Технические науки/5. Энергетика

 

Профессор, к.т.н. Шумейко И.А.

Студент Нуркимбаев С.М.

 

Павлодарский Государственный Университет им.С.Торайгырова, Казахстан

 

Повышение эффективности маломощных ветровых электрических установок

 

Поиск более эффективных способов использования стандартного для прошлых лет набора источников энергии – нефть, газ, уголь, уран, энергия течения рек – значительно расширился и прежде всего среди возобновляемых источников. Результаты исследований показывают, что потенциальный энергопоток  от возобновляемых источников энергии почти в 15 раз превышает действующее энергопотребление в мире ([2], [3]). Это означает, что в ближайшее время необходимо найти способы и технологии эффективного использования этого потенциала. Такая необходимость прежде всего связана с постепенным истощением природных запасов невозобновляемых источников энергии и ухудшением экологической обстановки.

            Казахстан имеет значительные ресурсы возобновляемой энергии, особенно ветровой. С географической и метеорологической точек зрения Республика Казахстан является одной из наиболее подходящих стран в мире для развития ветроэнергетики. [2]

            Характерной особенностью Казахстана является обширная территория и связанная с этим необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния - общие потери электроэнергии в отдельных случаях достигают 25-30% от её потребления [2]. Это создает проблему с энергоснабжением отдаленных поселков и населённых пунктов. Нередко возникает необходимость энергоснабжения удаленных от линий электропередач, одиночных точек – мелких хозяйств, дачных хозяйств, точек обслуживания нефте- и газопроводов, ретрансляторов и т.д.

В связи с вышеизложенным поставлена задача создания на первом этапе маломощной электрической установки, обладающей максимальной эффективностью и надежностью в работе при приемлемой себестоимости.

Существует множество конструкций ветровых электрических установок средней и малой мощности. К числу таких ветровых электрических установок можно отнести, например, ветроагрегат Российского производства АВЭУ-6. Ветроагрегат имеет ветровое колесо (ВК), две лопасти которого установлены на удлиненных стержнях для размещения грузов центробежно-аэродинамического регулятора частоты вращения ветроколеса. Выпуск этого ветроагрегата освоил Павлодарский машиностроительный завод. Однако выпуск его приостановлен, в связи с недостаточно высокой эффективностью и надежностью в работе.

Широкое распространение получили ветроэлектрические агрегаты типа Passat-1.4 фирмы Fortis Wind Energy (Голландия). Ветроагрегаты мощностью 1,4 кВт имеют трёхлопастное ВК. Высота мачты 12-18 м., метод защиты от шквальных ветров – вывод колеса из под ветра. Ветроагрегат Passat-1.4 имеет ряд преимуществ по сравнению с ветроагрегатом АВЭУ-6, однако значительная высота мачты и довольно сложная аэродинамика ВК затрудняет его широкое применение в Казахстане. Более того, ставится задача выпуска отечественного ветроагрегата, простого по конструкции, имеющего надежную защиту от шквальных ветров и обеспечивающего высокую эффективность при минимальной себестоимости.

С целью определения оптимальных конструктивных параметров ВК - формы лопасти, числа лопастей, относительной площади лопасти, угла их установки (угла атаки), диаметра обтекателя, были проведены экспериментальные исследования зависимости момента на валу ВК, его частоты вращения и мощности от указанных конструктивных параметров.  Исследования проводились на специально изготовленной модели (рисунок 1), позволяющей как угодно менять конструкцию ВК. Модель принята на основании данных [4].

На валу 1 ветроколеса установлен барабан 3, с помощью которого создавался тормозной момент равный моменту развиваемого ветровым колесом.

Рисунок 1 – Модель ветроэнергетической установки

 

Воздушный поток с постоянной скоростью 5,7 м/с создавался при помощи аэродимической трубы, выполненной на базе промышленного вентилятора мощностью 2,2 кВт (рисунок 2).

Для измерения момента на валу ветроколеса предварительно была выполнена тарировка по схеме, представленной на рисунке 3. На расстоянии l1 от оси ВК подвешивался груз с известной массой m1, соответствующей силе Р, действующей через рычаг 1 и колодку 2 на тормозной барабан 3. На стержень 4, равный по массе лопасти 5, подвешивался груз также с известной массой m2 соответствующий силе F. Путем изменения плеча l2 определялся момент соответствующий силе Р. Пружина служит для исключения влияния на результаты измерений веса рычага. По результатам измерений строился график зависимости  .

При проведении экспериментальных исследований зависимости момента от конструктивных параметров ВК с помощью динамометра определялось усилие Р, при котором ВК останавливалось, соответствующий усилию Р момент определялся из тарированного графика. Частота вращения ВК определялась с помощью тахометра электронного типа. Угол поворота лопастей (70, 110, 150, 200, 250, 300, 350, 450) устанавливался с помощью специально выполненных шаблонов. Относительная площадь лопасти определялась отношением площади лопасти к площади ометаемой ветровым колесом без учета площади обтекателя.

