автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Разработка автономной бироторной ветроэнергетической установки малой мощности

61 11-5/3087

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫР1 ЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ

На правах рукописи УДК 621.311.24

Кириллов Василий Владимирович

РАЗРАБОТКА АВТОНОМНОЙ Б И РОТОРНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.14.08. - Энергоустановки на основе возобновляемых видов

энергии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. Обозов А. Дж.

Бишкек - 2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.....................................4

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.........................................5

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................10

ГЛАВА 1.

ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................13

1.1. Состояние вопроса...............................................................13

1.2. Автономный потребитель.....................................................16

1.3. Ветроэнергетический потенциал приземного слоя......................18

1.4. Анализ задачи исследований.................................................21

1.5. Классификация ветроустановок.............................................25

1.6. Анализ действующих технических решений..............................30

Выводы по главе 1.....................................................................35

ГЛАВА 2.

ОСНОВЫ СИНТЕЗА И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ

БИРОТОРНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ...............36

2.1. Силовые методы взаимодействия лопастей с малоскоростным

ветропотоком.....................................................................36

2.2. Методы кинематического исследования жидкости......................37

2.3. Анализ особенностей взаимодействия ветропотока в БВЭУ..........39

2.4. Расчетная модель бироторной установки..................................44

2.5. Изучение взаимодействия ветрового потока с колесами БВЭУ.......49

2.6. Расчет геометрических параметров ветроколес БВЭУ..................53

2.7. Синтез схемы и особенности конструкции БВЭУ........................56

Выводы по главе 2.....................................................................60

ГЛАВА 3.

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БИРОТОРНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ.....................................61

3.1. Особенности конструкции бироторной ветроустановки................61

3.2. Исследование конструкции....................................................63

3.2.1. Анализ методов экспериментальных исследований....................63

3.2.2. Экспериментальные исследования бироторного генератора на лабораторном стенде.........................................................65

3.2.3. Исследования БВЭУ в реальных условиях..............................74

3.3. Исследования БВЭУ методом обратимости движения...................84

Выводы по главе 3.....................................................................89

ГЛАВА 4.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БВЭУ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МАЛОМОЩНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ............................................91

4.1. Режим автономного энергоснабжения.......................................91

4.1.1. Исследование режима заряда аккумулятора.............................93

4.2. Разработка системы электроснабжения ретранслятора с БВЭУ......96

4.3. Использование БВЭУ для электроснабжения дом-вагона.............101

Выводы по главе 4....................................................................106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................107

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................108

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.....................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.....................................................................131

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

БВЭУ - бироторная ветроэнергетическая установка.

ВЭУ - ветроэнергетическая установка.

АК - аккумулятор.

АКБ - аккумуляторная батарея.

р - плотность воздушной среды, кг/м".

со - угловая частота, рад/сек.

I - сила тока, А.

п - скорость вращения, об/мин.

Я - сопротивление нагрузки, Ом.

1 - время, сек.

и - напряжение, В.

V - линейная скорость, м/с.

V/ - давление, кг/м2. А ?

А - площадь сечения ветропотока, м . М - момент, кг/м. Р - электрическая мощность, Вт. Ср - коэффициент отбора мощности.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В последние годы все большее внимание привлекают возможности использования экологически чистых возобновляемых источников энергии. Их естественная возобновляемость, повсеместность и огромный энергетический потенциал делают их весьма привлекательными и перспективными. Ветровая энергия является одним из наиболее перспективных видов возобновляемых источников энергии.

Использование энергии ветра позволяет осуществлять подъем воды, аэрацию водоемов, мелиорацию посевных площадей, опреснение воды, а наиболее актуальным является обеспечение электроэнергией автономных потребителей, удаленных от централизованной сети и расположенных в отдаленных сельских горных районах.

Вопросам исследования, разработки и создания ветроэнергетических установок (ВЭУ) уделено большое внимание как отечественными, так и зарубежными учеными, как Фатеев Е.М., Шефтер Я.И., Сабинин Г.Х., Твайдел Дж., Д. Де Рензо, Неделку Ш., Вашкевич К.П., Хлопенков П.Р., которые внесли огромный вклад в развитие теории проектирования и создания ветроаг-регатов различного класса.

Из многообразия модификаций ветроустановок наиболее широкое распространение получили малоэнергоемкие ВЭУ предназначенные для электроснабжения потребителей расположенных в отдаленных децентрализованных районах. В этом направлении ведут работы такие исследователи, как Шефтер Я.И., Рождественский И.В., Войцеховский Б.В. и т.д.

Анализ работ и тенденции развития ветроэнергетики для автономных малоэнергоемких потребителей показывают, что разработано множество конструкций ВЭУ. Так разработка и создание малоэнергоемких ВЭУ связано с решением ряда сложных как научных, так и практических задач. Это необходимость установления рациональных режимов работы установки при малых скоростях ветра, поиск и разработка конструкции генератора, стабильно

работающего в условиях малых ветров, разработка методов расчета эффективности ВЭУ с учетом динамического взаимодействия ветра с ветроколе-сом, моделирование этих процессов. Поэтому разработка новых типов ВЭУ, имеющих высокую эффективность, хорошую работоспособность и достаточную надежность при энергоснабжении малоэнергоемких потребителей является актуальной и перспективной задачей.

