авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Методологические основы разработки и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок для агропромышленного комплекса россии

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Соломин Евгений Викторович МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ И СОЗДАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА РОССИИ Специальность 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул – 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный универ ситет» (Национальный исследовательский университет) на кафедре «Электротехника и возобновляемые источники энергии»

Научный консультант: Кирпичникова Ирина Михайловна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО ЮУрГУ (НИУ), г. Челябинск, кафедра «Электротехника и возобновляемые источни ки энергии», зав.кафедрой

Официальные оппоненты: Федянин Виктор Яковлевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный техниче ский университет им. И.И. Ползунова»), г. Барнаул, кафедра «Электротехника и автоматизированный электропривод», профессор Тайсаева Валентина Табановна доктор технических наук, профессор, ФГОУ ВПО «Бурятская государственная сельскохо зяйственная академия им. В.Р. Филиппова»), г. Улан Удэ, кафедра «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», профессор Худоногов Анатолий Михайлович доктор технических наук, профессор, ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», кафедра «Электроподвижной со став», профессор Ведущая организация ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», г. Екатеринбург.

Защита состоится «19» марта 2013 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу: 656038, Алтайский край, г.

Барнаул, пр. Ленина, 46. Тел/факс (3852)36-71-29, 36-78-64, htpp://www.altstu.ru, e mail: elnis@inbox.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова».

Автореферат разослан «16» февраля 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор Л.В. Куликова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Работа посвящена созданию методологических ос нов проектирования надежного и экономичного энерго- и электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, разработке новых ветроэнергетических установок для сельскохозяйственного производства и быта населения.

С древнейших времен человек использовал энергию ветра для помола зерна, перекачивания воды и других работ, заменяющих мускульную силу. Задачей ветроэнергетики на современном этапе является обеспечение энергией удален ных потребителей. Именно вопрос энергоснабжения разрозненных сельскохо зяйственных потребителей наиболее актуально стоит в большинстве регионов России, территории которых имеют природные ресурсы, возможность развития инфраструктуры и создания производства. Необходимость неоправданно боль ших капиталовложений в строительство линий электропередач в условиях слож ного рельефа местности и совокупности с малой потребляемой мощностью объ екта (в среднем до 50-100 кВт) подтверждает актуальность поиска альтернатив ных методов решения задачи электрификации.

В период мирового кризиса энергетика села все чаще сталкивается с гло бальной зависимостью от топливно-энергетических ресурсов и их дефицитом, а также с неизменным ростом цен на топливо, что сказывается на стоимости про изводства. При этом в отрасли преобладает высокая энергоемкость, ощущается крупный дефицит инженеров-энергетиков, а также существуют проблемы с надежностью электроснабжения отдельных территорий и хозяйств. Все это про исходит на фоне высокого процента износа электрооборудования. С другой сто роны в России имеются все необходимые ресурсные, технические, энергетиче ские и экономические условия для широкомасштабного эффективного использо вания ветроэнергетических установок, в том числе для сельскохозяйственных районов.

Внедрение альтернативной энергетики на основе возобновляемых источни ков энергии может создавать надежные, редко обслуживаемые локальные систе мы энергоснабжения на территории агропромышленного комплекса (АПК). При этом одним из доступных, удобных и выгодных вариантов является ветроэнерге тика. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) могут располагаться в местах, не предназначенных для посевов, но расположенных рядом с объектами потребле ния (горные массивы, холмы, поймы рек, болота, земли с низким геотермальным потенциалом и т.д.). Их также можно размещать и на территории пастбищ, по лей, ферм и других объектов сельского хозяйства, в отличие от фотоэлектриче ских преобразователей, биогазовых заводов, геотермальных станций. ВЭУ меньше подвержены вандализму, занимают малые территории в связи с наличи ем на поверхности земли только одного элемента – мачты. При этом именно ав тономные ВЭУ могут ускорить развитие села благодаря своей мобильности и возможности размещения в труднодоступных местах. В связи с вышесказанным внедрение автономных ветроэнергетических установок в сельской местности может обеспечить полным или частичным энергоснабжением небольшие посел ки, жилые объекты, фермы, офисные помещения или малые цеха с целью разви тия инфраструктуры на удаленных территориях страны.

В настоящее время разработка ВЭУ, перспективных для АПК РФ, основана в целом на ряде инженерных подходов к проектированию отдельных компонен тов, что свидетельствует об отсутствии научно обоснованной методологии раз работки конструкции ВЭУ как единого целого. Оптимизация параметров уста новок затруднена в связи с наличием возмущений, вызванных взаимовлиянием компонентов друг на друга. Решение этой проблемы может заключаться в созда нии оптимальных технологичных конструкций на основе внедрения методоло гии разработки с системным научным подходом и применением совокупности методов, а также принятия научно обоснованных технических, технологических и экономических решений. Методология позволяет структурировать и логически организовывать методы и средства оптимального проектирования ВЭУ. Такой подход имеет важное хозяйственное значение, а внедрение обоснованных реше ний вносит значительный вклад в развитие экономики страны и агропромыш ленного комплекса, повышение энергонезависимости сельского хозяйства.



Исследования, приведенные в диссертационной работе, пять раз поддержа ны грантами Минобрнауки РФ, г. Москва (2009–2012 гг.), грантами РФФИ (2011-2012 гг.), пять раз – грантами Администрации г. Челябинска (2009– гг.), а также средствами инвестиционных, инновационных и венчурных проектов в области ветроэнергетики.

Автор благодарит коллектив ООО «ГРЦ-Вертикаль» за помощь и содей ствие в проведении исследований, организации производства и испытаний.

Цель работы: создание и реализация методологических основ разработки новых высокоэффективных вертикально–осевых ветроэнергетических установок для энергоснабжения объектов АПК.

Задачи исследований:

– обосновать необходимость методологического подхода к разработке и созда нию вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ВО ВЭУ) для АПК;

– оптимизировать разработанную конструкцию ВО ВЭУ с целью получения мак симальной выработки энергии;

– разработать технологические процессы изготовления компонентов ВО ВЭУ в условиях АПК РФ, разработать методику вибробалансировки ротора ВЭУ;

– провести экспериментальные исследования новых ВЭУ в фермерских хозяй ствах с измерением шума и вибраций на объектах животноводства и птицевод ства;

– провести технико-экономическую оценку внедрения разработок в АПК;

– обосновать экономические и социальные перспективы массового использова ния малых автономных ветроэнергетических установок в АПК РФ;

– создать и внедрить семейство автономных ВЭУ для удаленных объектов АПК.

Объект исследования: вертикально-осевые ветроэнергетические установки с вновь разработанным модифицированным ротором Дарье, предназначенным для длительной работы в полевых условиях.

Предмет исследования: конструктивные и эксплуатационные параметры вертикально-осевой ветроэнергоустановки и ее компонентов с учетом законо мерностей их функционирования и наличия возмущающих факторов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко мендаций подтверждается аргументированностью исходных посылок, вытека ющих из основ физики, аэромеханики и электротехники, удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспери ментов и опытом эксплуатации.

Научная новизна: разработаны методологические основы создания верти кально-осевых ветроэнергетических установок для АПК. Научно обоснован си стемный подход при проектировании и оптимизации ВО ВЭУ с применением совокупности методов. Разработаны математические и физические модели ВО ВЭУ с целью оптимизации их параметров и режимов использования. Установле ны закономерности влияния внешних и внутренних силовых воздействий, при водящих к возникновению шума и вибраций, разработана методика снижения уровня вибраций на основе оптимизации параметров ВЭУ в период разработки.

Введено эффективное аэродинамическое регулирование частоты вращения рото ра ВЭУ. Оптимизированы параметры генерирующей системы. Реализован алго ритм регулирования мощности ВЭУ.

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

Разработан и внедрен в производство ряд технологических процессов изго товления комплектующих ВЭУ с привязкой к конкретным объектам сельскохо зяйственной отрасли, разработана и реализована методика предэксплуатацион ной статической и динамической балансировки роторов вертикально-осевых ВЭУ с целью снижения шума и вибраций.

Созданы модификации ветроэнергетических установок мощностью от 0,1 до 30 кВт. В опытной и коммерческой эксплуатации находятся ВО ВЭУ с 3, 4 и 6 лопастными роторами, предназначенные для работы в широком диапазоне ско ростей ветра от 2 м/с до 45 м/с. Положительные результаты работы ВЭУ получе ны на 10-ти ветроустановках мощностью 3 кВт, в том числе в КФХ «Марково 1» (Челябинская область), ЗАО СХП "Краснокаменское" (Архангельская об ласть), пос. Яденино (Ямало-Ненецкий Автономный Округ), каждая из которых выдает 200-500 кВт-ч электроэнергии ежемесячно.

Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (г. Челябинск), ФГАОУ ВПО «УрФУ» (г. Екатеринбург), ЧГАА (г.

Челябинск), методических указаниях Минсельхоза Челябинской области и т.д.

Рекомендации, сформулированные на основе научных положений, резуль татов и выводов, а также разработанные технологические процессы и методики используются рядом предприятий – производителей комплектующих (ООО «ГРЦ-Вертикаль», ООО «Промэнерго», НИИ «Уралмет» и др.).

На базе ООО «ГРЦ-Вертикаль» (г. Челябинск) создано производство ВЭУ мощностью 0,1;

1;

3;

5 кВт, созданы образцы 10 и 30 кВт. За 2009–2012 гг. реа лизовано свыше 30 коммерческих установок, показывающих прогнозируемые результаты. Ряд комплектующих производится крестьянским фермерским хозяй ством «Марково-1» (Челябинская область, Троицкий район, с. Суналы).

