике не хватает опыта возведения крупных ВЭС Помимо экономических и политических причин отставания современной российской ветроэнергетики от мирового уровня, существенным тормозом внедрения, как крупных ВЭС, работающих в единой электрической системе, так и ВЭС (состоящих иногда из одной ВЭУ), работающих на изолированного потребителя является отсутствие методик предварительной оценки основных энергетических параметров, а также решения инженерно-строительных задач при проектировании ВЭС Природно-климатическое разнообразие нашей страны усложняет задачу широкого внедрения крупных ВЭС, поскольку значительная часть благоприятных, с точки зрения ветроэнергетики, областей расположены в условиях вечной мерзлоты и сейсмической активности

К настоящему времени российская ветроэнергетика располагает исследованиями и разработками целого ряда (Н Е Жуковский, В П Ветчинкин, Г X Сабинин, В Р Вашкевич, Е М Фатеев, В Н Андрианов, П П Безруких , Д Н Быстрицкий, Я Б Данилевич, Г И Денисенко, В А Минин, Е И Куклин, М В Кузнецов, В В Елистратов, В И Виссарионов, В В Харитонов, Я И Шефтер, и другие) отечественных и зарубежных (С А Кудря, Е L Petrsen, I Troen, J W Twidcll, A D Weir, и другие) авторов

Однако анализ литературных источников показал, что задачам, которые поставил автор в диссертационной работе, в российской ветроэнергетике до настоящего времени не уделялось достаточного внимания

По мнению автора, при проектировании ВЭС необходимо рассматривать ее как часть ПТС, разбитой по виду взаимодействий на ряд подсистем Данный подход используется в других областях энергетики, в частности гидроэнергетике, где известны исследования Ю С Васильева, М П Федорова, Н И Хрисанова, и других авторов Однако ВЭС обладает определенной спецификой, требующей дополнительной проработки

На основе обобщения мирового опыта оптимизации параметров ВЭУ выделяется два крупных класса задач, актуальных при разработке ВЭС

• к прямой задаче относится задача, в которой исходными данными являются параметры ветра, а требуется определить, какой тип ВЭУ достигает при данных параметрах ветра максимальной эффективности,

• решение обратной задачи характерно в случаях, когда заранее известны параметры ВЭУ, а требуется определить, где в пределах заданной местности данная установка (или несколько установок) могла бы достичь максимальной эффективности

Как правило, на стадии технико-экономического обоснования уже известны марки ВЭУ, предлагаемых в состав ВЭС, а также участок возведения ВЭС Поэтому в диссертационной работе автора рассматривается обратная задача

Известны ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью вращения Каждый из этих типов в свою очередь подразделяется по способу преобразования энергии ветрового потока на использующие подъемную силу и использующие силу сопротивления Рынок современных ВЭУ средней и большой мощности, представляющих интерес для промышленного использования ветроэнергетики, на 90% представлен агрегатами с горизонтальной осью вращения, использующих подъемную силу ротора Таким образом, задачи, поставленные автором в диссертационной работе, решались применительно к этому типу ВЭУ

На эффективность ВЭС, наряду с аэродинамическими и энергетическими характеристиками составляющих её ВЭУ, оказывает влияние совокупность природно-климатических факторов и местных условий предполагаемого района размещения. К ним отнесены ветровые характеристики района, характер подстилающей поверхности, инженерно-геологические и сейсмические условия.

По мнению автора, необходимо рассматривать процесс оптимизации параметров ВЭУ, вычленив несколько ключевых подсистем взаимодействия

• ветровой поток, взаимодействуя с ветроколесом (ВК), передает ему часть своей мощности и, как следствие, воздействует на него с определенными аэродинамическими усилиями, образуя подсистему ВЕТРОВОЙ ПОТОК-ВЕТРОКОЛЕСО,

• ВК в свою очередь, взаимодействуя с ветроэлектрическим агрегатом (ВЭА) и опорной башней, образует подсистему ВК-ВЭА-БАШНЯ, являющуюся основным элементом ВЭУ,

• ВЭУ взаимодействует с основанием посредством фундамента и образует подсистему ВЭУ-ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ, в которой рассматривается задача передачи нагрузок, вызванных взаимодействием окружающих факторов с ВЭУ на фундамент и основание