Рисунок 3 – Схема выполнения тарировки момента

В качестве примера на рисунках 4 и 5 приведены лопасти с различной относительной площадью.

 

                


Рисунок 4 – Шестилопастное ветроколесо с относительной площадью S=0,045

Рисунок 5 – Шестилопастное ветроколесо с относительной площадью S=0,0853

В процессе экспериментальных исследований использовалось ветровое колесо диаметром 600 мм с относительной площадью лопастей  S1=0,045, S2=0,0568, S3=0,071, S4=0,0853. Форма лопасти (дугообразная из листовой стали) в поперечном сечении принята как наиболее технологичная.

По результатам экспериментальных исследований построены графики зависимостей:

1)     момента на валу ВК от относительной площади и угла атаки т.е.  лопастей i=2, i=3, i=4,  i=6 (рисунок 6).

2)     частоты вращения ВК, т.е.  (рисунок 7).

3)     мощности развиваемой ВК (рисунок 3), т.е.  мощность рассчитывалась по формуле:   (рисунок 8).

 

    

 

Рисунок 6 – График зависимости момента от относительной площади и угла атаки для двух-, трех-, и шестилопастного ВК.

 

    

Рисунок 7 – График зависимости частоты вращения от относительной площади и угла атаки для двух-, трех-, и шестилопастного ВК.

 

    

Рисунок 8 – График зависимости мощности от относительной площади и угла атаки для двух-, трех-, и шестилопастного ВК.

 

            Наиболее важными параметрами для ветровой электрической установки является частота вращения n и мощность N.

            Наибольшую частоту вращения n=800 (об/мин) обеспечивает двухлопастное ВК с минимальным значением относительной площади лопасти S1=0,045 и углом атаки  мощность при этом составляет 6 Вт, момент – . Трёхлопастное ВК имеет максимальную частоту вращения n=600 (об/мин) с относительной площадью S2=0,0568 и S3=0,071 и углах атаки , что на 47% ниже, чем для оптимального двухлопастного ВК. Мощность при этом (N=13 Вт для S3=0,071) в 2,6 раза больше в сравнении с двухлопастным ВК, момент - в четыре раза больше.

            Сравнивая двух- и трёхлопастное ВК принимаем в качестве наиболее оптимального варианта трехлопастное ВК с относительной площадью лопасти S=0,071 и углом атаки . Потеря в частоте вращения (46%) может быть компенсирована небольшим увеличением передаточного отношения, например, ременной передачи.

Сравним выбранную оптимальную конструкцию трёхлопастного ВК с шестилопастным. Максимальную частоту вращения шестилопастное ВК имеет для случая с S1=0,045 (n=590 об/мин, ), что всего на 1,7% ниже трехлопастного. Мощность при этом (N=13 Вт, ) осталась на том же уровне, которая имела место для трёхлопастного ВК с относительной площадью лопасти S=0,071.

            Таким образом, наиболее эффективным вариантом ВК с вогнутым профилем лопасти для маломощной электрической установки является трёхлопастное ВК с относительной площадью S3=0,071 и рабочим диапазоном углов атаки .

            Известно, что генератор электрического тока должен иметь не менее 1600 об/мин на номинальном режиме, поэтому должен быть применен вариант механизма повышения частоты вращения не менее чем в . Так как экспериментальные исследования выполнялись при скорости воздушного потока , а нормальная работа ветроустановки должна быть обеспечена и при меньших скоростях ветра, необходимо принять передаточное отношение, например, ременной передачи, не менее трех.

            Предлагаемая схема маломощной электрической установки с параметрами ВК – числом лопастей три, формой лопасти дугообразной, относительной площадью лопасти S3=0,071,  углом атаки 7-15 градусов, обеспечивающей максимальную эффективность, представлена на рисунке 9.

 

Рисунок 9 – Схема маломощной электрической установки

 

 

 

 

 

 

Литература:

1.   Глобальная энергоэкологическая стратегия устойчивого развития в XXI веке / Нурсултан Назарбаев. – Москва : Экономика, 2011. – 194 с.

2.   Национальная программа развития ветроэнергетики до 2015 года с перспективой «Проект правительства Республики Казахстан: Казахстан – инициатива развития рынка ветроэнергетики» до 2024 года. Алматы – Астана, 2007. – 20 с.

3. Дорошин А. Г. Доклад «Перспективы использования энергии ветра в Казахстане». Проект Программы развития ООН и Правительства  Казахстана «Казахстан - инициатива развития рынка ветроэнергетики». – Алматы, 2006. – 11 с.

4. Е. М. Фатеев Ветродвигатели и ветроустановки. Москва, Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1948. – 545 с.