Рекомендации и проекты изменений ряда ГОСТ и стандартов организаций по ветроэнергетике переданы в ЗАО «НПЦ Малой Энергетики», г. Москва.

Положения, выносимые на защиту.

– Методология разработки и создания ВО ВЭУ на основе поэтапной итерацион ной оптимизации параметров компонентов и анализа кластерных математиче ских моделей.

– Система аэродинамического и электронного регулирования мощности ВЭУ.

– Технологические процессы изготовления лопастей и генератора ВО ВЭУ, ме тодика вибробалансировки.

– Семейство ВО ВЭУ с модифицированными роторами «Дарье».

– Технико-экономическая оценка результатов исследований, обоснование эко номических и социальных перспектив внедрения ВО ВЭУ в АПК РФ.

Апробация работы: результаты работы были доложены, рассмотрены и одобрены на 17 научно-практических конференциях регионального, российского и международного уровня, в том числе: на совещании в Министерстве Энерге тики РФ о внедрении ВЭУ с водородными накопителями в ряде регионов Рос сийской Федерации, 2009 г.;

научной сессии Академии электротехнических наук РФ по проблемам «Нетрадиционные и возобновляемые источники электроэнер гии», г. Москва, 2010 г.;

Международной энергетической конференции «Техно логическая основа формирования новой энергетики России» в Московской шко ле управления Сколково, г. Москва, 2010 г.;

ежегодных (2007–2012 гг.) научных конференциях Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск, Семинарах ГНУ ВИЭСХ РАСХН в 2011-2012 гг. и др.

Разработки получили положительную оценку на ряде НТС различного уровня, включая областной и федеральный (Минсельхоз РФ (2007 г.), Минэнерго РФ (2008 г.), Минобразования РФ (2009, 2010, 2011 гг.), Минсельхоз Челябин ской области (2005, 2010, 2011 гг.), 5 международных совещаниях.

Личный вклад: выносимые на защиту результаты получены соискателем лично. В опубликованных совместных работах и патентах постановка и исследо вание задач осуществлялись совместными усилиями соавторов при непосред ственном активном участии и по личной инициативе соискателя.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 57 научных работ в цен тральных, региональных и международных журналах, в том числе 31, рекомен дованных ВАК Минобрнауки РФ. Выпущено 2 монографии. Издано учебное по собие. По теме исследований на 13 разработок получены патенты и 1 ноу-хау.

Разработки награждены 2 дипломами конкурсов разработчиков РФ, 4 ди пломами лучших проектов РФ, золотой медалью региональной выставки «Агро 2009».

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, четы рех глав и заключения, изложена на 412 страницах машинописного текста, со держит 98 страниц приложений, 135 рисунков, 21 таблиц, список используемой литературы из 239 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, отмечена научная новизна и практическая ценность работы для агропромышленного комплекса РФ, приведе ны результаты внедрения.

В главе 1 «Состояние вопроса и задачи исследования» описан ряд техни ческих особенностей основных конструкций ветроэнергетических установок (ВЭУ), предназначенных для энергоснабжения сельских потребителей, проведен анализ преимуществ и недостатков вертикально- и горизонтально-осевых ветро энергетических установок, предназначенных для использования в АПК РФ, дан обзор ряда факторов, характеризующих ВЭУ, приведены пути повышения каче ства конструкции и снижения влияния на окружающую среду. Указаны критерии оптимизации. Сформулированы цели и задачи исследования.

Еще 100 лет назад в крестьянских хозяйствах России насчитывалось около 250 тыс. ветряных мельниц, которые ежегодно перемалывали половину урожая (около 33 млн. т, или 2 млрд. пудов зерна). Разработка Н.Е.Жуковским теории быстроходного ветродвигателя и научных основ создания высокопроизводи тельных ВЭУ в начале XX века положила начало появлению множества кон струкций ВЭУ различных типов мощностью до 100 квт для механизации и элек трификации процессов сельскохозяйственного производства и других целей.

Мировой уровень разработок в этой области был поддержан советскими учёны ми Н.В. Красовским, Г.Х. Сабининым, Е.М. Фатеевым, что позволило в послево енный период выпустить более 40 тыс. ветродвигателей ТВ-8, ТВ-5, Д-12, ВЭ-2, которые с большой эффективностью применялись в колхозах и совхозах.

Крупный вклад в развитие ВЭУ и ВЭУ для АПК был сделан известными Российскими учеными в XX–XXI вв. (В.Н. Андриянов, П.П. Безруких, Д.Н.

Быстрицкий, В.Р. Вашкевич, В.П. Ветчинкин, В.И. Виссарионов, Я.Б. Даниле вич, Г.И. Денисенко, В.В. Елистратов, Е.И. Куклин, М.В. Кузнецов, В.А. Ми нин, Г.Х. В.В. Харитонов, Ю.Г. Шакарян и др.), что позволяет утверждать, что проблема ускорения электрификации сельского хозяйства на основе внедрения ВЭУ может быть с успехом решена в России, причем в настоящее время.

Спектр современных ВЭУ представлен в основном вертикально- и горизон тально-осевыми традиционными конструкциями роторов и многообразием си стем управления и регулирования. Из них наиболее высокоэффективными явля ются установки, использующие подъемную силу крыла. В отличие от горизон тально-осевых (ГО) ВЭУ, работа вертикально-осевых конструкций (ВО ВЭУ) типа Дарье не зависит от направления ветра и поэтому удельная выработка энер гии аналогичных по мощности конструкций у ВО ВЭУ в 2–2,5 раза больше.

Кроме того, ВО ВЭУ не являются генераторами инфразвука и шума, однако больше подвержены вибрациям. При снижении вибраций до требуемого уровня малые ВО ВЭУ могут являться идеальным источником энергоснабжения для животноводческих и птицеводческих объектов АПК.

В настоящее время в среде фермерских хозяйств растет интерес к малым ВЭУ в связи с рядом причин (стремление потребителей к автономному энерго снабжению, доступность и простота монтажа, обслуживания, ремонта). Наблю дается тенденция приближения ВЭУ к объектам жилья и животноводства (стремление установить ВЭУ на кровле фермы или дома). Эффективное исполь зование ВЭУ достигается в совокупности с эксплуатацией энергосберегающего оборудования и ряда сельскохозяйственных производств (разведение рыбы в за морных водоемах с использованием аэраторов, перекачка воды с целью создания искусственных водоемов, теплоснабжение ферм, организация быта сотрудников хозяйств в непосредственной близости к производству и многое другое).

Объемы внедрения ВЭУ в АПК практически не ограничены, поскольку электрификация поднимает жизнь сельского жителя на другой уровень. Потен циальный рынок ВЭУ в системе АПК РФ может составить до 2 ГВт установлен ной мощности на сегодняшний день. Использование ВЭУ может не только сни зить нагрузки на существующие сети, но и полностью исключить энергопитание от центральных сетей. Технико-географических ограничений на внедрение ВЭУ в сельскохозяйственной отрасли РФ не выявлено. Малые ВЭУ работают эффек тивно практически на всей территории РФ, однако наибольшая эффективность будет достигнута при размещении ВЭУ в соответствии с ветроэнергетическим кадастром (лучшим вариантом до сих пор считаются сборник «Энергетические ресурсы СССР» и атласы «Энергетические ресурсы ветра» и «Атлас энергетиче ских ресурсов СССР». Экономическими ограничениями являются стоимость оборудования и, следовательно, стоимость получаемого киловатт-часа, которая зависит еще и от срока эксплуатации. В связи с этим создание надежных, долго вечных высокоэффективных ветроэнергоустановок является основой расшире ния электрификации села. Расчеты ценообразования различных вариантов пока зывают, что сегодня стоимость небольших ВЭУ, пригодных для эксплуатации обособленными крестьянскими фермерскими хозяйствами (КФХ), сравнима со стоимостью подключения ЛЭП, уже не говоря о самом строительстве линий электропередач (ЛЭП) до КФХ. Поэтому уже в ближайшее время ВЭУ составят серьезную конкуренцию магистральным линиям электропередач.

Однако для надежного энергообеспечения сельскохозяйственных объектов от ВЭУ необходимо использовать оборудование и технологии, созданные на ос нове научных подходов. Одним из таких подходов является разработка единой методологии проектирования и создания надежных, экологически чистых ВЭУ, учитывающих все особенности сельскохозяйственного производства. Это явля ется крупной научной проблемой, имеющей стратегическое хозяйственное зна чение.

В данной диссертационной работе вертикально-осевая конструкция была выбрана для изучения, разработки и оптимизации в связи с рядом факторов: не зависимость работы ВЭУ от направления ветра, высокий коэффициент исполь зования энергии ветра (до 0,43), самостоятельный старт ВЭУ на малых (до 2 м/с) скоростях ветра, выработка энергии со скорости ветра 3 м/с, возможность аэро динамического регулирования частоты вращения, низкий уровень шума и виб раций, отсутствие мультипликатора, простота изготовления компонентов, низкая экономически выгодная для АПК себестоимость от 60 руб. за 1 Вт мощности.





Критериями оптимизации являлись технические условия (оптимальные ха рактеристики и параметры ВЭУ, технологичность компонентов, низкий уровень автоколебаний и взаимовлияния модулей ВЭУ, самостоятельный старт при ма лых ветрах, ограничение частоты вращения ротора) и экономические параметры (низкая себестоимость изделия, монтажа, пусконаладки и обслуживания).