Для моделирования энергии ветрового потока автором применены модели, описывающие

• мощность, передающуюся ВК от ветрового потока, имеющего скорость

У(0,

• повторяемость определенных значений скоростей ветрового потока

т

В случаях сложного рельефа и подстилающей поверхности в пункте моделирования, а так же отсутствия в непосредственной близости от места предполагаемой установки ВЭС метеорологической станции, функцию распределения ЛУ) аппроксимируют аналитическими зависимостями или табулированными распределениями, получаемыми в результате массовой статистической обработки метеорологических данных При этом за основу моделирования берется, как правило, значение среднемесячных скоростей ветрового потока В этой области работали и предложили свои распределения М С Поморцев, М В Колодин, Г Гуллен, Вейбулл, Р Д Гудрич, Ю А Гринцевич, Г А Гриневич, и другие

Наибольшее распространение в мировой практике получило семейство аналитических зависимостей Вейбулла, из которых автором использована двухпараметрическая зависимость вида

Параметры распределения Вейбулла (у - безразмерный параметр формы, р — параметр масштаба, м/с), определяются местными условиями

Различие ветровых условий в произвольной точке местности и у ближайшей метеостанции определяются факторами местного характера

• особенностями рельефа и шероховатости подстилающей поверхности, определяющими местную циркуляцию ветрового потока в приземном слое,

• наличие искусственных элементов затенения, экранирующих ВЭУ от воздействия прямого ветрового потока

Ветровой поток, проходя через плоскость ВК, отдает ему часть своей энергии Мощность ветрового потока, передаваемая ВК, выражается через среднюю скорость ветрового потока V, радиус Я и определяется известной формулой

У3Я2

Рвк=яр—^$ (2)

где % - коэффициент использования энергии ВЕТРОВОГО ПОТОКА ВК, зависящий от аэродинамических особенностей и конструкции ВК и ВЭУ, р - плотность воздуха при нормальных условиях

Подсистема ВЭУ характеризуется своими энергетическими параметрами, наиболее важными из которых для поставленной задачи являются электрическая мощность и выработка электроэнергии Электрическая мощность ВЭУ определяется отобранной у ветрового потока в подсистеме ВЕТРОВОЙ ПОТОК-ВЕТРОКОЛЕСО мощности

Р = Рвкпсум, (3)

где т]Сум ~ общее КПД ВЭА, определяемое как произведение КПД генератора (или генераторов), редуктора, механического КПД, и другие

Теоретическая выработка ВЭУ за период Т определена из следующей зависимости

Ушх

Э' =Т ¡Р(У)/(У)с/У (4)

Практическая выработка электрической энергии, учитывающая характер подстилающей поверхности, характер орографии поверхности, а также наличие вблизи ВЭУ элементов затенения, определена по формуле:

Э = ±к,Э! (5)

ы\ ,

где п - количество азимутальных секторов, каждому из которых соответствует свой поправочный коэффициент к„ зависящий от расстояния а до источника затенения, его конфигурации и размеров (Ь, /?, к. /), а также высоты оси В К /?„, (рис. 2).

Рис. 2. Основные обозначения при определении к1 Важной задачей, возникающей при проектировании ВЭС, является подсчёт нагрузок, действующих в подсистеме ВЭУ-ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ в заданных геологических и климатических условиях. Автором разработана методика подсчёта нагрузок, в которой все нагрузки, действующие на элементы подсистемы ВЭУ, приведены к собственной системе координат (хр, ур, г,,) и рассчитываются для основных расчетных случаев и сочетаний нагрузок. На рис. 3 изображена система координат и силовая схема ВЭА с ВК.

Нагрузка со стороны ВК на гондолу представляется в виде сосредоточенных сил Рх,, и Р/р, действующих на ступицу ВК, и моментов: Мх , действующего относительно оси хр, а также М„ Му и М-, действующих относительно осей х, у и г.

