Обоснование конструкции вертикальной ветро- установки

Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т.н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше.

Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является разработка ветродвигателей с вертикальной осью вращения / ветродвигателей Дарье /, которые обладают рядом достоинств по сравнению с крыльчатыми ветродвигателями с горизонтальной осью вращения.

В Казахстане прекрасные условия для работы ветроэлектростанций. На сегодня у нас «запасы» ветровой энергии примерно в 7 раз превышают количество всей электроэнергии, вырабатываемой на земном шаре.

Республика Казахстан по своему географическому положению находится в ветровом поясе северного полушария и на значительной части территории Казахстана наблюдаются достаточно сильные воздушные течения, преимущественно Северо-восточного, Юго-западного направлений. Ветровой потенциал энергии Казахстана во много раз превышает современное потребление электроэнергии. По некоторым оценкам он составляет около 1820 млрд. кВтч в год и распространен на значительной территории страны. На карте ярким цветом выделены зоны высокой ветровой активности - богатые месторождения гигантских объемов энергии. Казахстан относится к III и IV районам по скоростным показателям ветра, имеет более десяти мест со средней годовой скоростью ветра 8-10 м/с, являющихся богатыми «месторождениями» энергии (Рисунок1.).

При обосновании возможности строительства крупных ВЭС в том или ином районе используются детальные метеорологические данные, с помощью которых оценивается возможное годовое производство электроэнергии ветровыми турбинами.

Среднегодовая скорость ветра (VQ характеризует ветровой потенциал территории. Это скорость ветра, которая определяется как среднее арифметическое значение всех наблюдаемых скоростей ветра в течение года. Сред-

140

ние скорости ветра могут быть вычислены и для других периодов, например: месячные, дневные, часовые.

Энергия, заключённая в ветре, находится в кубической зависимости от величины скорости ветра. Удвоение скорости ветра дает увеличение энергии в 8 раз. Таким образом, средняя скорость ветра 5 м/с может дать примерно в 2 раза больше энергии, чем ветер со средней скоростью 4 м/с.

Комплексная разработка оптимальных технологических процессов, экономически выгодных и позволяющих повысить эффективность ветро- установки, является ключевой проблемой на сегодняшний день [1,3,6].

Примерно одна треть набегающего воздушного потока не попадает на ветряк [2-4], воздух, отходящий в дальней зоне за ветроколесом, имеет скорость в одну треть от скорости ветра, следовательно, он уносит девятую часть энергии потока прошедшего сквозь ветроколесо [2]. В связи с этим повышение эффективности ветроустановки за счет новой конструкции ветро- колеса и ветрогенератора является актуальной задачей [4,6].

Цена на энергию постоянно растёт, а население, особенно сельское, не может позволить себе большие расходы: на одну казахстанскую семью приходится в среднем не более 5 кВт/часов в сутки, в то время как западный житель сегодня может потратить в 10 раз больше - 55 кВт/часов в сутки! И это при том, что республика находится в зоне с высокими запасами ветроэнергетики и солнечной активности [5]. Таблица1.

Таблица1 - Перспективы ветроэнергетики в Казахстане

Районы

Среднегодовая скорость ветра, м/с

Удельная годовая выработка электроэнергии, МВт- ч/м2

Общая макс. мощность ВЭУ, кВт

Джунгар

ские ворота

9-12

26-30

200

млн

Прикаспий

6-7

4-5

40 000

Чиликский

коридор

6-6,5

2,5-3,2

20 000

чу

Илийские горы

5-6

2,4-2,6

30 000

Зайсанская

долина

5-6

2,4-2,6

10 000

Северные районы (Костанай, Петропавловск)

5-5,5

2-2,1

2 млн

Балхашский

регион

(с. Улькен)