В главе 2 «Методологические основы разработки ВО ВЭУ» дано описа ние системного методологического подхода к разработке ВО ВЭУ для аграрной отрасли на основе последовательно–поэтапной (итерационной) покомпонентной оптимизации конструкции с помощью применения последовательности ряда ме тодов (рис. 1), исследования трехмерных и функциональных моделей ВЭУ. Вы числены возмущающие воздействия, исследовано их влияние на ВЭУ, обоснован выбор конструкций компонентов, описано аэродинамическое регулирование и оптимальное электронное регулирование мощности ВЭУ. Особое внимание уде лено оптимизации эксплуатационных характеристик с целью снижения вибраци онного и шумового воздействия для размещения ВЭУ в непосредственной бли зости к объектам животноводства и птицеводства, а также непосредственно на зданиях и объектах АПК с соответствующим снижением установочных и экс плуатационных расходов.

Методология разработки является основополагающим принципом и спосо бом организации теоретической и практической деятельности при создании из делия, и является верхним уровнем с точки зрения проектирования ВЭУ. В соот ветствии с этим методы, применяемые в методологии, являются вторым, более низким уровнем. На нижнем уровне находится непосредственно интегрирован ное и покомпонентное проектирование, включающее ряд конструкторских задач.

Методология разработки и создания ВО ВЭУ включает ряд теоретических и экспериментальных методов, применяемых на разных этапах проектирования по итерационной (последовательно-поэтапной) схеме с оптимизацией каждого ком понента и конструкции в целом, когда по завершении каждого этапа и ряда ите раций проводится сравнение расчетных и опытных характеристик с проверкой на удовлетворительность по соответствующим критериям (рис. 1).

Процесс исследования на основе эксперимента является чрезвычайно доро гостоящим. С учетом мощного развития компьютерной техники и основанных на ней математических аппаратов, одним из быстрых и менее дорогостоящих путей изучения параметров ветроэнергетических установок является компьютерное моделирование и всесторонний анализ физико-математических моделей.

Согласно исследованиям, представленным в Главе 1, ВО ВЭУ является од ним из наиболее эффективных и удобных источников энергоснабжения для сельскохозяйственной отрасли. В соответствии с этим к ней сформулированы следующие требования:

– требования к конструктивным параметрам должны соответствовать всем применимым ГОСТ и СНиП для ВЭУ и электроустановок, но должны быть уси лены в части экологии, а именно снижения вибраций, шума, электромагнитных колебаний;

– требования к технологическим процессам должны удовлетворять возмож ностям организации производства комплектующих в условиях села;

– требования к себестоимости ВЭУ должны формироваться на основе стои мости кВт-часа электроэнергии и срока эксплуатации оборудования с целью снижения себестоимости сельхозпродукции.

Рис. 1. Структурная схема методологии разработки и создания ВО ВЭУ 1. Разработка и оптимизация профиля лопасти включает патентный по иск, теоретические и экспериментальные исследования различных профилей ло пастей, анализ результатов и выбор наиболее эффективного профиля для кон кретной конструкции. При этом оптимизация профиля неразрывно связана с оп тимизацией ротора. Вычислению подлежит множество коэффициентов подъем ной силы Су и силы сопротивления Сх при различных углах атаки профиля к набегающему потоку. Критерий оптимальности профиля – обеспечение макси мума интегрированной кинетической энергии, передаваемой профилю потоком силовыми импульсами при отсутствии автоколебаний.

Основные методы расчета характеристик профиля:

1.1. Метод построения поляры профиля на основе данных измерений тензо метрических датчиков в аэродинамической трубе с соответствующими пересче тами и масштабированием (зависимость Су от Сх) является трудоемким, т.к.

требует большого количества экспериментов с продувкой профиля в аэродина мической трубе, определением коэффициентов для каждого угла атаки и постро ением поляры. Метод является точным, но дорогостоящим.

1.2. Метод численного моделирования (аналитический расчет) аэродинами ческой характеристики (АДХ) с учетом индуктивных скоростей основан на ин женерных методиках и широко используется разработчиками. Однако этот метод лишь частично учитывает вихреобразование и не является точным.

1.3. Метод определения АДХ с помощью моделирования профиля в среде набегающего потока (Ansys CFX, DesignSpace, ICEM CFD, Компас-3D V8 Plus и др.) с изменением угла атаки и последующим аналитическим определением ко эффициентов Сх и Су в расчетных программах является перспективным методом благодаря ускоренной компьютерной обработке данных. В нем всегда присут ствует ряд граничных условий и допущений (ламинарность потока, жесткость профиля, сочетание полного давления на входе и скорости или расхода на выхо де и т.д.). Представление результатов является наглядным в виде распределения поля давлений и вычисляемых аналитически графиков коэффициентов. Этот ме тод получил преобладание над остальными подходами в связи с возможностью программной оптимизации профиля. Расчет профиля лопасти ВЭУ производится в CFX программе и основан на конечно-объемном методе (МКО) решения урав нений гидродинамики (уравнение неразрывности, уравнение сохранения энергии и уравнение количества движения). Задача может ставиться в двухмерной и трехмерной постановке. При моделировании используется модель вязкого газа c осреднением турбулентных характеристик (осредненные по Рейнольдсу уравне ния Навье-Стокса несжимаемой жидкости):

, (1) ;

где xi,j, i,j=1,2 – декартовы координаты (x,y) частицы;

t – время;

vi – декартовы составляющие вектора средней скорости потока (v,u);

P – давление;

– плот ность;

u и ut – молекулярный и турбулентный коэффициенты кинематической вязкости. Параметры потока и свойства профиля задаются программно.

Расчетные значения переменных вычисляются для дискретных углов атаки с поворотом профиля к моделируемому набегающему потоку (рис. 2). Скорость потока задается в диапазоне V·Z м/с (где V – скорость ветра, Z – быстроходность – отношение линейной скорости профиля к скорости потока).

При оптимизационных расчетах шаг угла атаки (например в 1 0) задается в диапазоне = 00…3600. Для симметричных профилей можно принять = 00…1800.

а) б) Рис. 2. Профиль лопасти с наложенной сеткой (а) и обтекание в Ansys CFX (б) Итерации первого порядка позволяют рассчитывать давления, экспортиро вать данные и вычислять АДХ, итерации второго порядка изменяют угол атаки, итерации третьего порядка позволяют менять условные координаты профиля с целью оптимизации, которая производится с учетом граничных условий 0,5c/b0,1 и 0,5xc/b0,1 по критерию (2).

(2) Численные расчеты итераций первого порядка проводятся следующим об разом. Воздействие воздушной среды на движущееся в ней крыло приводит к появлению на его поверхности непрерывно распределенных сил от давления и касательных напряжений. С учетом этого любую аэродинамическую силу и мо мент можно представить в виде суммы двух составляющих, одна из которых за висит от распределения давления, а другая – от касательных напряжений. Для каждого угла атаки получаются численные значения: FR – продольная составля ющая аэродинамической силы (АДС), действующей на профиль, FN – нормаль ная составляющая АДС, действующей на профиль, M R – момент от продольной составляющей АДС относительно носка профиля;

M N – момент от нормальной составляющей АДС относительно носка профиля;

M – суммарный момент от АДС относительно носка профиля равный M M N M R. Кроме этого строятся диаграммы распределения коэффициента давления по поверхности профиля, описывающие характер обтекания. Аэродинамические коэффициенты продоль ной и нормальной сил, аэродинамического момента определяются по формулам:

F CR R ;

V q S M, q, mz. (3) FN q Sb CN.

q S где S – характерная площадь профиля (м2), q – скоростной напор (Па), – плотность потока (кг/м3).

По найденным аэродинамическим коэффициентам в связанной системе ко ординат определяются соответствующие коэффициенты в поточных координа тах по формулам:

C yp CNp cos CRp sin ;

(4) Cxр CNp sin CRp cos.

Составляющая Cxf коэффициента лобового сопротивления от трения опре деляется по формуле:

Cxf 2(Cxf )M 0, (5) где 2(Cxf ) M 0 – удвоенный коэффициент трения плоской пластины еди ничного размаха с шириной равной хорде профиля и с таким же как у профиля положением точки перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный.

(Cxf ) M 0 можно определить в зависимости от числа Рейнольдса;

– некоторый поправочный коэффициент учитывающий влияние на сопротивление относи тельной толщины профиля и положения точки перехода (для тонких профи лей с 0,02...0,12 1, при полностью турбулентном пограничном слое 1 2,77 ).

Критическое число Рейнольдса Reкр = 3·105.

1, (Cxf ) M 0,при Re Re кр Re (6) 0,,при Re Re кр (Cxf ) M 5 Re Коэффициенты аэродинамических сил и моментов:

Cx Cxp Cxf, C y C yp C yf, (7) mz mzp mzf.

где C xp, C yp, mzp – соответственно коэффициенты лобового сопротивле ния, подъемной силы и продольного момента;

C xf, C yf, mzf – аналогичные ко эффициенты сил и момента, вызванных трением.

По полученным значениям Cх, Cy и mz определяется суммарная аэродина мическая сила, качество профиля и коэффициент центра давления:

mz C, CF C x C y, xц.д.

K y, 2 (8) Cy Cx Моделирование в пакете Ansys можно заменить физическим экспериментом с измерением FR и FN с помощью итерационного обдувания дренированного профиля и регистрации отклонения динамометров и/или манометров, подклю ченных к дренажным отверстиям, воспринимающим давление. В этом случае за крепленный на стержне профиль может обдуваться стационарным потоком и под действием набегающего потока проворачиваться, воздействуя на динамометры и манометры. Их показания являются источником для вычисления указанных сил.

На основе оптимизации с применением ряда методов для разработки ротора был получен симметричный профиль ГРЦВ1832 с относительной толщиной c/b=0,18 (18%) и с xc/b=0,32 (32%). Согласно патенту №2347104 (2006 г.) хвосто вая кромка симметричного профиля скруглена для исключения срыва потока.