Связь темы диссертации с крупными научными программами. Работа выполнялась в рамках плановых научно-исследовательских работ, утвержденных Президиумом Национальной Академии наук Кыргызской Республики в рамках проблем 1.9.1. «Фундаментальные межотраслевые проблемы энергосберегающей политики» раздел 1.9.1.7. «Научные проблемы энергетических ресурсов» по темам «Научные основы синтеза комбинированных солнечно-ветровых комплексов для электроснабжения малоэнергоемких объектов в горных районах» (1991-1996 гг.), «Разработки теории, методов расчета и конструирование комбинированных автономных систем энергоснабжения на основе ВИЭ» (1996-2000 гг.).

Цель и задачи исследования. Разработка и создание малогабаритной бироторной ВЭУ для электроснабжения автономных маломощных потребителей.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

• анализ состояния ветряного потенциала и его распределение по территориальным зонам республики;

• классификация ветроустановок и анализ тенденции развития их конструктивных параметров;

• синтез принципиально новой схемы бироторной ветроэнергетической установки (БВЭУ);

• разработка модели бироторной ветроустановки, методов ее расчета и конструирования;

• создание экспериментально-промышленного образца действующей установки и ее экспериментальные исследования;

• практическое использование и внедрение результатов работ при создании солнечно-ветрового комплекса для электроснабжения автономного жилого дом-вагона.

Научная новизна. Новыми результатами исследования в диссертации представляются:

• впервые дана оценка энергетического потенциала ветрового потока приземного слоя применительно к использованию ветроустановка-ми в горноклиматических условиях Кыргызской Республики;

• теоретически доказано, что диапазон выходной мощности биротор-ных ветроэнергетических установок находится в пределах 1,185Р0>Р>0,64Р0 и обоснована их перспективность использования для энергоснабжения маломощных объектов;

• вскрыты объективные закономерности изменения эффективности работы БВЭУ при скоростях ветрового потока 2-6 м/с;

• предложена классификация ветроэнергетических установок, дополненная новым классом бироторных ветроустановок;

• создан экспериментальный стенд и разработана методика экспериментальных исследований БВЭУ.

Практическая значимость полученных результатов.

• разработаны инженерные методы расчета и конструирования БВЭУ;

• предложена классификация ВЭУ с учетом нового класса бироторных ветроэнергетических установок;

• результаты исследований использованы при создании действующего образца БВЭУ;

• разработанная конструкторская документация передана АО «Оре-ми» для освоения серийного производства;

• БВЭУ внедрена и нашла практическое применение при создании автономного жилого дом-вагона.

Экономическая значимость полученных результатов. Экономический эффект от применения БВЭУ для электроснабжения автономных потребителей более чем в два раза рентабельнее использования традиционных дизельных электростанций.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

• оценка и определение ветроэнергетического запаса приземного слоя Кыргызской Республики для целей энергоснабжения автономного потребителя;

• физическая модель и определение диапазона выходной мощности бироторной ВЭУ;

• объективные закономерности изменения эффективности работы БВЭУ при малых скоростях ветропотока;

• создание бироторной автономной ВЭУ нового класса ветромашин для малых скоростей ветропотока;

• разработка методики экспериментальных исследований бироторных ветромашин.

Личный вклад соискателя.

• получены два патента на ветроустановки нового класса;

• по статистическим данным метеостанций определен ветровой потенциал приземного слоя республики;

• синтезирована физическая модель бироторной ВЭУ, разработан и создан действующий образец;

• разработана методика экспериментальных исследований;

• обоснован диапазон выходной мощности бироторной ВЭУ, вскрыты объективные закономерности прохождения малого воздушного потока через два ветроколеса;

• разработанная конструкторская документация передана АО «Оре-ми» для освоения промышленного производства.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты доложены на республиканских научно-практических конференциях: «Математиче-

ское моделирование и проблемы автоматизации» Фрунзе 1990 г; «Состояние и перспективы использования нетрадиционных источников энергии» г. Севастополь 1990 г.; научно-технической конференции «Нетрадиционные источники энергии - 93» пос. Дивноморск 1993 г.; на научных семинарах секции Ученого совета Института автоматики HAH KP г. Бишкек 1993-1999 гг.; на международной конференции «Проблемы управления и информатики» г. Бишкек 2000 г.

Публикации результатов. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе два Патента Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 100 наименований. Объем работы составляет 133 страницы машинописного текста, в том числе 33 иллюстрации, 13 таблиц и два приложения.