4,5-5,2

1,6-1,7

5 000

Другие ре

гионы

до 4,5

до 0,7

2 млн

Распространённые во всем мире (Япония, Китай, Голландия, Бельгия, Австралия, Россия) пропеллерные или лопастные ветроэлектростанции, оказывается, малоэффективны в условиях Казахстана. Большинство из них работает только при скорости ветра в 5-25 м/с и в среднем всего 100 дней в году, зависят от направления ветра и стоят в пределах 8-19 тысяч долларов США. В степи ветер резко меняет направление, и зарубежные конструкции просто не будут успевать поворачиваться вслед за ним, а, значит, и полноценно работать. Их можно поместить в Джунгарских воротах, где ветер большую часть времени дует в одном направлении, но только летом, когда его скорость 5-25 м/с, однако зимой ветер там «разгоняется» до 60-80 м/с! Этот напор зарубежные аналоги просто не выдержат.

Почему на Западе только лопастные ветроэнергоустановки (ВЭУ)? Тут сыграла свою роль инерция мышления: считалось, что чем выше КПД, тем лучше, а так как КПД у лопастных установок больше, их и начали выпускать.

Наиболее эффективной конструкцией для территорий с малой скоростью ветровых потоков признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, т.н. роторные, или карусельного типа. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше. Стоит отметить, что у вертикальных ветрогенераторов есть еще несколько существенных преимуществ: они практически бесшумны, и не требуют совершенно никакого обслуживания, при сроке службы более 20 лет! Системы торможения, разработанные в последние годы, гарантирует стабильную работу даже при периодических шквальных порывах до 60 м/с.

Где в Казахстане пригодятся ветровые установки:

  1. На отгонном животноводстве и в фермерских хозяйствах (крестьянские коллективы), жилых домах, сельских школах, больницах, фельдшерско- акушерских пунктах, пекарнях, банях, ветлабораториях, для обеспечения механической энергией водоподъемных машин на колодцах и стоянках по пути кочевок чабанов, стрижки овец.
  2. В нефтяной промышленности при добыче как привод подземных глубинных насосов со станков - качалок и насосных станций нефтепроводов, для катодной защиты нефтепроводов.
  3. На горнорудных предприятиях малой мощности, к примеру, при добыче россыпного золота и других драгоценных металлов и минералов, на поисковых и геологоразведочных работах.
  4. В воинских частях и на пограничных заставах для энергоснабжения кухонь, прачечных, связи, бытовых приборов и освещения.
  5. На метеорологических станциях.
  6. В учреждениях МВД, на стационарных постах дорожной полиции и таможенной службы.
  7. Вдоль железных (на разъездах, постах, полустанках) и автомобильных (пункты питания, кэмпинги) дорог.

Эффективность работы системы напрямую зависит от характера ветра, а также его скорости. Чем больше напор вы сможете поймать, тем больше получите производительность вашей установки. Причем отдача будет два раза превышать энергию ветра. Действительно, если удастся удвоить обычную среднюю скорость ветра вашей местности, вы получите примерно в 8 раз больше электроэнергии! И наоборот, с половины имеющейся скорости потока, достанется только восьмая ее часть.

Чтобы получить наилучшую отдачу вашей системы, ее нужно поставить там, где она сможет поймать максимально возможный поток. Идеальным местом является гладкая вершина холма с абсолютно ровным открытым участком вокруг (по крайней мере, в преобладающем направлении ветра). Вот почему такие электростанции редко расположены в городах (Рисунок 2.).

Зона турбулентности на самом деле растет по мере продвижения вниз по течению потока. Если на пути находится здание, то оно не должно блокировать преобладающий поток. Если у вас есть деревья рядом с запланированным для установки местом, то вы поймаете гораздо больший ветер над деревьями, чем вдали от них.

Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является разработка ветродвигателей с вертикальной осью вращения / ветродвигателей Дарье /, которые обладают рядом достоинств по сравнению с крыльчатыми ветродвигателями с горизонтальной осью вращения. Сейчас все больше производителей переходят на производство таких установок, так как далеко не все потребители живут на побережьях, а скорость континентальных ветров обычно находится в диапазоне от 3 до 12 м/с. В таком ветрорежиме эффективность вертикальной установки намного выше.