2. Разработка и оптимизация ротора ВО ВЭУ основана на последова тельности ряда методов и включает в себя патентный поиск, трехмерное компь ютерное моделирование компонентов ротора, функциональное математическое моделирование ротора, исследование взаимовлияния компонентов ВЭУ, оптими зацию параметров ротора на основе итерационного метода, разработку агрегатов аэродинамического регулирования и т.д. Критерии оптимальности – самостоя тельный старт ротора во всем диапазоне быстроходности, ограничение макси мальной частоты вращения, достижение максимального коэффициента мощно сти Ср (коэффициента использования энергии ветра, КИЭВ), снижение влияния концевых эффектов на лопастях, эргономика, техническая эстетика. Патентный поиск проведен в Российских и зарубежных базах данных согласно ГОСТ Р 15.011-96. На конструкцию ротора получен патент на изобретение № (2006 г.). Конструкция ротора выбрана двухъярусной 6-лопастной на основе па тентных исследований и опыта разработчиков. Второй ярус введен для улучше ния конструкции ротора и дополнительного увеличения мощности без наличия отдельной мачты с соответствующей экономией. Необходимо отметить, что в настоящее время автор ведет разработку новых перспективных для АПК много ярусных конструкций на основе патента №2443902 (приоритет от 27.05.2010).

Исследуемая ВЭУ представлена рядом основных модулей (рис. 3) и являет ся интегрированной системой превращения кинетической энергии набегающего потока ветра в электрическую энергию за счет непосредственной передачи мо мента вращения ротора на вал генератора (мультипликатор отсутствует).

Ротор ВЭУ с лопастями Генератор Аэродинамический регулятор Ступица Мачта Рис. 3. Конструкция ветроэнергетической установки ВЭУ-3 (3 кВт) Мощность 3 кВт взята для исследований не случайно. Во-первых, такая ВЭУ будет вырабатывать 200-500 кВт-ч в месяц в условиях АПК средней поло сы РФ, что достаточно для энергообеспечения небольшой семьи из 3 человек и/или небольшой фермы. Во вторых, это минимально возможная мощность эф фективного ротора Н-Дарье в условиях континентального климата, поскольку конструкция с меньшими габаритами будет малоэффективной, т.к. будет рабо тать в докритических числах Рейнольдса. Анализ литературы показывает, что при коэффициенте быстроходности Z 2 срыв потока с лопастей ротора Дарье проявляется при вращении на большей части окружной траектории лопасти.

Увеличение быстроходности снижает эффект срыва потока, однако повышает порог скорости ветра для самостоятельного старта. Тогда с учетом графика иде ального Дарье граничные условия для Z: 6Z2. В зонах умеренных ветров ВЭУ должна начинать работу максимум с 4 м/с. Ротор получает 100% энергии с пе риметра. Расчет производится для радиуса R, который вычисляется из соотно шения 1,5·R L 5b, где L – длина лопасти. Такие данные взяты из соображе ний прочности компонентов и минимизации влияния индуктивного сопротивле ния. Оптимальная быстроходность исследуемого ветроколеса при наибольшем коэффициенте мощности Cр согласно изученной литературе составляет Z=4·/m2, где m – количество лопастей (6 в исследуемом варианте). При скоро сти ветра 4 м/с окружная скорость лопастей v=8 м/с. Ветер взаимодействует с лопастями с окружной скоростью. Для устойчивой работы ВЭУ необходимо число Рейнольдса Re250000 (гарантированный устойчивый режим, Reкр крити ческое составляет 200000). Тогда хорда лопасти должна быть b=Re/(68500·v)=0,45 м. Длина лопасти L должна удовлетворять условию L/b во избежание срыва потока (влияния концевых эффектов). Тогда минимальная величина L=2,25 м. Минимальный радиус R получается 1,5 м. Тогда соотноше ние хорды b к диаметру D составит 15%, что совпадает с соотношениями ГО ВЭУ (5–15% по среднему диаметру лопасти). Основные параметры ВЭУ:

D = 3,0 м – диаметр ротора;

2Lлоп = H = 4,5 м – высота ротора;

S = DH = 13,5 м2 – ометаемая площадь ветроколеса;

b = 0,45 м – длина хорды симметрич ного профиля лопасти;

m = 6 – количество вертикальных лопастей, 2 яруса. Со гласно исследованиям Лаборатории Sandia (США) оптимальный установочный угол лопасти для условия Ср=max находится в пределах 2…40. Данный параметр используется только при математическом моделировании, на практике же точ ность этого параметра составляет 1-20.

На основе параметров ротора создан и испытан ряд физических моделей ро тора 1:100. Все модели показали удовлетворительные результаты в части само стоятельного старта, низкого шума и отсутствия дисбаланса.

Основные методы расчета аэродинамических характеристик ротора:

2.1. Инженерные, эмпирические методики (импульсные и вихревые моде ли). Инженерные методики основаны на простейших газодинамических соотно шениях типа уравнения Бернулли и на экспериментальных данных. Импульсные модели обеспечивают удовлетворительное предсказание установившейся осред ненной мощности турбины, а вихревые модели считаются более точными при расчете нестационарных нагрузок, действующих на лопасти. Однако эмпириче ские методики, как правило, ограничены кругом экспериментальных данных, на которых они основаны, поэтому являются не всегда точными.

2.2. Метод на основе моделирования невязкого газа (метод дискретных вих рей, уравнения потенциала и Эйлера). Уравнения позволяют получать распреде ление давления по несущим поверхностям, создавая конструкции соответству ющих ветроагрегатов. Основное преимущество подходов – низкая себестои мость расчетов, доступность для инженерной практики. Недостатком является отсутствие учета влияния вязких эффектов и недостаточно точный расчет вихре вых структур и нестационарных эффектов.

Два первых метода являются сегодня основой проектирования аэродинами ческих конструкций в ветроэнергетике.

2.3. Метод на основе моделирования вязкого газа с осреднением турбулент ных характеристик (осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье–Стокса (1), замыкаемые алгебраическими или дифференциальными моделями турбулентно сти. Расчеты на основе этого метода сегодня широко внедряются в промышлен ную практику. В то же время в научном мире сложилось мнение о том, что про ектные работы необходимо проводить именно на таком уровне математического моделирования газодинамических течений, поэтому этот метод и был положен в основу проведенных исследований. В вычислениях может использоваться про граммное обеспечение Ansys CFX, DesignSpace, ICEM CFD, Компас-3D V8 Plus и другие пакеты программ газо- и гидродинамических расчетов.

С учетом принятых габаритных соотношений длина лопастей многократно превышает хорду, поэтому можно пренебречь концевыми эффектами, восполь зовавшись гипотезой о плоскопараллельной структуре течений. Тогда задача об текания ротора допускает двумерную постановку в плоскости, перпендикуляр ной оси вращения ротора, что значительно облегчает расчеты.

В результате вычислений получена главная Ср характеристика ротора – зависимость Ср от быстроходности Z (рис. 4), где Ср – коэффи циент мощности или коэффициент исполь зования энергии ветра. Малые модули Z по сравнению с идеальным Дарье (до 6 моду лей) при высоком Ср являются большим Z преимуществом, поскольку нагрузки на ро тор, подшипники и другие его компоненты снижены, уровень вибраций и шума низкий, Рис. 4. График Cp от Z что положительно сказывается на характери стиках ВЭУ при эксплуатации на объектах АПК. В расчетах также могут учиты ваться нестационарные явления (динамический срыв потока, образование слож ной системы вихрей, повышение уровня турбулентности в затененной области, взаимодействие вихрей различных размеров, скоростей движения и интенсивно сти с твердыми поверхностями ротора ВО ВЭУ). При этом различие данных не превышает 5%.

2.4. Метод на основе моделирования вязкого газа с учетом нестационарных турбулентных характеристик является исследовательским уровнем в вычисли тельной гидродинамике и учитывает поведение крупных вихрей в пограничном слое. Он является дорогостоящим даже для индустриально развитых стран, и его внедрение в промышленность прогнозируется на вторую половину XXI века.

На основе вычисленных параметров ротора и для проверки компоновки и сопряжения модулей и узлов создана конструкторская документация (КД) в SolidWorks и AutoCAD, разработанная в соответствии с ЕСКД, проведены пове рочные статические и динамические расчеты конструкции с учетом внешних возмущающих воздействий, взаимовлияния компонентов друг на друга и на окружающую среду с использованием возможностей программного пакета SolidWorks. Также может быть использован Compas, Pro-E и т.д.

С учетом эволюционирующей КД после оптимизации параметров созданы гибкие кластерные (модульные) математические функциональные модели ком понентов ВЭУ с использованием пакетов VisSim, MatLab.

Поэтапная оптимизация кон струкций механических ком понентов ВЭУ на основе мето да итераций (повторяемых по этапных прогонов) двух по следовательных математиче ских моделей, трехмерной и функциональной, является ме нее затратным способом улучшения изделия по сравне нию с экспериментом. Процесс оптимизации параметров кон струкции ротора распадается на ряд задач, заключающихся в последовательном исследова нии свойств его компонентов Рис. 5. Итерационная оптимизация парамет (рис. 5). Критериями оптими ров компонентов ВЭУ зации являются минимальная масса компонентов и минимальная стоимость используемых материалов с со хранением прочности.

Разработка и анализ конструкции компонентов ротора проводятся с учетом требований по безопасности и устойчивости к внешним воздействиям с рядом ограничений (устойчивость давления потока, однородность материалов и т.д.).

Характеристики внешних воздействий на конструкцию ВЭУ определяются с учетом технических условий безопасности ветроустановок (Международный стандарт IEC 61400, Требования Ллойда, стандарты РФ) для рабочей скорости ветра 45 м/с при усредненных континентальных условиях окружающей среды.

Моделирование потока ветра проводится в VisSim, MatLab и других пакетах.