10

ВВЕДЕНИЕ

Дефицит в республике традиционных источников первичных энергоресурсов, физический износ оборудования, обеспечивающих их доставку, переориентация республики на рыночную экономику требует активного поиска новых нетрадиционных средств преобразования источников энергии. Использование альтернативных источников энергии является актуальной проблемой во всем мире, решение которой позволит освободиться от традиционных затрат на добычу и переработку первичных энергоносителей. Поэтому в настоящее время не только в Кыргызстане, но и во всем мире огромное внимание уделяется экологически чистым возобновляемым источникам энергии, имеющим достаточно высокий потенциал.

Повышение технического уровня производства непрерывно связано с увеличением потребления энергии. В настоящее время, подавляющее количество энергии получают путем использования традиционных энергоносителей (уголь, нефть, газ и т.д.), интенсивное использование которых ведёт к загрязнению окружающей среды и их истощению. В работах [И, 12, 14, 16] проводится множество оценок запасов и сроков истощения традиционных источников энергии. Бурное развитие промышленности предполагает довольно ощутимое исчезновение не только запасов энергоресурсов, но и других малораспространенных в природе исходных веществ и элементов, отходы которых переходят в новое качество, а их количество создает потенциальную угрозу экологии. При наличии достаточного количества отходов их можно регенерировать и повторно применять, сама же энергия регенерации не подвергается.

Энергия, сосредоточенная в природных источниках не может использоваться непосредственно. Важным этапом на пути применения энергии яв-

х ' J Г Г

ляется ее преобразование в доступную для использования форму. Среди множества видов возобновляемых энергоносителей важное место занимает ветровая энергия. В работах [9, 16, 18, 32, 39, 80] приведены методические

положения, оценки, результаты и рекомендации по использованию энергии ветра, представляющие общий характер и особенности их использования. Исследователями различных школ Я.И. Шефтер, Дж. Твайдел, Д. Рензо, Е.М. Фатеев, Г.Х. Сабинин в своё время не зависимо друг от друга были показаны неиссякаемость и перспективность использования ВЭУ для энергообеспечения в том числе и для автономных потребителей. Характерно, что исследования проводились в условиях равнин и прибрежных территорий материков, где среднегодовые скорости ветрового потока составляют 9-12 м/с [24, 87, 98]. Но на территории Кыргызской Республики отсутствуют столь масштабные равнины и прибрежные зоны, за исключением локальных мест, побережья озера Иссык-Куль, Чуйской и Ферганской долин, где скорости потока достигают 7-11м/с. Потенциал ветровой энергии в республике предварительно исследован, составлена карта ветрового кадастра и указаны особенности ветровой нагрузки [73]. Особенности использования этой энергии заключаются в том, что большая доля потенциала ветровой нагрузки приходится на места, где жизнедеятельность людей ограничена гребневыми зонами горной местности, перевалами и ущельями и потребность в электроэнергии в указанных районах отсутствует.

Эксплуатация ветроэнергетических установок (ВЭУ) средней мощности в перечисленных районах не целесообразна по причине больших потерь при передаче. Разработка и эксплуатация мощных ВЭУ в Кыргызстане оставлены на перспективу и требуют более глубоких исследований ветрового кадастра.

Использование маломощных ВЭУ выпускаемых промышленностью СНГ на территории республики малоэффективно, поскольку для обеспечения их работы необходимы скорости ветрового потока 7 м/с и более. В предгорных зонах и пастбищах, где расположены основные потребители, среднегодовая скорость ветра составляет 2-5 м/с.

В республике более 18 тыс. чабанских стоянок [67], которые практически не имеют элементарных социальных и бытовых условий и лишены ка-

ких-либо источников информации. Большое число садоводов-любителей, пчеловодов, огородников не имеют централизованного электроснабжения.

Актуальность проблемы определила задачу эффективного использования малых скоростей ветра. Целью работы является разработка и исследование ВЭУ эффективно работающей в диапазоне скоростей ветра 2-6 м/с, имеющей малые массогабаритные размеры, легко транспортируемой, в том числе и вьючным методом.

Использование энергии ветра сократит проблемы в децентрализованных регионах и внесёт вклад в выполнение государственной программы по сокращению бедности в отдалённых регионах Кыргызской Республики.

13

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1Л. Состояние вопроса

На современном этапе развития общества остро встают проблемы энергопотребления и вопросы сохранения экологии планеты. Известно, что уровень потребления энергии на душу населения и экологические потери, наносимые от использования ископаемых источников энергии, определяют местоположение общества в мировом экономическом пространстве. Не все регионы планеты обладают достаточной степенью природных ископаемых видов энергий, большинство из которых вынуждены импортировать определенные виды, покрывая, таким образом, дефицит энергопотребления, в том числе и Кыргызская Республика, несмотря на то, что имеет достаточный потенциал гидроресурсов. Но отсутствие отдельных видов промышленной базы и природных ископаемых делают ее пока энергозависимой по некоторым категориям. Тенденция развития энергопотребления такова, что поиск и разработка альтернативных видов энергии [1, 18, 19, 32, 38] является важной перспективной задачей по энергосбережению. Последние годы все больше уделяетс