Технические науки/5. Энергетика

Д.т.н. Бальзанников М.И., к.т.н. Евдокимов С.В.

Самарский государственный архитектурно-строительный университет, Россия

Эффективные конструкции энергетических установок

на основе возобновляемых источников энергии

Конструкции энергетических установок на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) постоянно развиваются, совершенствуются и улучшаются.

Совершенствование этих элементов вызвано следующими основными причинами [5, 7].

К первой причине, можно отнести то, что элементы гидроэнергетических установок (ГЭС), гидроаккумулирующих установок (ГАЭС), насосных станций (НС), ветроэнергетических установок (ВЭУ) и других энергоустановок, как и любые технические системы, развиваются в направлении устранения выявленных ранее недостатков. При этом, в новых решениях достигается снижение потерь энергии и повышение суммарного коэффициента полезного действия. В ряде случаев разработки направлены на удешевление устройств за счет снижения материалоемкости или замены дорогостоящих материалов менее ценными с новыми свойствами, а так же на улучшение конструктивных форм, уменьшение объемов работ или повышение технологичности работ по этим элементам.

Вторая причина кроется в том, что к рассматриваемым устройствам, также как и энергетическим установкам в целом, изменяются предъявляемые требования. Особенно четко эта тенденция проявляется в последнее время. В частности, резко возросли требования охраны окружающей среды, повышения надежности и безопасности их эксплуатации, улучшения условий труда обслуживающего персонала. В связи с этим, в конструкциях устройств постоянно вводятся изменения и дополнения.

И третья причина обусловлена тем, что в распоряжении проектных фирм и организаций появляются неизвестные ранее материалы с необходимыми новыми свойствами, используются новые технологии, а также другие достижения отечественной и зарубежной науки и техники.

Эти причины и обуславливают развитие энергетических установок и их элементов. Особенно перспективны работы по совершенствованию конструкций гидроэнергетических установок, а именно гидравлических турбин ГЭС и ГАЭС, поскольку они являются весьма габаритными элементами, существенно влияющими на энергетические показатели и стоимость, а, следовательно, на эффективность и надежность работы всей энергетической установки в целом.

В качестве примера по совершенствованию конструкции гидравлической турбины может служить гидравлическая турбина, приведенная на рис. 1. Конструкция гидравлической турбины разработана коллективом авторов СГАСУ [3].

Предлагаемая конструкция может эффективно применяться в гидравлических турбинах ортогонального типа, размещаемых в гидротурбинных установках с малыми напорами с целью повышения их конкурентоспособности, надежности и долговечности работы. В таких гидравлических турбинах лопасти имеют значительную длину, причем по всей своей длине выполняются одинакового аэродинамического профиля. В связи с этим целесообразно применять не полнопрофильные лопасти, а состоящими из напорной и тыльной поверхностей, между которыми размещаются соединительные пластины, придающие жесткость конструкции.

Рис. 1 – Общий вид гидравлической турбины

Положительный эффект от использования изобретения заключается в следующем. В предлагаемом устройстве значительно снижается материалоемкость гидравлической турбины ортогонального типа за счет выполнения лопастей с полостями и использования отдельных элементов – напорной и тыльной для обеспечения аэродинамического профиля. Наличие полостей существенно снижает расход высококачественного дорогостоящего металла, из которого изготавливаются лопасти. Кроме этого, использование отдельных напорных и тыльных элементов, выполненных в виде криволинейных поверхностей позволит использовать материал одинаковой толщины, например, прокатный лист металла, что существенно уменьшит трудоемкость изготовления лопасти. Все вышесказанное позволит значительно уменьшить стоимость гидравлических турбин с лопастями аэродинамического профиля, применяемых в гидротурбинных установках, а, следовательно, повысить их конкурентоспособность, экономическую эффективность, обеспечить надежность и долговечность работы.

Существенно повысить эффективность использования энергии морских течений, обеспечить эффективную и надежную работу по выработке электроэнергии в промышленных масштабах с целью уменьшения влияния на окружающую среду традиционных энергоустановок ТЭЦ, ГЭС, АЭС, возможно за счет использования новой конструкции гидрогенератора морских течений [1]. Конструкция гидрогенератора морских течений представлена на рис. 2.