На основе кластерной математической функ циональной модели, построенной в визу альном симуляторе функций, проводится системный анализ воз действия возмущаю щих аэродинамиче ских и центробежных сил и моментов на конструкцию ротора ВЭУ, выявляются воз можные резонансы, определяются числен ные значения вибропе ремещений и воздей ствия на фундамент, затем проводится оп тимизация конструк ции за счет регулиро вания жесткости и формы компонентов, при необходимости с повторением преды дущих этапов итераций (рис. 1 и 6) с Рис. 6. Кластерная структура целью смещения резо математической модели ВО ВЭУ нансных явлений в безопасные частоты. Кластеры математической модели являются универсальны ми легко заменяемыми модулями, состоящими из блоков. Основными фактора ми, вызывающими вибрации ВЭУ, передающиеся на фундамент, являются аэро динамические силы и моменты, действующие на ротор, а также периодические инерционные силы и моменты. В модели формульные зависимости представля ются в виде структурных схем.

Моделирование силового воздействия ВЭУ на фундамент проведено на раз личных частотах вращения ротора при имитации воздействии ветра от 4 до м/с. В процессе моделирования предполагалось, что ротор ВЭУ на выбеге про ходит все возможные частоты вращения под аэродинамической нагрузкой.

Поведение ротора определяется системой дифференциальных уравнений сил и моментов с учетом силового воздействия, перемещения, трения, упруго сти:

(9) где M, R, K, J, D, B – матрицы коэффициентов и F, М – сил, моментов.

Ввод данных в программу осуществляется поблочно, с включением обрат ных связей и выводом графиков. Пульсационная составляющая скорости ветра считается случайным квазистационарным процессом. Горизонтальные и верти кальные силы, действующие на фундамент мачты, можно оценить по формулам:

Fy Ф = Fy Гор C1 + MxC2;

Fx Ф = Fx Гор C1 + My C2;

FZФ = Fz, (10) Гор Гор где Fx гор, Fy гор – составляющие горизонтальных сил, действующих на вер шину мачты со стороны ротора, Fz – сумма вертикальных сил, действующих на вершину мачты со стороны растяжек, Mx, My – составляющие аэродинамическо го изгибающего момента, действующего на мачту со стороны ротора ветроколе са. Для принятых исходных данных по конструкции ВЭУ величины вычислен ных коэффициентов С1 и С2 составляют: С1 = 0,1;

С2 = 0,12.

Определение виброперемещений компонентов ротора и мачты наглядно де монстрируется графиками колебательных процессов, рис. 7. На основании ис следований функциональной модели ВЭУ получены зависимости колебаний сил и моментов, частотные спектры и величина виброперемещений компонентов.

Анализ спектра силовых воздействий проведен способом разложения действу ющих негармонических колебаний сил, моментов и виброперемещений в ряд Фурье с получением соответствующих спектров частот. На основании спек трального анализа сделаны выводы, на каких частотах вращения ротора ВЭУ ожидается резонанс, получена его амплитуда и преобладающие частоты, состав лены таблицы резонансов.

Lмнв, м–3 Lмвв, м– Т, с Т, с а) б) Рис. 7. Вертикальное смещение (мм) Lмнв нижней (а) и Lмвв верхней (б) точек мачты в местах крепления к фундаменту и ступице в зависимости от времени (с) В процессе исследования модели и итерационной оптимизации компонен тов ротора ВЭУ путем изменением их свойств, с дальнейшей корректировкой конструкторской документации, создана таблица ожидаемых резонансов (табл.

1). Из анализа полученных данных следует, что резонанс колебаний элементов ВЭУ может вызываться как дисбалансом массы ротора, так и действием пере менных аэродинамических сил. Резонансная частота может быть изменена за счет вариаций жесткости компонентов, то есть изменения частот собственных колебаний. Исследование таблицы показывает, что основные резонансы могут возникнуть на частотах 1 и 21 Гц. Частоту 1 Гц (60 об/мин) ротор проходит за считанные секунды, поэтому ее в целом можно считать несущественной.

Частота 21 Гц проявляется в форме гармоник малой амплитуды и в целом не оказывает влияния на работу ВЭУ. Эксперименты и опыт эксплуатации ВЭУ подтверждают эти положения. Однако если ВЭУ установлена на инженерном сооружении (здании, мостовой конструкции и т.п.), резонанс на частоте соб ственных колебаний данного сооружения может привести к нежелательным по следствиям. В связи с этим решение проблемы может быть осуществлено с по мощью ряда методов (особого регулирования мощности и частоты вращения ВЭУ, применения виброгасителей, проведения расчетов и изменения формы и/или материала мачты).

Таблица Ожидаемые резонансы ВЭУ в диапазоне частот вращения 0–180 об/мин Основными методами ограничения максимальной частоты вращения вертикально-осевого ротора являются:

- Применение балластной нагрузки. По достижении частоты вращения с максимально допустимой мощностью генератора его обмотки замыкаются на балластное сопротивление, в результате чего происходит торможение ротора.

Далее происходит регулирование по заданному алгоритму. Очевидно, что этот метод не эффективен, т.к. ротор по сути дела стопорится на определенной скоро сти ветра. Из практики известно, что эта скорость обычно составляет 21-25 м/с.

- Электромеханическое торможение. По достижении расчетной частоты вращения система управления подтормаживает ротор с помощью механического тормоза, интегрированного в ступицу. Однако на скорости ветра свыше 30 м/с механический тормоз не является эффективным и ротор приходится стопорить.

- Аэродинамическое торможение. Существуют различные подходы к сни жению частоты вращения ротора (поворот и/или наклон лопастей (ротор Масгроува), активация закрылков механизированного крыла (закрылки Горело ва), выпуск стабилизаторов (ЦАГИ), поворот инерционных обтекателей на тра версах (пат. №2347104) и т.д.). Суть данных методов сводится к ухудшению аэродинамических свойств ротора по достижении определенной частоты враще ния за счет изменения положения узлов или модулей ротора в результате дей ствия центробежных сил. Главное преимущество данного метода перед осталь ными заключается в том, что стопорение ротора не требуется до буревых скоро стей (60 м/с), а с учетом стабилизации частоты вращения во всем диапазоне ско ростей ветра это приводит к минимизации массо-габаритных характеристик ге нератора и упрощению электронного регулятора.

Варианты торможения лопастями и обтекателями, как свидетельствует практика, являются дорогостоящими и не надежными. В исследуемой конструк ции стабилизацию частоты вращения обеспечивают инерционные выдвижные пластины (патент №112954 от 2011 г.). Многочисленные испытания показали, что пластинчатые регуляторы почти в 2 раза эффективнее, в 5 раз дешевле, чем аэродинамические регуляторы, заключенные в обтекатели аэродинамического профиля, находящиеся на траверсах и в 10 раз дешевле лопастного регулирова ния.

3. Разработка генератора включает в себя методы и стадии традиционного проектирования электромашины с проведением оптимизационных расчетов.

Выбор типа электромашины остается всегда за разработчиком и произво дится с точки зрения эффективности, эргономики, технической эстетики.

Индукторы на постоянных магнитах Якорная обмотка Рис. 8. Генератор с осевым (аксиальным) зазором В исследуемой ВЭУ генератор представляет собой вентильную электриче скую машину переменного тока на постоянных магнитах с осевым (аксиальным) зазором с индуктором на постоянных магнитах и якорной обмоткой (рис. 8).

Критериями оптимальности при разработке генератора являются минимальная масса активных частей, минимальный объем активных частей, минимальная масса постоянного магнита, минимальная масса обмотки, минимальная суммар ная стоимость постоянных магнитов и обмотки. Прикладная программа опти мального проектирования, реализованная на языке программирования Delphi, положена в основу пакета программ оптимального проектирования генераторов исследуемых ВО ВЭУ. Постоянными (константами) в программе являются вы ходная мощность, выходное напряжение, частота вращения и т.д. Математиче ская модель имеет ряд ограничений. Оптимизация осуществляется перебором вариантов по методу Фибоначчи в сочетании с методикой координатного спуска, т.е. оптимальным делением интервалов значений независимых переменных с по следующим анализом по критериям оптимальности. После получения оптималь ных значений производится поверочный расчет магнитного поля и потока в An sys EMAG, а затем вычисляются параметры генератора (C++, Delphi, MatLab, MathCAD, MS Excel).

Метод разработки качественного генератора в общем случае разбивается на две взаимосвязанные задачи: анализ – разработка методики поверочного расчета, при которой полностью известна геометрия и необходимо определить рабочие характеристики;

синтез – разработка методики оптимального проектирования, при которой для определенных техническим заданием параметров необходимо рассчитать геометрические параметры. Несмотря на различные конструктивные исполнения, для анализа и синтеза этого типа генератора можно применить еди ный подход. Для расчета электромагнитной мощности активная часть генератора представляется в виде диска с равномерным токовым слоем, который пронизы вается магнитными силовыми линиями. Элементарный участок этого диска со здает электромагнитный момент:

dM = BiAiRidRd, · (11) где dM – элементарный электромагнитный момент;

Bi – магнитная индукция элементарного участка;

Ai – линейная токовая нагрузка элементарного участка;

Ri – радиус удаления элементарного участка от оси вращения;

– угол поворота.

Средний электромагнитный момент будет представлять собой поверхност ный интеграл по площади активного кольца:

Dn Dv Dn Dv 0,5 Dn Msr d Dv Bi· Ai· Ri·dR 0,5· · 2 · · Bsr ·Asr, (12) 0 0, где Bi – средний электромагнитный момент;

Dn – наружный диаметр ак тивной части;

Dv – внутренний диаметр активной части;

Bsr – среднее значение индукции в воздушном зазоре;

Asr – среднее значение линейной токовой нагруз ки (определяется, как количество ампер–витков на единицу длины на среднем диаметре активной части генератора);

dR – радиус удаления элементарного участка от оси вращения.