Основными нагрузками, передающимися от ВЭУ на привалочную плоскость фундамента, являются:

Рис. 3. Система координат и силовая схема ВЭА

К = f(cxp ,V, <р, hm, S, R, S); M": = f(V, mxp, <p, S, R); К = fi®, П M» = f(Mmp, 1BK, P; ); (6)

РФ = рвк + рЮЛ + рв . МФ = / _}

где Px,, -равнодействующая лооопою лав.юпмя nciponoio потока:

Pv„ =c'v//'V (7)

здесь cv — аэродинамический коэффициент лобового сопротивления ветроколеса, q - скоростной напор ветрового потока, S - ометаемая площадь ВК; mX j - аэродинамический коэффициент, R - радиус ВК, со - круговая

частота вращения ВК. <р - угол поворота лопасти ВК, ô - угол наклона оси ВК к горизонту, ¡вк - расстояние от оси опорной башни до центра тяжести ВК, инерционные нагрузки в виде гироскопического момента МГиг, и

12

центробежная сила, вызванная дисбалансом ВК Рур, а также нагрузки от собственного веса ВЭА РгВЭА, ВК Р/<к и опорной башни Р2

При расчете подсистемы ВЭУ-ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ учтены требования действующих в России нормативных документов и специально разработанных методических указаний, в соответствии с которыми подсистема ВЭУ-ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ должна удовлетворять следующим условиям

• статической прочности и устойчивости,

• выносливости,

• жесткости

При расчете данной подсистемы на жесткость автором была разработана методика определения собственных частот и форм собственных колебаний для учета

• резонансных явлений конструкций ВЭУ,

• динамики башни от обтекания ветровым потоком,

• сейсмических нагрузок

Исследования показали, что на стадии предварительного проектирования при модулях деформации основания, превышающих 5000 тс/м2, при решении динамической задачи допустимо использовать приближенную расчетную схему с одной степенью свободы (в виде упругой консоли)

Для строительства ВЭС в зависимости от инженерно-геологических условий обычно в качестве фундамента используются два типа

• монолитный железобетонный фундамент мелкого заложения,

• свайный фундамент, состоящий из монолитного железобетонного ростверка и свайного основания (как правило, железобетонные сваи, головы которых защемлены в ростверк)

Методические разработки автора использованы при оптимизации параметров ВЭС мощностью 1 МВт на Чукотке Расчеты были выполнены для двух задач

• определения оптимальных энергетических параметры ВЭС с учетом влияния затеняющих помех и рельефа;

• подсчёта нагрузок и определения параметров фундамента ВЭУ с учётом того, что место строительства ВЭС располагается в районе сейсмической активности с вечной мерзлотой.

Показано, что выработка электроэнергии ВЭС при расположении ВЭУ на более высоких отметках не всегда даёт лучший результат. Выработка ВЭУ, расположенной на отметке 20 м, превышает на 13% выработку той же ВЭУ на отметке 75 м (рис. 4). Здесь определяющим фактором является роза ветров, имеющая такую форму, что ВЭУ на отметке 20 м при преобладающих ветрах попадает в естественный концентратор в виде лощины.

Рис. 4. Варианты размещения ВЭУ на местности Путём многовариантных расчётов определены оптимальные габариты свайного фундамента ВЭУ мощностью 250 КВт, организуемого в условиях вечной мерзлоты, в том числе размеры ростверка и диаметра скважин с!,.,,„, а также глубина погружения свай в вечномёрзлый грунт /?,.„ опт (рис. 5). Показано, что при применении свайного фундамента для вечпомёрзлых грунтов наиболее опасным случаем, является случай сжатия буроопускных свай. При этом увеличение диаметра скважины существенно влияет на глубину погружения сваи и габариты ростверка.

Рис. 5. Результаты расчёта ВЭУ 250 с ростверком 8x8 м и свай квадратного поперечного сечения О.ЗхО.З м

Основные результаты работы и выводы

1. Проведена классификация факторов взаимодействия ветроэлектрической установки с окружающей средой в составе природно-технической системы, показавшая необходимость рассмотрения ВЭУ как совокупности нескольких подсистем по типу взаимодействия с окружающей средой.

2. Разработана методика энергетических расчётов параметров ВЭС, обеспечивающая эффективное решение задач компоновки ВЭС с учётом метеорологических, орографических, инженерно-геологических условий предполагаемого места возведения.

3. Разработана методика подсчёта статических и динамических нагрузок, действующих на элементы ВЭУ, вызванных внутренними и внешними факторами, в том числе сейсмической составляющей.

4. Предложена методика определения основных параметров фундамента ВЭУ, в том числе для условий Крайнего Севера.