Рис. 2 – Общий вид конструкции гидрогенератора морских течений

Технический результат при реализации предлагаемой конструкции достигается за счет увеличения агрегатной мощности, КПД и надёжности гидрогенератора. Это достигается принципиально новой конструкцией гидрогенератора, которая состоит из подводного корпуса с конфузором, диффузором, зоной наибольшего скоростного напора между ними, системой фиксации на морском дне. Основой всей конструкции являются два подводных веретенообразных корпуса, параллельно соединённых между собой по типу катамарана связующим отсеком. В передней части каждого корпуса смонтировано кольцо дополнительного гидродинамического разгона водного потока, представляющее собой с наружной стороны цилиндр, с внутренней стороны имеющий выпуклую поверхность. Разгонное кольцо на корпусе установлено на пилонах, передних и задних, горизонтальных и вертикальных. Пилоны в сечении имеют гидродинамический профиль, передние действуют как дополнительный конфузор, задние - как диффузор, что усиливает эффект гидродинамического разгона потока. На скоростном участке между передними и задними пилонами установлена лопастная гидротурбина с горизонтальной осью вращения, соосно соединённая с электрическим генератором разъёмными муфтами через повышающий планетарный редуктор. Ось вращения турбины совпадает с направлением морского течения. Преимущество данной конструкции состоит в том, что принятая схема параллельного соединения подводных веретенообразных корпусов между собой по типу катамарана, в носовой части - связующим отсеком, в кормовой - горизонтальным стабилизатором, позволяет создать надежный несущий корпус, обладающий хорошей остойчивостью, с большим запасом плавучести. Конструкция способна воспринимать все нагрузки в любых направлениях и плоскостях, сбалансировать и нейтрализовать внутри себя все возникающие напряжения и вращательные моменты, а наличие разгонного блока позволяет освоить энергию водного потока с максимальной эффективностью. Принятая концепция позволяет создать надёжный агрегат большой мощности, способный выдерживать экстремальные нагрузки и стать альтернативным источником энергии.

Наглядной иллюстрацией к третьей причине, которая лежит в основе совершенствования конструкций энергоустановок на основе ВИЭ является конструкция ветроагрегата (ВЭА) с концентратором потока из легких дешевых эластичных материалов [2], схема которого приведена на рисунке 3. Легкий материал крепится к каркасу диффузора, состоящему из колец жесткости и продольных направляющих. Такое исполнение диффузора позволит обеспечить за счет парусности автоматический разворот концентратора под действием ветра по направлению действия ветрового потока.

Рис. 3 – Конструкция ветроагрегата с концентратором потока из легкого материала

Следует иметь в виду, что такой концентратор может выходить из строя, например, при буревых скоростях ветра. Однако это учитывается возможностью быстрой его замены на новый концентратор без значительных затрат. Вся конструкция ВЭА является весьма мобильной, что позволит использовать ее в районах чрезвычайных ситуаций, где требуются мобильные источники энергии.

Для повышения надежности ВЭА путем приближения массивных частей ветроагрегата к оси стойки ветроагрегат предложено снабдить кольцевым шарниром, опорной платформой, опорным кольцом и штангой. Опорная платформа расположена горизонтально и жестко соединена с кольцевым шарниром, а опорное кольцо установлено вертикально и жестко соединено с опорной платформой, причем на опорной платформе вертикально установлена штанга, на которой размещено ветроколесо с генератором.

Приближение массивных частей ветроагрегата к оси, уменьшает момент и изгибающее воздействие на стойку, а, следовательно, снизит вероятность поломки ветроагрегата и повысит надежность его работы.

Выбор основных параметров новых конструктивных решений энергетических установок на основе ВИЭ рекомендуется осуществлять согласно разработанной автором методики энерго-экономического обоснования основных параметров.

В качестве целевой функции может быть принято условие [6, 8]

,

(1)

где - энерго-экономический эффект; - количество расходных составляющих по стоимости энергоустановки на основе ВИЭ; - количество доходных составляющих по стоимости энергоустановки на основе ВИЭ; - рассматриваемый период времени; - расчетный период времени; - дисконтированная стоимость суммы всех расходных составляющих за расчетный период времени; - дисконтированная стоимость суммы всех доходных составляющих за расчетный период времени.

Обозначив параметры энергоустановки работающей на основе ВИЭ, как компоненты вектора , выражение (1) можно переписать в виде:

.

(2)

При этом на параметры энергоустановки полагаются следующие ограничения.

Во-первых, это ограничение на интервал изменения расчетного параметра

.

(3)

Сюда можно отнести, например, ограничения на длину концентратора потока ветроагрегата (рис. 4), на диаметр рабочего колеса гидравлической турбины (рис. 1), на длину конфузорного и диффузорного участка гидрогенератора морских течений (рис. 2) и т.д.

Во-вторых, это ограничение на область совместного изменения параметров

, .

(4)

Это ограничение вытекает из требований на характеристики различных режимов работы энергоустановок на основе ВИЭ.

Таким образом, задача выбора оптимальных параметров энергоустановки состоит в удовлетворении критерия (1) или (2) при ограничениях (3) и (4).