Электромагнитная мощность определяется умножением (25) на угловую ча стоту вращения машины Dn Dv Dn Dv n, Pel (13) Bsr Asr 2 2 где n – угловая частота вращения ротора, измеренная в об/мин.

Полученное уравнение представляет собой аналог классического уравнения Арнольда для электромашин цилиндрического типа с радиальным воздушным зазором. Средний диаметр генератора эквивалентен диаметру расточки якоря, а толщина кольца активной длине радиальной машины. Из уравнения Арнольда видно, что точность расчета при анализе зависит от точности определения сред ней линейной нагрузки и средней индукции. Определение средней линейной нагрузки связано с расчетом активного и индуктивного сопротивления фазы.

Расчет активного сопротивления, как правило, не представляет сложности. Для расчета индуктивного сопротивления, а также для определения средней индук ции необходим качественный расчет магнитного поля. Результаты расчетов при ведены на рис. 9 и в табл. 2 – 3.

а) б) Рис. 9. Графики зависимостей выходной мощности P2(I) и электрических потерь в фазах Pel(I) от тока I (а) и график выходного напряжения U(I) от тока I (б) Таблица Габаритная оптимизация (оптимизация по всем размерам) На- Внут- Осе- Число Высо- Тол- Толщ. Число Число Диа- Воз- Соп- Масса Мас руж- рен- вая маг- та щи- меди витков витков метр душ- роти- ге- са ный диа- ний диа- дли- ни- маг- на (мм) в в сек- про- ный вле- не- маг метр метр на тов ни- дис- фазе ции вода зазор ние ра- ни диска диска (мм) на тов ка (мм) (мм) фазы то- тов (мм) (мм) диске (мм) (мм) (Ом ра (кг) (кг) 440 250 47 36 10 6,0 10 338 18 1,5 1,0 0,97 22 17, Таблица Номинальная точка:

Номинальный ток (А) 16, Номинальное напряжение (В) Номинальная мощность (Вт) Номинальная частота вращения (об/мин) КПД в номинальной точке 0, Плотность тока(А/мм2) 8, Использование данного метода в разработке генератора является перспек тивным для ВО ВЭУ в связи с введением аэродинамического регулирования.

4. Разработка электронного регулятора мощности ветроэнергетической установки имеет следующие особенности: поддержание максимального Ср регу лированием мощности ВЭУ в диапазоне частот вращения ротора от 40 до об/мин с;

ограничение частоты вращения ротора на 160 об/мин за счет аэроди намических регуляторов;

отсутствие балластной нагрузки.

Регулятор может быть построен на основе современных электронных ком понентов: повышающего импульсного преобразователя;

понижающего импульс ного преобразователя. Задачей разработки и оптимизации является снижение по терь при преобразовании и максимально полное использование энергии ветра.

Для получения максимума мощности при регулировании требуется придержи ваться оптимальной быстроходности Z (рис. 4), которая и выступает в качестве исходных данных при разработке алгоритма электронного преобразователя энергии. Критерием оптимальности при разработке алгоритма работы регулято ра является максимум выходной мощности на основе регулирования параметров выхода с отслеживанием располагаемой мощности ротора. Регулирование элек трической мощности ВЭУ осуществляется с помощью выбора оптимальных ра бочих режимов на основе метода, состоящего из следующих параллельно вы полняемых действий: измерение внешних параметров (располагаемой мощности, мощности нагрузки, ток заряда аккумуляторной батареи, частота тока и напря жение в фазе генератора и др.);

определение выхода параметров за пределы без опасных режимов и отключение генератора с переводом преобразователя в ре жим защиты;

обеспечение заряда аккумулятора в режиме постоянного напряже ния с ограничением тока заряда при условии наличия достаточной генерируемой мощности с предотвращением перезаряда и переразряда аккумулятора.

Схема регулятора исследуемой ВЭУ построена на основе программируемо го микроконтроллера. Для настройки, диагностики и программирования регуля тор имеет интерфейс RS-232. Регулятор построен по схеме понижающего им пульсного преобразователя, с несколькими контурами обратной связи.

Алгоритм регулирования мощности, отбираемой от генератора ветроэнерге тической установки включает следующие повторяющиеся подитерации: 1. Из мерение напряжения и тока в цепи нагрузки, расчет мгновенной потребляемой мощности. 2. Измерение частоты тока в фазе генератора и расчет частоты вра щения ротора ветроколеса. 3. Определение мощности ротора на основе сравне ния частоты вращения ротора с таблицей мощностей ротора. 4. Определение максимально допустимой мощности зарядки аккумуляторной батареи с исполь зованием максимально допустимого тока зарядки батареи и напряжения на ней.

5. Расчет суммарной требуемой мощности для данного момента времени. 6.

Сравнение допустимой и требуемой мощно стей, определение ми нимальной из них с ре гулированием выход ной мощности на ос нове ШИМ модуляции. 7. С по мощью цифровых по тенциометров в цепях обратных связей регу лятора задание дей ствующей располагае мой мощности на ос нове предыдущих рас Рис. 10. Схема регулятора ВЭУ четов.

Общая схема регулятора представлена на рис. 10. Применение данного ме тода регулирования мощности ВЭУ позволяет значительно повысить уровень удельной выработки энергии ВО ВЭУ в связи с поддержанием максимального Ср во всем диапазоне скоростей ветра до 45 м/с.

В Главе 3 «Методологические основы создания ВО ВЭУ и проведение испытаний» даны описания технологических процессов изготовления лопастей и генератора, приведена методика вибробалансировки ротора. Все технологиче ские процессы разработаны для внедрения в условиях сельскохозяйственной от расли РФ. В главе также описаны результаты экспериментальной эксплуатации исследуемых ВЭУ, подтверждающие теоретические расчеты, приведены данные исследований шума и вибраций ВЭУ, установленных в фермерских хозяйствах.

С целью повышения надежности и увеличения срока службы лопастей ВЭУ разработан технологический процесс производства изделий на основе композит ных материалов. Цель разработки – получение новых недорогих конструкцион ных материалов, облегчение важнейших узлов ВЭУ, повышение эксплуатацион ных свойств изделия в условиях воздействия больших температурных амплитуд и высоких механических нагрузок. Основными задачами

технологического про цесса являются получение заготовок и изделий с использованием объемных ма териалов, монофазное упрочнение поверхностного слоя, структурирование функционального покрытия, сверхпластичная формовка и диффузия. Одна из ключевых задач – получение ультрамелкозернистой структуры с минимумом шероховатости. Изготовление лопасти происходит в оснастке особым способом намотки стеклоткани на распределенную заготовку за одну формовку, с исполь зованием ряда ноу-хау. Изделие монолитно, готово к сборке в составе ВЭУ и включает в себя лопасть, основание лопасти (крепление к несущему кольцу) и крепление к связующему кольцу или стяжкам. Установочный угол выставляется в оснастке (рис. 11а). Технологический процесс может быть успешно реализован в условиях АПК при обучении неквалифицированного персонала в cрок 14 дней.

Прочностные характеристики материала ГРЦВ-ПЭ-300 в среднем на 25% лучше традиционных стеклопластиков. Изделия имеют шестикратный запас по прочности в составе ВЭУ, причем вес и себестоимость снижены в 2 раза, а изде лие не содержит металлических частей, т.е. не экранирует радиоволны.

(а) (б) Рис. 11. Оснастка для изготовления лопасти (а) и обмотка генератора (б) Технологический процесс изготовления генератора разработан в части мо нолитного отверждения якорной обмотки (рис. 11б) и снижения общих вибраций генератора. Процесс заливки использует центрифугу с установленной внутри обмоткой в технологическом кожухе, из центра которого при вращении под дей ствием центробежных сил материал заливки растекается и заполняет простран ство внутри кожуха, включая обмотку. Материал заливки изготавливается на ос нове цементирующего материала или полиэфирных смол. Технологический про цесс можно легко адаптировать к действующим производственным предприяти ям АПК на основе разработанной оснастки и оборудования.

Методика вибробалансировки ротора разработана для снижения общих вибраций системы «ротор–мачта» и представляет собой трехступенчатую после довательность. На первом этапе балансировки проводится приведение лопастей к одинаковым распределениям массы на предмет формирования комплектов. За тем проводится статическая балансировка с контрольным взвешиванием. На втором этапе проводится цеховая сборка ротора на стенде с достижением пер пендикулярности установки лопастей плоскости среднего кольца. На третьем этапе производится подключение генератора ВЭУ к источнику питания, и гене ратор запускается в режиме двигателя (вторым вариантом может быть использо вание привода для вращения ротора). Дисбаланс ротора регистрируется с помо щью модифицированного виброанализатора К-4102М, изготовленного по техни ческому заданию автора, после чего проводится векторный расчет уравновеши вающих грузов и последующая динамическая весовая балансировка. Полный цикл включает в себя балансировку в плоскостях среднего, верхнего и нижнего колец или стяжек. Методика является уникальной, не имеет аналогов в мире и рассчитана на снижение вибрационных колебаний, являющихся раздражителем для человека и животных. Многочисленные полевые испытания в крестьянско фермерских хозяйствах АПК в 2008-2012 гг. показали, что животные и птицы не замечают присутствия работающей ВО ВЭУ, в отличие от горизонтально-осевых установок (ГО ВЭУ), генерирующих широкий спектр вибрационных и инфра звуковых колебаний. Высокочастотные вибрации генератора снижаются за счет виброгасителей, расположенных между якорной обмоткой и валом, между флан цами мачты и дополнительных традиционных и разработанных устройств – демпферов растяжек и мачты.