]

Публикации работы: По материалам диссертации опубликовано 7

работ

1 Елистратов В В, Панфилов А А Проектирование инженерных конструкций ветроэлектрических установок//Научно-технические ведомости СПбГПУ -2007 -№3 -С 159-164

2 Елистратов В В, Константинов И А, Панфилов А А Нагрузки на элементы ветроэлектрической установки, ее фундамент и основание Учеб пособие СПб Изд-во СП6ГТУ,1999 38с

3 Елистратов В В, Константинов И А, Панфилов А А Динамические расчеты системы "Ветроэнергетическая установка-фундамент-основание" Учеб пособие СПб Изд-во СПбГТУ, 1999 54 с

4 Елистратов В В, Константинов И А , Панфилов А А Расчет фундаментов ветроэнергетических установок Часть 1 Монолитные железобетонные фундаменты мелкого заложения Учеб пособие СПб Изд-во СПбГТУ, 2001, 91 с

5 Елистратов В В, Константинов И А , Панфилов А А Расчет фундаментов ветроэнергетических установок Часть 2 Свайные фундаменты Учеб пособие СПб Изд-во СПбГПУ, 2004, 94 с

6 Панфилов А А Региональные особенности обоснования параметров ветроэлектрических станций в природно-технической системе // Региональная экология -1999 -№4 -С 82-86

7 Елистратов В В, Константинов И А, Панфилов А А Проектирование инженерных конструкций ВЭУ // Труды СПбГТУ -2007 -№502 -С 144-160

Лицензия ЛР №020593 от 07 08 97

Подписано в печать 09 10 2007 Формат 60x84/16 Печать цифровая Уел печ л 1,0 Тираж 100 Заказ 2092Ь

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул , 29 Тел 550-40-14 Тел/факс 297-57-76

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДИК ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХУСТАНОВОК.

1.1. Анализ конструктивных решений ветроэлектрических установок.

1.2. Районирование природно-климатических и социально-экономических зон при возведении ветроэлектрических установок.

1.3. Формирование природно-технических систем с энергетическими установками.

1.4. Современное состояние методик обоснования параметров ветроэлектрических установок.

1.5. Выводы и задачи исследований.

2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЭУ С УЧЕТОМ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ.

2.1. Природные особенности и характеристики ветрового потока как энергетического ресурса.

2.2. Моделирование ветрового потока с учетом природно-климатических факторов.

2.2.1. Шероховатость поверхности.

2.2.2. Орография.

2.2.3. Затенение.

2.3. Модель преобразования энергии ветра ветроколесом.

2.3.1. Взаимовлияние ВЭУ в составе ВЭС.

2.4. Взаимодействие ветроэлектрических установок с окружающей средой.

3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЭУ.

3.1. Классификация нагрузок действующих на ВЭУ.

3.2. Расчетные случаи и сочетания нагрузок.

3.3. Нагрузки для расчета на статическую прочность и устойчивость.

3.4. Составляющие ветровой нагрузки.

3.4.1. Равнодействующая лобового давления ветра на ВК.

3.4.2. Момент на валу ветроколеса.

3.5. Инерционные нагрузки, связанные с вращением ВК.

3.5.1. Гироскопический момент, действующий со стороны ВК на гондолу.

3.5.2. Центробежная сила, вызванная дисбалансом масс ветроколеса.

3.6. Расчет строительных конструкций ВЭУ.

3.6.1. Методика совместного расчета фундамента ВЭУ и основания.

3.7. Расчет конструкций для особых расчетных случаев.

3.8. Классификация и основные особенности фундаментов ВЭУ мелкого заложения.

3.9. Расчет свайных фундаментов ВЭУ.

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЭУ.

4.1. Энерго-экономические и прородно-климатические предпосылки сооружения ВЭС в Чукотском АО.

4.2. Анализ ветроэнергетических ресурсов района возведения ВЭС.

4.2.1. Выбор площадок для возведения ВЭУ.

4.3. Расчет параметров свайного фундамента ВЭУ.

4.3.1. Расчеты свайного фундамента ВЭУ-250.

4.3.2. Учет поворота нагрузок по отношению к неподвижному фундаменту.

4.3.3. Результаты расчетов свайного фундамента для ВЭУ-250 и их анализ.

4.3.4. Результаты расчеты свайного фундамента ВЭУ-600 и их анализ.

