ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
Статья поступила в редакцию 15.06.15. Ред. рег. № 2271
The article has entered in publishing office 15.06.15. Ed. reg. No. 2271
УДК620.91 doi: 10.15518/isjaee.2015.08-09.003
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТИХОХОДНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
А.В. Матвеев, С.Е. Щеклеин
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина 620002 Екатеринбург, ул. Мира, д. 19 Тел: (343) 375-95-08, e-mail: a.v.matveev@urfu.ru
Заключение совета рецензентов: 18.06.15 Заключение совета экспертов: 21.06.15 Принято к публикации: 24.06.15
В работе изложена методика и выполнен энергетический и эксергетический анализ нетто тихоходной многолопастной ветроэнергетической установки ВЭУ-5-4, получены коэффициенты энергии- и эксергии-нетто и сроки энергетической и эксергетической окупаемости для условий ряда регионов РФ. Приведенные в работе расчеты говорят о высокой эксерге-тической эффективности ветроэнергетических установок вследствие того, что конечным продуктом их производства является электроэнергия, в то время как на создание таких систем тратится много тепловой энергии.
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, энергетический анализ нетто, срок эксергетической окупаемости, срок энергетической окупаемости, коэффициент энергии-нетто, коэффициент эксергии-нетто.
DETERMINATION OF EXERGETIC EFFICIENCY OF LOW-SPEED WIND POWER INSTALLATION
A.V. Matveev, S.E. Shcheklein
Ural Federal University named after the first President of Russia Boris Yeltsin 19 Mira str., Ekaterinburg, 620002, Russia Tel.: (343) 375-95-08, e-mail: a.v.matveev@urfu.ru
Referred: 18.06.15 Expertise: 21.06.15 Accepted: 24.06.15
The paper sets out the methodology and made net energy and exergy analysis of the low-speed multiblade windmill WEI-5-4, the coefficients of net energy and net exergy, energy and exergy payback periods produced for the conditions of a number of regions of the Russian Federation. Calculations made in the article indicate a high exergetic efficiency of wind power plants due to the fact that the end product of their production is electricity, while the creation of such systems spent a lot of heat.
Keywords: wind power installation, net energy analysis, exergy payback period, energy payback period, coefficient of net energy, coefficient of net eхergy.
Андрей Валентинович Матвеев Andrey V. Matveev
Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ.
Почетная грамота министерства энергетики и жилищно-коммунального хозяйства Свердловской области за активную работу со студентами по повышению энергоэффективности и развитию новых источников энергии (2011).
Образование: УГТУ-УПИ, инженер по специальности «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (2004).
Область научных интересов: возобновляемая энергетика, солнечная энергетика, ветроэнергетика, солнечные коллекторы, паровые турбины, газопоршневые электростанции.
Публикации: более 25, в том числе 5 в реферируемых журналах.
Information about the author: Candidate of Technical Sciences, UrFU, department "Nuclear power plants and renewable energy sources" Associate Professor.
Diploma of the Ministry of Energy and Housing and Utilities of the Sverdlovsk region for their active work with students to improve energy efficiency and the development of new energy sources (2011).
Education: Ural State Technical University with a degree in engineering, "Alternative and renewable sources of energy" (2004).
Research area: renewable energy, solar energy, wind energy, solar collectors, steam turbines, gas-fired power plant.
Publications: more than 25, including 5 in refereed journals.
Сергей Евгеньевич
Щеклеин Sergey E. Shcheklein
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ.
Научный руководитель ряда реализованных инновационных проектов, в т. ч. «Энергоэффективный дом для села», «Системы солнечного энергоснабжения автономных потребителей специального назначения», «Солнечные системы охранной сигнализации» и др.
Член редколлегии журнала «Известия вузов. Ядерная энергетика», сборника трудов УГТУ-УПИ «Теплофизика ядерных энергетических установок», научно-технического журнала «Энергоэффективность и анализ». Заслуженный энергетик России, действительный член Международной энергетической академии.
Образование: Уральский политехнический институт (УГТУ-УПИ) (1972).
Область научных интересов: термодинамика ядерных энергетических установок, проблемы атомной энергетики и теплофизики двухфазных потоков, продление ресурса и повышение надежности оборудования АЭС, солнечная энергетика, ветровая энергетика, биоэнергетика, энергосбережение, энергоэффективность.
Публикации: более 450, в том числе 6 монографий и учебников, 28 изобретений.
Information about the author: doctor of technical science, professor, Urals State Technical University "Atomic Stations and Renewable Energy Sources" Department head.