Рассмотрим более подробно применение методики энерго-экономического обоснования основных параметров ветроагрегата с концентратором потока (рис. 3). В первую сумму критерия (1) целесообразно включить:

,

(5)

где – стоимость агрегата с учетом его доставки и монтажа; – то же, концентратора; – годовые эксплуатационные расходы, относящиеся к агрегату; – то же, по концентратору потока. Стоимость агрегата зависит от многих параметров, основным из которых является его мощность. Однако фирмы-изготовители агрегатов уже на предварительном этапе вполне определенно могут представить сведения о стоимостном ряде выпускаемых агрегатов. Затраты на устройство концентратора потока в общем виде могут быть определены как

,

(6)

где – диаметр рабочего колеса энергетического агрегата – угол раструбности входной конфузорной части концентратора агрегата, – угол диффузорности выходной части, – длина концентратора.

Вторую сумму критерия (1) составляют:

,

(7)

где – годовой доход от реализации электроэнергии, – другие виды доходов, например, от реализации ценных бумаг, учета амортизационных отчислений и т.п.

,

(8)

где – тариф на отпуск 1 кВт.ч электроэнергии; – выработка электроэнергии:

,

(9)

где – основной энергетический параметр агрегата – мощность, величина которой подсчитывается как

,

(10)

где – коэффициент использования энергии потока (водного, воздушного), зависящий от типа, формы и геометрических характеристик рабочего колеса энергоустановки; – механический КПД; – электрический КПД; – площадь поверхности сбора энергии течения; - плотность потока; – скорость потока в зоне рабочего колеса.

Если тип и основные размеры агрегата определены или заданы заранее (в частности, размеры рабочего колеса, количество лопастей и т.п.), то, как следует из вышесказанного, его мощность будет определяться скоростью потока в зоне рабочего колеса. В свою очередь, скорость потока в зоне рабочего колеса определяется скоростью потока вне агрегата и, как показали выполненные экспериментальные исследования, зависит от геометрических параметров концентратора потока:

,

(11)

где и – углы раструбности соответственно входной конфузорной и выходной диффузорной частей концентратора агрегата, – длина концентратора. Зависимость эта получена нами в результате обработки экспериментальных данных.

На этапе оптимизации геометрических параметров концентратора потока для известного или заданного агрегата основными варьируемыми параметрами являются размеры концентратора – длина и углы и . Сочетание варьируемых размеров концентратора дает вариантов для решения задачи выбора оптимальных размеров концентратора:

,

(12)

где – номер рассматриваемого варианта.

Каждому – му варианту соответствует, с одной стороны, стоимостные характеристики изготовления концентратора потока, с другой стороны, - полученные экспериментально и представленные в виде математических зависимостей скорости воздушного потока в зоне ветроколеса.

Рассматривая наиболее целесообразные варианты и определяя каждый раз, дисконтированные стоимости расходных и доходных составляющих за расчетный период времени, по критерию (1) или (2) выбирают оптимальные геометрические параметры энергоустановки, работающей на основе ВИЭ.

Литература:

1. Алексеев, Е.И. Пат. 2372518 Российской Федерации, RU 2372518 С2. Гидрогенератор морских течений / Е.И. Алексеев, М.И. Бальзанников, С.В. Евдокимов; заявитель и патентообладатель СГАСУ. - № 2007142105/06; заявл. 13.11.2007; опубл. 20.05.2009, Бюл. № 31. – 2009.

2. Бальзанников, М.И. Пат. 2167336 Российской Федерации, Ветроагрегат / М.И. Бальзанников, С.В. Евдокимов, Ю.М. Галицкова; заявитель и патентообладатель СГАСУ. - Бюл. № 14. – 2001.

3. Бальзанников, М.И. Пат. 2369770 Российской Федерации, RU 2369770 С1. Гидравлическая турбина / М.И. Бальзанников, С.В. Евдокимов, М.В. Иванов; заявитель и патентообладатель СГАСУ. - № 2008109401/06; заявл. 11.03.2008; опубл. 10.10.2009, Бюл. № 28. – 2009.

4. Бальзанников М.И., Елистратов В.В. Возобновляемые источники энергии. Аспекты комплексного использования. – Самара: Офорт, 2008. – 331 с.

5. Менеджмент в электроэнергетике: Учебное пособие / А.Ф. Дьяков, В.В. Жуков, Б.К. Максимов, И.И. Ливченко; под. ред. А.Ф. Дьякова. – М.: Издательство МЭИ, 2000. – 591 с.

6. The Future for Renewable Energy. Prospects and Directions. Vol.2. 2002, EUREC Agency, London. 250 p.

7. Экономика установок нетрадиционных и возобновляемых источников энергии: Учебное пособие / Г.И. Сидоренко, И.Г. Кудряшева, В.И. Пименов; под. ред. В.В. Елистратова и Г.И. Сидоренко. – СПб.: Издательство СПбГПУ, 2009. – 248 с.