В начале XXI века общество столкнулось с необходимостью пересмотра стратегии использования традиционных источников энергии. Дальнейшее использование органического топлива в таком объеме может привести к непоправимым последствиям. Это связано, прежде всего, с загрязнением окружающей среды продуктами сжигания и отходами переработки этих источников, а также их исчерпаемостью. В сложившейся ситуации реальной альтернативой использованию ископаемых источников энергии являются возобновляемые источники энергии [83Д1,91В1,96Д1,00Б1].

Одно из первых мест по мировому запасу среди возобновляемых источников энергии занимает энергия ветрового потока [90Т1,00Б1]. В России экономический потенциал энергии ветрового потока составляет порядка 10 млн. тут [02Б1]. При этом полноценное использование этого ресурса требует решения различных задач из самых различных областей науки и техники. Не последнее место в этом ряду занимает целый спектр задач связанных с оптимизацией параметров ветроэлектрической установки (ВЭУ) [83Н1,96В1,96М1].

В последние десятилетия возрос интерес к использованию энергии ветра, и ВЭУ начали проектировать и возводить и в нашей стране. Сравнительно небольшой опыт оптимизации параметров ВЭУ в России рассматривался и ранее [57М1,72Ш1,82И1], однако отечественных методик, рассматривающих эксплуатацию ВЭУ в различных природно-климатических условиях до настоящего времени практически нет. До настоящего момента этим вопросам не было уделено должного внимания.

Вопросы оптимизации параметров ВЭУ, с учетом комплекса природно-климатических факторов за рубежом тоже начали серьезно рассматриваться сравнительно недавно [93Т1,93\¥1,95Т1]. Это связано, прежде всего, с возросшим интересом к возобновляющимся источникам энергии в целом и, к ветроэнергетике в частности. Поэтому намечен ряд вопросов, связанных с особенностью проектирования ВЭУ для районов с различными природно-климатическими условиями, на которые, в данной диссертационной работе решено обратить особое внимание. Особенно важно, по мнению автора, учесть следующие аспекты проектирования ВЭУ:

• Так как ветроэлектростанции (ВЭС), как правило, строятся в составе нескольких ВЭУ, необходимо учесть и исключить влияние на их выработку электроэнергии препятствий и помех, а так же их влияние друг на друга;

• ВЭС предполагаются к строительству в самых разнообразных условиях нашей страны, в том числе в районах Крайнего Севера и сейсмически активных районах, т.е. возникает необходимость в разработке методики проектирования ВЭУ в указанных районах с учетом их специфики.

Вопросы проектирования и строительства гражданских и промышленных сооружений отражены в многочисленных литературных, справочных и нормативных источниках, например [82С1,84Р1,85С1,86Д1,86С1,87С2,88Г1]. Однако ВЭУ, как строительная конструкция имеет ряд особенностей и требует особого подхода к вопросу проектирования и оптимизации, как отдельных ее частей, так и всей конструкции в целом.

Актуальность темы диссертационной работы определяется современным состоянием развития ветроэнергетики и связанной с этим необходимостью разработки энергетических технологий, обеспечивающих высокий социальный эффект и минимальное воздействие на окружающую среду.

Согласно мировому опыту, наиболее часто (порядка 90%) в современной ветроэнергетике применяются ВЭУ башенного типа с условно горизонтальной осью вращения ветроколеса (ВК) [93\\П,99И1]. Данные ВЭУ обладают определенной спецификой по сравнению с другими промышленными конструкциям: на металлической башне высотой 40 и более метров располагается поворачивающаяся в зависимости от направления ветра гондола, масса которой составляет десятки тонн, с ВК, имеющим лопасти большого размера (диаметром до 100 м и более). В результате на отдельные элементы конструкции и плоскость фундамента передаются значительные вертикальные, горизонтальные и моментные (крутящие и изгибающие) статические и динамические нагрузки, которые необходимо подсчитывать с учётом различных внешних и внутренних факторов воздействия и соответствующих им расчётных сочетаний нагрузок.

На стадии технико-экономического обоснования той или иной ВЭС возникает необходимость проведения целого ряда трудоемких расчетов по оптимизации её параметров, с целью получения максимально достоверных результатов. Для быстрого и многовариантного расчета таких задач необходимо по возможности алгоритмизировать методики расчета и реализовать их в программном обеспечении.

