УДК 621.311
АВТОНОМНАЯ ИНТЕГРИРОВАННАЯ ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Я.Б. Данилевич, В.Н. Антипов, И.Ю. Кручинина, Ю.Ф. Хозиков,
А.В. Иванова, Б.Н. Миронов
Институт химии силикатов РАН, 199034 Санкт-Петербург, наб. Адм. Макарова, д. 2 тел./факс (812) 328-16-91, e-mail: jandan@isc.nw.ru
В данной статье предложен вариант решения комплексной задачи производства и накопления водорода с последующим получением электрической энергии с помощью топливных элементов. Для решения задачи преобразования первичной энергии ветровых потоков проведены испытания опытных моделей ортогональных ветротурбин типа Дарье и карусельных с целью их интеграции в состав ветроэнергетической установки. Исходя из результатов исследований предложена безопасная в эксплуатации секционная вертикально-осевая ветротурбина с направляющими ветровой поток пластинами. Разработаны и созданы опытные модели низкооборотных синхронных генераторов для совместной работы с ветротурбиной без применения редуктора. Предложены решения, позволяющие на основе разработанных нанотехнологий создать опытную модель действующей ветроэнергетической установки для экологически чистого производства водорода с возможностью промежуточного хранения и последующего преобразования в электрическую энергию путем применения топливных элементов. Приведенные результаты исследований показывают возможность создания топливных элементов, образованных протонпроводящими каталитическими слоями, полученными по золь-гель технологии. Возможным применением разрабатываемых топливных элементов является их использование в качестве альтернативных энергоносителей для транспортных средств. Предложенная конструкция ветроэнергетической установки разработана с применением метода комплексного программно-аппаратного управления энергетическим режимом всего технологического процесса.
AUTONOMOUS INTEGRATED WIND-DRIVEN POWERPLANT WITH NANOSTRUCTURED MATERIALS FOR STORAGE AND TRANSFORMATION
OF ELECTRIC ENERGY
Ya.B. Danilevich, V.N. Antipov, I.Yu. Kruchinina, Yu.F. Khozikov, A.V. Ivanova, B.N. Mironov
Institute of Silicates Chemistry RAS, 199034 2, Adm. Makarov emb., Saint-Petersburg, Russia tel./fax (812) 328-16-91, e-mail: jandan@isc.nw.ru
This paper presents a version of decision for a complex problem of hydrogen manufacturing and accumulation with following production of electric energy by means of fuel cells. Tests of orthogonal wind turbine models (Darrieus and rotor-type) are made for their integration into powerplant structure. On the basis of the researches results safe in operation section vertically-axial wind turbine with plates directing a wind stream is proposed. Tests models of slow-speed synchronous generators for joint action with a wind turbine without use of a reducer are developed and created. The decisions allowing on the basis of developed nanotechnologies to create test model of operating wind-driven powerplant for ecologically pure manufacture of hydrogen with an opportunity of intermediate storage and following transformation into electric energy by means of fuel cells are offered. The presented results show an opportunity to create fuel cells formed by proton conductive catalytic layers received on sol-gel technology. Possible application of developed fuel cells is their use as alternative energy resources for vehicles. The offered design of wind-driven powerplant is developed with application of the method of complex hardware-software management by a power mode of all technological process.
Введение
Традиционно энергетика базируется на невозоб-новляемых энергоресурсах, однако возрастающие экологические требования стимулируют изменения в структуре генерирующих мощностей. Актуальной задачей является активное использование возобновляемых источников энергии, в том числе - экологически чистой ветровой энергии в качестве первично-
го энергоносителя. Для обеспечения конкурентоспособности нетрадиционной энергетики необходимы научные разработки, направленные на повышение эффективности и удешевление новых технологий и образцов энергетического оборудования.
Перспективным направлением исследований является решение комплексной задачи производства и накопления водорода с последующим получением электрической энергии с помощью топливных эле-
ментов [1-3]. Для промышленного выпуска портативных топливных элементов требуется разработка нового поколения гибридных нанокомпозитных материалов, обладающих электронной и протонной проводимостью с необходимыми каталитическими свойствами для выработки и хранения электрической энергии [4-8].
Электроэнергия, используемая в процессе получения водорода методом электролиза, может стать дешевле за счет использования возобновляемого источника энергии - ветра [9]. С целью создания автономной интегрированной энергоустановки, состоящей из комплекта солнечных батарей, ветроэлектростанции (далее ВЭС) и аккумуляторов электроэнергии, проведены исследования генераторов и ортогональных вет-ротурбин различных конструкций. Для этих целей были изготовлены два типа масштабных моделей ортогональных ветротурбин с установленными параллельно валу лопастями: типа Дарье и карусельная с направляющими ветровой поток пластинами. Также проведены работы по изготовлению и испытанию опытных моделей низкооборотных генераторов мощностью до 10 кВт.