Рис. 12. Семейство вертикально-осевых ВЭУ По результатам проведенных исследований семейство малых вертикально осевых ветроэнергетических и ветро-солнечных установок мощностью 0,1 – кВт внедрено в системы энергоснабжения ряда автономных потребителей элек троэнергии в структуре агропромышленного комплекса России (рис. 12). В об щей сложности полевые испытания прошло 9 различных модификаций ВЭУ. Все установки продемонстрировали Ср (КИЭВ) 0,36…0,43. В 2009-2011 гг. ряд рото ров ВЭУ подвергнут длительным полевым испытаниям на полигонах предприя тия ООО «ГРЦ-Вертикаль» в Челябинской области. Результаты испытаний всех роторов различаются не более, чем на 15%. Данные выходной мощности ВЭУ 3(6), №03-09-008, полученные с помощью записи на флэш-карту на оконечном выходе электронного регулятора, приведены на рис. 13а в виде эксперименталь ного графика мощности с пересчетом и приведением к аэродинамической мощ ности с учетом коэффициента мощности Ср, КПД генератора и регулятора. Гра фик зависимости коэффициента мощности (коэффициента использования энер гии ветра) Ср от быстроходности Z приведен на рис. 13б.

Экспериментальные измерения проведены на скорости ветра от 3 до 16 м/с.

До 3 м/с выработка энергии минимальна и не представляет интерес. На скорости ветра 10-11 м/с активируются аэродинамические регуляторы (описаны ниже) и частота вращения стабилизируется на 160 об/мин во всем диапазоне ветров, в ре зультате чего график мощности на рис. 13а со скорости ветра 10-11 м/с приобре тает пологость и Ср получается условным.

Р, Вт Ср Z (TSR) V, м/с Рис. 13. Экспериментальные графики выходной мощности Р от скорости ветра v (а) и коэффициента мощности Ср от быстроходности Z(б) Мощность ВЭУ нормируется на 11 м/с и составляет 3 кВт с учетом потерь на преобразование. Анализ данных говорит о том, что реальный Ср варьируется в диапазоне 0,18…0,43. Этот факт объясняется особенностью регулирования. На малых скоростях ветра до 5 м/с низкий Ср обусловлен наличием неучтенных при расчетах потерь (трение, аэродинамические потери в местах болтовых соедине ний, погрешности сборки, люфт и т.д.). На средних скоростях ветра 5-9 м/с Ср максимален, т.к. потери минимальны и отсутствует аэродинамическое регулиро вание. С ростом частоты вращения растет индуктивное сопротивление и Ср снижается. На скорости ветра выше 10 м/с Ср не предсказуем, так как выходная мощность искусственно снижается за счет аэродинамического регулирования, и Ср может приобретать очень низкие значения.

Замеры шума и вибраций нескольких образцов ВЭУ-3(6) (3 кВт, 6 лопа стей), проведенные в России на расстоянии 10 м от мачты ВЭУ при скоростях ветра 6–12 м/с, во всех случаях показали, что уровень шума окружающего фона выше, чем шум работающей под нагрузкой ВЭУ. Инфразвук и ультразвук отсут ствуют. Имеются акты соответствующих организаций.

Измерение вибраций проведено на нескольких ВЭУ по разработанной мето дике. Результат показывает, что данные несколько различаются, однако в целом удовлетворяют нормам. Пример измерений ВЭУ на скорости ветра 8 м/с при нагрузке 1 кВт (прожектор) приведен на рис. 14. Частота вращения 124 об/мин (или 2,06 Гц). Дат чик-акселерометр установлен на нижний сегмент мачты.

В спектре присут ствуют резонанс ные частоты 2;

6;

12;

21;

110 Гц.

Гармоника с ча стотой 2 Гц харак теризует дисба ланс непосред ственно ротора, т.е. частоту вра щения ротора;

ча стота 6 Гц – часто Рис. 14. Результаты измерений вибраций ты колебаний трех лопастей каждого яруса ВЭУ;

12 Гц – воздействия аэродинамических сил пооче редно на 6 лопастей, 21 Гц – частота, близкая к собственной частоте колебаний подшипникового узла. Частота 110 Гц объясняется наличием вибраций генера тора. Генератор имеет 36 магнитов на верхнем и столько же на нижнем основа нии (табл. 3), т.е. количество пар магнитных полюсов p=18, с учетом наличия трехфазной обмотки, т.е. m=3, частота пульсаций момента генератора Nген будет больше частоты вращения ротора Nрот (Гц) в (pm = 183 = 54) раза. Тогда Nген = Nрот 54 = 2,06 54 = 111 Гц. Это значение близко к частоте 110 Гц и говорит о присутствии данной гармоники в связи с наличием нагруженного генератора.

Дальнейшее увеличение скорости ветра не влияет на рост вибраций при отсут ствии дисбаланса более 0,1 кг.

Шум в данном эксперименте не измерялся. На расстоянии 1 метра от осно вания мачты шум фона перекрывал шум работающей ВЭУ.

Сравнение максимальных значений амплитуды виброскорости (0,25 мм/с или 0,02510–2 м/с на частоте 6 Гц, а также 0,01910–2 м/с на частоте 3 Гц) с табл.

11 ГОСТ 12.1.012-90 («Вибрационная безопасность» Санитарные нормы спек тральных показателей вибрационной нагрузки на оператора. Общая вибрация, категория 3, тип "в") дает следующий результат (табл. 4):

Таблица Нормативные значения виброскорости по ГОСТ 12.1.012-90 и эксперимент Табличные данные ГОСТ 12.1.012–90 Экспериментальные данные Среднегеометрические Виброскорость, м/с, Частота, Гц Виброскорость, частоты полос, Гц в 1/1 окт. м/с, в 1/1 окт.

0,06310–2 0,01910– 3,15 3, 0,03210–2 0,02510– 6,3 6, Из таблицы 4 следует, что ВЭУ можно размещать в непосредственной бли зости к производственным зданиям, или даже на них. Аналогичное сравнение экспериментальных данных с СН 2.2.4/2.1.8.566-96 («Производственная вибра ция, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий», таблица 9 «Допу стимые значения вибрации в жилых помещениях, палатах больниц, санаториев») позволяет размещать ВЭУ рядом с жилыми зданиями и непосредственно на них.

В Главе 4 «Технико-экономическая и социальная оценка внедрения ВЭУ в аграрную отрасль» описаны экономически выгодные варианты внедре ния ВЭУ в фермерских хозяйствах АПК, даются расчеты окупаемости ВЭУ, описывается потенциальный рынок малых ветроэнергетических установок, при водятся рыночные прогнозы, экологические и социальные перспективы внедре ния ВЭУ до 30 кВт в АПК России.

Согласно современным требованиям проведения НИОКР в части коммерци ализации вопрос внедрения результатов исследований является в Российской Федерации одним из стратегических. В соответствии с этим проведение анализа рынка разрабатываемых и создаваемых изделий является побуждающей эконо мической причиной для создания методологии разработки ветроэнергетических установок на основе научных методов и подходов.

а) б) в) Рис. 15. ВЭУ-3 в КФХ Челябинской обл. (а), ВЭУ-3 в Архангельской обл.

(б), ВЭУ-3 в Ямало-Ненецком Автономном Округе (в) В работе дана технико-экономическая оценка использования ВЭУ мощно стью 3 кВт для энергопитания объектов сельского хозяйства (рис. 15), рассмот рено совместное применение электроприборов, благодаря чему эффективность системы «ВЭУ-прибор» возрастает на несколько порядков.

Эффективность использования ВЭУ в качестве источника энергоснабжения может быть представлена на примере расчетов самоокупаемости по сравнению с текущей стоимости электроэнергии в конкретном регионе, исходя из стоимости киловатт-часа и срока эксплуатации ВЭУ. При стоимости ВЭУ 280 тыс. руб. с учетом обслуживания, сроке эксплуатации 20 лет на средней скорости ветра 4, м/с (что меньше, если вести расчет по повторяемости или распределению Вей булла и Рейлея) и выработке 250 кВт-ч/мес. стоимость электроэнергии получает ся 4,6 руб/кВт-ч. С учетом 50%-ого субсидирования, которое осуществляется Министерствами экономического развития регионов эта цифра снижается вдвое.

Однако, например, с использованием аэраторов в заморных водоемах при разве дении практически любых пород рыб целесообразность применения ветроуста новок еще более возрастает. При капиталовложениях на ВЭУ 280 тыс.руб. срок окупаемости составляет менее 2 месяцев (стоимость закупа мальков (например, форели) 400 тыс.руб. для водоема 25 Га, выход зрелой рыбы через 1 год свыше млн. руб.). В этом случае стоимость электроэнергии автономной ВЭУ трудно поддается комплексной оценке, поскольку эффективность использования явля ется рекордной и зависит от комбинаций электроприборов. Ко всему прочему, при внедрении автономной ВЭУ в крестьянских фермерских хозяйствах уровень быта населения также возрастает, а рост социальных условий и повышение ком форта в целом не поддается аналитической оценке. При этом энергопотребление возрастает незначительно при использовании энергосберегающего оборудования (светодиодных светильников, инфракрасных пленочных электронагревателях, теплоаккумуляторов и т.д.). Практика эксплуатации ВЭУ-3 в течение 4 лет в КФХ Челябинской области в комбинации с рядом энергосберегающего оборудо вания и электроприборов доказывает правильность выбора направления иссле дований и экономическую целесообразность внедрения ВЭУ в сельскохозяй ственной отрасли.