В настоящее время многими фирмами [90В1,90В2], особенно зарубежными, выпускается широкая гамма ВЭУ, удовлетворяющих современным требованиям, поэтому при проектировании ВЭС, как правило, уже заранее известен тип и основные параметры ВЭУ, однако представляется не менее важным и актуальным решить вопрос оптимального размещения ВЭС на местности и возведения ВЭУ.

Цель работы заключалась в разработке и реализации методик обоснования параметров ВЭУ с позиции обеспечения максимальной эффективности и безопасности эксплуатации системы. В этом направлении были поставлены следующие задачи:

1. Классифицировать природно-климатические факторы окружающей среды по виду взаимодействия, определяющих основные параметры ВЭУ;

2. разработать методику достоверного определения выработки электроэнергии проектируемой ВЭС в зависимости от местных условий;

3. создать методику строительного проектирования ВЭУ в конкретных инженерно-геологических условиях как системы "ВЭУ-ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ";

4. Разработать комплекс программ для реализации расчёта основных параметров ВЭУ.

Научная новизна

1. Впервые проведена обобщенная классификация факторов взаимодействия ВЭУ с окружающей средой.

2. Предложена методика определения энергетических параметров ВЭС с учетом местного ветрового режима, орографии близлежащей местности и инженерно-геологических условий;

3. Разработана методика и алгоритм расчета нагрузок, действующих на элементы ВЭУ, ее фундамент и основание;

4. Создан комплекс программ для расчета фундаментов ВЭУ для различных типов основания.

Практическая значимость и внедрение. Предложена методика оптимизации параметров ВЭУ в зависимости природно-климатических условий, обеспечивающая учёт значительного числа факторов взаимодействия ВЭУ с окружающей средой. Разработаны прикладные программы, ориентированные для использования при сборе нагрузок и проектировании фундаментов.

Многие из результатов теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе кафедры "Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика" ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" при подготовке инженеров по специальностям 140202 "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии" и магистров по программе 551706 "Преобразование возобновляемых видов энергии, установки и комплексы на их основе" в виде учебных методик исследований, методических рекомендаций для курсового и дипломного проектирования и подготовке магистерских диссертаций.

Апробация работы проведена на российских и международных научно-технических конференциях. Основные положения диссертационной работы докладывались автором на научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых РАН и высшей школы "Социально-экономическое развитие и экологическая безопасность регионов России" (Санкт-Петербург, 1999), 3-м международном форуме Экобалтика 2000 (Санкт-Петербург, 2000), Политехническом симпозиуме "Молодые ученые - промышленности Северо-Западного региона" (Санкт-Петербург, 2003), научных семинарах кафедры "Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика", а так же при составлении технико-экономического обоснования проекта по строительству на Чукотке (в районе г. Анадырь) ветровой электростанции мощностью 1 МВт.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 учебных пособия.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 167 наименований. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 17 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведена классификация факторов по типу взаимодействия ветроэлектрической установки с окружающей средой.

2. Решена задача оптимизации энергетических и конструктивных параметров ветроэлектрической установки, с учётом инженерно-геологических условий места возведения.

3. Проанализированы и классифицированы факторы неблагоприятного воздействия ветроэлектрических установок на окружающую среду и на человека. Сформулированы основные направления минимизации негативного воздействия по каждому из воздействий.

4. Разработана методика определения основных инженерно-строительных параметров ветроэлектрической установки в условиях Крайнего Севера (вечномерзлые грунты), а так же в условиях сейсмической активности.

5. Доказано, что на стадии технико-экономического обоснования ветроэлектростанции, при проведении динамических расчётов ветроэлектрической установки при модулях деформации грунта основания > л

5000 тс/м можно использовать приближенную расчётную схему в виде упругой консоли.

6. На основе пилотного проекта ветроэлектрической станции в районе города Анадырь, выполнен расчет выработки электроэнергии ВЭС, и инженерно-строительных параметров ВЭУ, с учетом специфики района. Показано, что в случаях применения свайного фундамента для вечномерзлых грунтов наиболее опасным случаем, является случай сжатия буроопускных свай. При этом показано, что увеличение диаметра скважины существенно влияет на глубину погружения сваи и размеры ростверка.