К этим достоинствам относятся следующие:

  1. успешно работает при любом направлении ветра;
  2. занимает меньшую площадь;
  3. имеет высокие обороты при низкой скорости ветра;
  4. простую конструкцию — не нуждается в высоких мачтах и растяжках, редукторах (генератор прямо на оси ротора);

143

  1. меньше шумит (некоторые);
  2. отсутствие сложных систем "установа на ветер" ротора ветродвигателя;
  3. отсутствие гироскопических нагрузок.

К настоящему времени инженерная разработка ветродвигателей этого типа находится на начальной стадии по сравнению с обычными ветродвигателями с горизонтальной осью вращения. За рубежом для исследования ветродвигателей с вертикальной осью вращения применяют преимущественно численные методы расчёта аэродинамических характеристик, проводят испытания моделей этих ветродвигателей в аэродинамических трубах и натурных условиях, а также осуществляют обширные опытно-конструкторские работы.

Существующие вертикальные ветроустановки имеют небольшой КПД (менее 20%).

Нами предлагается новая конструкция многолопастного ветрогенера- тора, которая будет использовать практически всю энергию воздушного потока за счет за счет встроенного второго ряда лопастей. Первый ряд за счет использования большого количества профилированных лопастей захватывает поток ветра и подает его под оптимальным углом на второй ряд, сжимая, тем самым ускоряя поток воздуха, увеличивая мощность твердого тела несимметричной формы (например, полусфера) при различной ориентации в потоке воздуха, обладающего постоянной скоростью V, взаимодействуют с потоком с различными усилиями ҒЛС1 и ҒЛС2 соответственно. Давление ветра на полусферу, ориентированную к нему вогнутой частью, более чем в 4 раза превышает давление на ту же полусферу, ориентированную к ветру выпуклой частью. При этом площадь сечения тел одинакова. И, очень важно, новая турбина (в теории) будет нормально работать как при крайне слабом ветре, стартует при скорости ветра уже от 1,5 м/с, и вырабатываемая мощность практически равна номинальной при скорости ветра 3-4 м, так и при очень сильном (свыше 40 метров в секунду) (Рисунок 3) .

144

Ветрогенератор вертикально-ориентированный инерционный с выраженным свободным инерционным моментом вращения, благодаря использованию принципов магнитной левитации является на сегодняшний день одним из самых эффективных. Легкость старта вращения ветрогенератора обусловлена используемым принципом магнитной левитации. Вертикально-осевой ветрогенератор собирается с использованием редкоземельных неодимовых магнитов. Многополюсность генератора позволяет получить номинальное напряжение на малых оборотах и полностью отказаться от редукторов.

Ветрогенератор вертикальный стартует при скорости ветра уже от 1,5 м/с, и вырабатываемая мощность практически равна номинальной при скорости ветра 3-4 м/с (в отличие от горизонтальных ветрогенераторов, которые стартуют при скорости ветра от 5 м/с).

Вывод. Таким образом, ветросиловые установки могут быть использованы на участке с относительно широким диапазоном среднегодовых скоростей ветра при наибольших изменениях в стоимости энергии. Необходимо также отметить, что, несмотря на значительный прогресс в этих исследованиях, ветродвигатели с вертикальной осью вращения продолжают оставаться перспективным объектом изучения.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Перминов Э.М. Проблемы и перспективы развития нетрадиционной энергетики. Промэнергетика, 1994. -№2.
  2. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М.: Энергия, 1975.
  3. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: Сельгиз, 1977.
  4. Сабинин Г.Х. Теория и аэродинамический расчёт ветряных двигателей. Труды ЦАГИ, 1981.
  5. Электронный ресурс URL: http://www.megapolis.kz/art/ Veter_peremen.
  6. S.Bolik, —Grid Requirements challenges for Wind Turbines”, Fourth International Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power and Transmission Networks for Offshore Wind farms, Billund 20.
Год: 2015
Город: Костанай