Расчет потенциального рынка малых ветроэнергетических установок произ веден исходя из анализа ряда положений, обосновывающих рост износа генери рующих мощностей и необходимости внедрения малой энергетики на основе возобновляемых источников энергии с максимальным приближением электриче ских и тепловых генераторов к местам потребления. Исходя их этих положений потенциальный рынок для малой ветроэнергетики со стоимостью оборудования 60 руб. за Вт номинальной мощности ВЭУ прогнозируется следующим образом:

1. Экономически выгодная замена малых дизельных станций агропромышленно го комплекса Северных регионов на ВЭУ, по меньшей мере в размере 50%, со здаст рынок в объеме 250 тыс. кВт, что эквивалентно нескольким сотням тысяч малых ВЭУ или ориентировочно 250 млрд. руб. 2. При условии планируемой Правительством РФ до 2020 г. замены хотя бы 1% традиционных источников энергии на ветроэнергетику, объем установленной мощности ветроэнергетиче ских установок может составить 2,17 млн. кВт. Из них, по опыту внедрения раз витых стран, малые ВЭУ до 30 кВт могут составлять по меньшей мере 5% всего парка, или 100 тыс. кВт установленной мощности, что эквивалентно несколько сотням тысяч малых и сверхмалых ВЭУ, т.е. более 100 млрд. руб. При этом на настоящий момент минимум 30% расчетного рынка занимают потребности АПК РФ, что является, вообще говоря, заниженной цифрой исходя из планируемого развития сельскохозяйственной отрасли.

Таким образом, даже не принимая во внимание объем международного рынка, рост спроса на автономные источники электроэнергии, развитие научно– технических решений в ветроэнергетике, снижение себестоимости ВЭУ, тенден ции развитых стран в области развития малой энергетики и, наконец, пренебре гая данными прогнозов по растущему энергодефициту, можно смело утвер ждать, что потенциальный рынок малых ВЭУ в России составляет уже в настоя щее время свыше 350 млрд. руб. с долей АПК 200-250 млрд. руб. Решение дан ной проблемы является перспективной народно-хозяйственной задачей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Решена проблема энергообеспечения сельских удаленных потребителей на основе внедрения вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ВО ВЭУ) повышенной эффективности. Сформулированы методологические основы разработки и создания принципиально новых конструктивных решений ВО ВЭУ, предназначенных для эксплуатации в условиях животноводческих и пти цеводческих объектов АПК Российской Федерации. Методология позволяет структурировать и логически организовать методы и средства оптимального проектирования ВЭУ для АПК РФ.

2. Обоснованы технические и экономические требования к конструктивным и эксплуатационным параметрам ВО ВЭУ, сформулированы граничные условия и критерии оптимизации.

3. На основе системного подхода к анализу трехмерных и кластерных (мо дульных) функциональных математических моделей выявлены закономерности влияния силовых воздействий, приводящих к возникновению шума и вибраций.

Конструкция оптимизирована покомпонентно по ряду критериев с целью полу чения максимальной выработки энергии. В результате применения последова тельности итерационных методов покомпонентной оптимизации максимальный экспериментально полученный коэффициент мощности Ср (КИЭВ) исследуемой ВЭУ-3 составил 0,43 (43%) с сохранением устойчивой работоспособности на скоростях ветра до 45 м/с, с прогнозируемой буревой скоростью 60 м/с. Выход ная мощность ВЭУ-3 соответствует расчетным характеристикам и составляет кВт на скорости ветра 11 м/с. Аэродинамическое регулирование частоты враще ния ротора и электронное регулирование мощности ВЭУ позволяют поддержи вать максимально возможный Ср во всем диапазоне частот вращения с ограни чением частоты по верхнему пределу за счет изменения аэродинамических свойств ротора. На настоящий момент конструкция по полученным параметрам не имеет аналогов в мире и может успешно эксплуатироваться даже в зонах с умеренными ветрами 4-5 м/с.

4. Разработаны технологические процессы изготовления лопастей, генера тора, аэродинамического регулятора, ротора ВО ВЭУ. Все технологические про цессы адаптированы к условиям АПК РФ. Прочность материала лопастей увели чена на 25%, себестоимость за период разработок снижена в 2 раза. Разработан ная методика вибробалансировки позволила впервые в мире снизить вибрации ВЭУ до уровня 0,01910–2 м/с на частоте 3 Гц, что с запасом удовлетворяет тре бованиям ГОСТ 12.1.012-90 и СН 2.2.4/2.1.8.566-96. Разработанная методика может быть использована для большинства ВО ВЭУ.

5. Проведенные лабораторные, стендовые и полевые испытания разрабо танных ВО ВЭУ подтвердили теоретические расчеты мощности, шума и вибра ций, а также доказали возможность эксплуатации ВЭУ в сельских условиях.

Уровень шума работающей ВЭУ не превышает 58 дБ(А) на расстоянии 10 мет ров и с запасом удовлетворяет ГОСТ 23337-78 и СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Уровни шума и вибраций позволяют использовать созданные ВЭУ на животноводческих объектах АПК и в непосредственной близости к жилым и офисным помещениям.

6. Теоретические и экспериментальные испытания показали необходимость корректировки действующих стандартов в части разработки и эксплуатации ВО ВЭУ с уточнением требований по вибробезопасности и регулированию.

7. Технико-экономическая оценка эксплуатации ВО ВЭУ проведена для различных вариантов применения и показывает высокую эффективность исполь зования ВЭУ в системе энергоснабжения объектов АПК. Себестоимость элек троэнергии оценивается максимум в 4,5 руб/кВт-ч, а при комбинированном ис пользовании ВЭУ с рядом приборов составляет не более 0,01 руб/кВт-ч со сро ком окупаемости не более 2 месяцев. Потенциальный рынок малых ВЭУ в Рос сийской Федерации оценен в общую сумму свыше 350 млрд. руб., из которых доля АПК составляет свыше 250 млрд. руб. За счет применения методологии, основанной на методах оптимизации, получена конструкция, которую можно эксплуатировать на урбанизированных и полевых территориях АПК РФ, с одно временным снижением установочных и эксплуатационных расходов соответ ственно на 25% и 15%. Себестоимость ВЭУ без введения автоматизированного производства составляет 60 руб. за Ватт мощности оборудования.

8. Создано семейство ВО ВЭУ мощностью 0,1;

1;

3;

5;

30 кВт автономного применения в АПК РФ. ВЭУ мощностью 0,1 и 3 кВт внедрены в систему энерго снабжения трех фермерских хозяйств в составе гибридных ветро-солнечных энергоустановок с широким спектром энергосберегающего оборудования (све тодиодные световые приборы, лучистые пленочные электронагреватели, тепло аккумуляторы и т.д.).

9. В работе решена крупная научная проблема создания методологических основ разработки и создания новых ветроэнергетических установок для объектов АПК, что имеет важное народно-хозяйственное значение для повышения энер гонезависимости и обороноспособности страны.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

А. В изданиях, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссией:

1. Соломин, Е.В. Ветроэнергетические установки «ГРЦ–Вертикаль» / И.М.

Кирпичникова, В.П. Кривоспицкий, Е.В. Соломин // Вестник МАНЭБ. Приложение «По Материалам I Международной научно–практической конференции «Ресурсо сбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, опыт при менения». – СПб.–Чита, 2008. – Т.13. – №3. – С.129–134.

2. Соломин, Е.В. Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью враще ния / И.М. Кирпичникова, Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – Челябинск: Изд–во ЮУрГУ, 2008. – Вып.10. – №26. – С.15–16.

3. Соломин, Е.В. Сопряжение ВЭУ малой мощности с пленочным электро нагревателем для обогрева помещений / И.М. Кирпичникова, И.Н. Панасюк, Е.В.

Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – Челябинск: Изд–во ЮУрГУ, 2009. – Вып.12. – №34. – С.78–81.

4. Соломин, Е.В. Сделано в России! Ветроэнергетические установки с верти кальной осью вращения мощностью 1…100 кВт для потребителей электроэнергии / Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. – М.: НИИЭС, 2009. – №10.

– С.74–78.

5. Соломин, Е.В. Виброгасители мачт сверхмалых вертикально–осевых ветро энергетических установок / И.М.Кирпичникова, Е.В.Соломин // Вестник ЮУрГУ.

Серия «Энергетика». – Челябинск: Изд–во ЮУрГУ, 2010. – Вып.13. – № 14(190). – С. 78–81.

6. Соломин, Е.В. Инженерный метод и математическое моделирование в проектировании ветроэнергетических установок / Ю.В. Грахов, О.В. Матвеенко, Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». – Челябинск: Изд–во ЮУрГУ, 2010. – Вып.2. – №9(185). – С. 45–52.

7. Соломин, Е.В. Экономические аспекты внедрения ветроэнергетических установок / Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Экономика и менеджмент». – Челябинск: Изд–во ЮУрГУ, 2010. – Вып.14, 20(196). С.32–36.

8. Соломин, Е.В. Предложение о сотрудничестве при производстве ветроэнер гетических установок / Дж.Куль, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и эко логия. – М.: НИИЭС, 2010. – №1. – С.115–125.

9. Соломин, Е.В. Технические особенности и преимущества ветроэнергетиче ских установок / Е.В.Соломин, Р.Л.Холстед // Альтернативная энергетика и эколо гия. – М.: НИИЭС, 2010. – №1. – С.36–41.

10. Соломин, Е.В. Ветроэнергетические установки ГРЦ–Вертикаль / Е.В. Со ломин // Альтернативная энергетика и экология. – М.: НИИЭС, 2010. – №1. – С.10– 15.

11. Соломин, Е.В. Система освещения, основанная на ветроэнергетической установке / А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и эколо гия. – М.: НИИЭС, 2010. – №1. – С.101–105.

12. Соломин, Е.В. Преобразование энергии в ветроэнергетических установках / И.М. Кирпичникова, А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. – М.: НИИЭС, 2010. – №1. – С.93–97.

13. Соломин, Е.В. Контроллер заряда ветроэнергетической установки / А.С.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.