Работа выбранных типов ветротурбин не зависит от направления ветра. Ввиду этого отсутствуют механизмы и системы ориентации, что приводит в целом к упрощению конструкции и повышению ее надежности, а также максимальному использованию энергии ветрового потока, что связано с выполнением условия постоянной установки ветротурбины на направление ветра.
Исследование четырехлопастной модели ветротурбины типа Дарье
Рис. 1. Модель четырехлопастной ветротурбины типа Дарье Fig. 1. Model of a four-bladed Darrieus wind turbine
Для проведения предварительных исследований эффективности конструкции по показателям самозапуска, устойчивой работы в заданном диапазоне скоростей ветрового потока, возможности самостабилизации частоты вращения было изготовлено несколько моделей данного типа с различным профилем лопастей по методике специалистов предприятия ООО «Инвертор»
в г. Волгограде. На базе полученных данных изготовлена масштабная модель ветротурбины (рис. 1) для проведения испытаний в аэродинамической трубе (на площадке указанного предприятия).
Результаты испытаний в масштабной модели ветротурбины типа Дарье
Модель ветротурбины размещалась в зоне испытательной площадки аэродинамической трубы с выходным диаметром 3,2 м на расстоянии 3 м от плоскости выходной противотурбулентной решетки с ячейками 3x3 см. Измерения скорости потока производились с помощью анемометра, установленного в центре на расстоянии 50 см от наветренной части расположения края лопасти модели ветротурбины. Вал затормаживался при помощи регулируемого фрикционного устройства в комплекте с динамометром, что позволяло выполнить определение вращающего момента при заданной частоте вращения. Скорость вращения варьировалась за счет изменения скорости воздушного потока в интервале 1-10 м/с в аэродинамической трубе.
Технические данные и результаты испытаний модели ветротурбины:
Ометаемая площадь, м2 0,46
Диаметр ротора, м 0,66
Размах лопастей, м 0,32
Хорда лопасти, м 0,27
Число лопастей, шт. 4
Площадь лопасти, м2 0,015
Профиль лопасти плоский. Частота вращения ротора в пределах изменения скорости ветрового потока 32260 об/мин. Номинальная окружная скорость 1,5-6 м/с.
На рис. 2 представлены графики зависимости частоты вращения и развиваемой мощности от скорости ветрового потока.
Для изготовления лопастей ветротурбины была использована лента ГОСТ 1530-78 толщиной 0,8 мм (сталь 50ХФА, сортовой фасонный прокат).
Результаты натурных испытаний показали, что старт ветротурбины затруднен, требовалась начальная раскрутка до номинальной частоты вращения (30-35 об/мин) при скорости ветрового потока от 3 м/сек. После разгона при последующем уменьшении скорости ветрового потока до 2 м/сек ветротурбина плавно останавливалась.
При скорости ветрового потока свыше 9,5 м/с частота вращения вала уменьшалась до 130 об/мин. При больших скоростях и резких изменениях нагрузки на лопастях возникали срывы воздушного потока, что приводило к уменьшению крутящего момента и, как следствие, прекращению вращения. При этом падение частоты вращения сопровождалось значительными вибрациями лопастей, что при более долговременном проведении испытаний приводило к их разрушению. Для испытываемой модели оптимальное значение угла установки плоскости лопасти (по линии хорды) относительно вертикальной плоскости установки вала варьировалось в пределах 1-2. Исходя из результатов проведенных испы-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (72) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
таний, для изготовления лопастей можно рекомендовать материалы, произведенные по дорогой и сложной технологии, применяемой в авиапромышленности для изготовления вертолетных винтов.
300
Г200
; 100
8 10 Скорость ветра, м/с
180
140
3 100
60
20
8 10 Скорость ветраГ м/с
b
Рис. 2. Частоты вращения (а) и развиваемая мощность (b) ветротурбины Дарье Fig. 2. Rotational speed (а) and power output (b) of Darrieus wind turbine
Результаты испытаний ветротурбины выявили ряд недостатков, а именно: невозможность старта без предварительной раскрутки вала ветротурбины и резкое изменение частоты вращения при изменении скорости ветра или величины нагрузки. Ввиду явно выраженной нестабильности работы моделей ветро-турбины Дарье под нагрузкой предложена более эффективная конструкция секционной ортогональной карусельной ветротурбины с направляющими ветровой поток пластинами (рис. 3). По вертикали ветро-турбина разделена на секции с установленными между ними вихревыми экранами. Ориентация рабочих лопастей по отношению к ниже расположенным по вертикали составляет 15 градусов по окружности при условии установки шести лопастей
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.