A scientific director of several realized innovation projects, including "The energoefficient house for the village", "Special systems of individual consumer solar energy supply", "The solar systems for the guarding alarm" etc.
A member of the editorial board of "Institute of Higher Education News. Nuclear Power" magazine, "Nuclear power units heat engineering" USTU article collection, "Energoeffectiveness and analysis" scientific magazine. A Honoured power engineering specialist of Russian Federation, a member of International Energy Academy.
Education: Urals Polytechnic Institute (1972).
Research area: nuclear power units thermodynamics; questions of nuclear energy and thermophysics of the two-phase flows; NPP equipment lifetime enduring and reliability increasing; solar, wind and bioenergetics, energy conservation, energy efficiency.
Publications: more than 450 scientific works, including 6 monographs and textbooks, 28 inventions.
Введение
Одной из наиболее развитых технологий возобновляемой энергетики на сегодняшний день является ветроэнергетика. Ее принцип заключается в преобразовании кинетической энергии ветра в механическую энергию вращающегося вала с возможностью последующего преобразования ее в электрическую энергию. Ветроэнергетические установки находят все более широкое применение в различных сферах человеческой деятельности для целей как постоянного, так и аварийного энергоснабжения различных категорий потребителей.
Зачастую решение о строительстве ветроэнергетической установки принимается на основе экономического анализа проекта с точки зрения получения максимальной прибыли и минимального срока окупаемости проектов, в ряде случаев при строительстве подобных систем решающим фактором выступает их
безальтернативность, например, для энергоснабжения отдаленных ответственных потребителей в местах с высокой ветровой обеспеченностью. В дополнение к экономическому анализу сегодня все более часто можно встретить энергетический и эксергетический анализ проектов. Он показывает эффективность с точки зрения не материальных или финансовых затрат, а соотношения энергии на создание и эксплуатацию объекта с тем количеством энергии, которое будет выработано за весь жизненный цикл. Нецелесообразно создавать установку, производящую меньшее количество энергии, чем было потрачено на ее создание, если, конечно, это не вызвано острой необходимостью.
Подобного рода анализ особенно актуален для установок возобновляемой энергетики, использующих энергию солнца и ветра, поскольку данные источники отличаются стохастичностью и рассеянием энергии в пространстве. Для того чтобы собрать этот поток энергии, приходится увеличивать размер агрегатов, что
приводит к повышению материалоемкости на киловатт установленной мощности, что в свою очередь влечет рост затрат энергии и эксергии на их производство. Этот вопрос особенно остро стоит в регионах с низким энергетическим потенциалом, поскольку, например, для использования малых скоростей ветра приходится увеличивать количество лопастей ветроустановки, что приводит к повышению материалоемкости. С другой стороны, такие ветроагрегаты чаще всего имеют небольшую мощность и малую годовую производительность, что существенно влияет на срок энергетической окупаемости проекта, поэтому исследование таких объектов наиболее важно.
Теоретическая часть
Основы данного подхода заложены в работах [13], по данной тематике был проведен ряд исследований как в России, так и за рубежом, но большая их часть относится к установкам традиционной энергетики, использующим органическое топливо. Целью данного исследования было определение эффективности тихоходной ветроэнергетической установки в условиях различной ветровой обеспеченности с точки зрения сквозного энергетического анализа.
Энергетический и эксергетический анализ любой энергетической установки целесообразно начинать с определения границ объекта, который подвергается анализу, а также всех составных частей, входящих в этот объект или необходимых для его функционирования. Предметом исследования стала тихоходная многолопастная крыльчатая ветроэлектрическая установка ВЭУ-5-4 с горизонтальной осью вращения. Данный ветроагрегат имеет номинальную мощность 4 кВт и предназначен для работы на территориях с низкой скоростью ветра для обеспечения энергией отдельных небольших неответственных потребителей. Внешний вид ВЭУ-5-4 представлен на рис. 1, основные технические характеристики - в табл. 1.
Затраты энергии на создание как отдельных деталей и узлов, так и всей ветроустановки в целом оценивались по формуле
QkY. = krnr X
miQk. k
где кизг - поправочный коэффициент, учитывающий затраты энергии на изготовление деталей, сборку, транспортировку; п - количество деталей, т, - масса заготовки для изготовления детали; Qki - затраты энергии на производство материала заготовки; ким -коэффициент использования материала.
Рис. 1. Внешний вид и принципиальная схема ветроустановки ВЭУ-5-4: 1 - киль; 2 - платформа поворотная; 3 - ветроколесо;
4 - лопа
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.