ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА. ТЕХНИКА, ЭКОНОМИКА, ЭКОЛОГИЯ
WIND ENERGY APPLICATIONS. ENGINEERING, ECONOMY, ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 04.01.10. Ред. рег. № 684 The article has entered in publishing office 04.01.10. Ed. reg. No. 684
УДК 621.314.5
СИСТЕМА ОСВЕЩЕНИЯ, ОСНОВАННАЯ НА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ
А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин
OOO «ГРЦ-Вертикаль» 456300 Челябинская обл., г. Миасс, Тургоякское шоссе, д. 1 Тел.: +79123171805, факс: (351) 2647694; e-mail: src-vertical@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 15.01.10 Заключение совета экспертов: 20.01.10 Принято к публикации: 25.01.10
Статья описывает построение системы уличного освещения на основе ветроэнергетической установки в качестве источника электрической энергии и светодиодного осветителя в качестве фонаря. Описывается сравнение ветроэнергетических установок с вертикальной и горизонтальной осью вращения, представлен облик системы с вертикальной осью вращения, расположенной на вершине осветительного столба. Также рассмотрены вопросы согласования ветровой мощности и мощности генератора для различных условий и основные положения алгоритмов регулирования.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, электроснабжение, альтернативная энергетика, преобразование энергии, регулирование мощности.
OUTDOOR LIGHTING SYSTEM BASED ON WINDMILL A.S. Martyanov, E.V. Solomin
"SRC-Vertical", Ltd.
1 Turgoyaksky road, Miass, Chelyabinsk reg., 456300, Russia Tel.: (912) 317-1805, fax: (351) 264-7694; e-mail: src-vertical@mail.ru
Referred: 15.01.10 Expertise: 20.01.10 Accepted: 25.01.10
Article describes a design of street lighting system based on wind turbine as power source and light emitted diodes as lamps. It's shown a comparison of windmills with vertical and horizontal axis of rotation, illustrated an outline view of system based on vertical axis wind turbine which can be located at the top of lamppost. There are considered questions about wind power conversion in the alternator and regulator at different weather conditions and there is a formalized algorithm of power control for electronic regulator.
Сведения об авторе: начальник конструкторского отдела ЗАО НИИ «Уралмет», инженер в группе электрооборудования ООО «ГРЦ-Вертикаль».
Образование: Южно-Уральский государственный университет, приборостроительный факультет в 1997 г. Основная специальность - конструирование и производство радиоэлектрона * ных средств.
Область научных интересов: проектирование и организация производства электрооборудования как для ветроэнергетических установок, так и используемого совместно с ними.
/
7
Андрей Сергеевич Мартьянов
Использование альтернативной возобновляемой энергетики в условиях растущего дефицита электроэнергии и цен на энергоносители, бесспорно, приносит пользу человечеству с экологической и экономической точек зрения, поэтому сегодня ветроэнергетика в ряде стран уверенно конкурирует с традиционными источниками энергии. В развитии российской ветроэнергетики наблюдается очевидное отставание от темпов, взятых с середины 20 века странами Евросоюза, США, Индии, Китая и других стран [1, 2]. Данная тенденция образовалась, в первую очередь, благодаря колоссальным природным запасам углеводородов, находящимся на территории России [2], а также умеренной ветровой обстановке на большей ее части [3].
Ученые ряда таких ведущих предприятий России, как ОАО «Государственный Ракетный Центр» (КБ им. акад. В.П. Макеева, г. Миасс Челябинской области), Государственное машиностроительное предприятие КБ «Радуга» (г. Дубна Московской области), ФГУП «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева» (г. Москва), и других крупных научно-производственных центров продолжают освоение новых проектов, связанных с ветроэнергетикой, и достигают поистине серьезных результатов. Более того, размах, глубина и новизна современных отечественных разработок зачастую превышают уровень, достигнутый ведущими коллективами США, Евросоюза, Китая и других развитых стран. Ряд российских институтов, заводов и фирм выпускает небольшими сериями малые и средние ветроэнергетические установки [1], в основном с горизонтальной осью вращения. Они имеют несколько больший коэффициент использования энергии ветра: 40-45% против 35-40% у вертикально-осевых турбин.
Вертикально-осевые ВЭУ имеют ряд преимуществ: отсутствие необходимости ориентации на ветер, более простая технология изготовления, а также малая шумность. Данные параметры вновь созданных вертикально-осевых турбин были исследованы теоретически и подтверждены следующими экспериментами:
- испытания прямых лопастей с различными хордами в гидродинамической трубе Государственного Ракетного Центра;
- испытания ротора с различными лопастями в гидродинамическом бассейне Сибирского отделения Российской Академии наук;
- испытания в аэродинамической трубе Казанского государственного университета;
- полевые испытания ВЭУ различной мощности (1-3 кВт) в городах Челябинске, Кумертау, Ронерт Парк (США), Беркли (США, лаборатории Беркли) и т.д.
В результате для ротора ветроэнергетической установки была выбрана вертикально-осевая схема.
Основное назначение системы уличного освещения - обеспечение непрерывного освещения длительностью 2/3 темного времени суток. Общий
принцип функционирования системы заключается в следующем: получая энергию от ветроколеса, осуществить зарядку аккумуляторной батареи. При наступлении темного времени суток включить осветитель, который питается от аккумуляторной батареи, и обеспечить работу осветителя в течение периода, оговоренного выше. При этом ВЭУ должна максимально эффективно использовать полученную энергию, одновременно обеспечивая защиту аккумуляторной батареи как от превышения максимально допустимого зарядного тока, так и от глубокого разряда.
Малогабаритную ветроэнергетическую установку предполагается использовать в осветительных устройствах, располагаемых на уличных столбах (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид ВЭУ Fig. 1. View at windmill
Расчетные вибрационные ускорения, вычисленные на основании анализа трехмерных математических моделей с помощью конечно-элементного метода, показали, что у установок данный параметр составляет не более 0,004 м/с2 на расстоянии 5 м от конструкции, что удовлетворяет СН 2.2.4/2.1.8.56696 «Производственная вибрация. Вибрации в помещениях жилых и общественных зданий», в диапазоне 3-64 Гц среднегеометрических полос частот. Кроме того, учитывая малую величину вертикальных вибросмещений в резонансах собственных частот ротора и опорной конструкции, вычисленные в результате исследования напряженно-деформированного состояния конструкции, эти данные позволяют предположить возможность размещения микро-ВЭУ не только в непосредственной близости к санитарно-госпитальным учреждениям, но и непосредственно на зданиях и сооружениях, что значительно расширяет область применения данной конструкции.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Технические требования к конструкции и опорным элементам формулируются с точки зрения безопасности воздействия на окружающую среду и эффективности ВЭУ, что в ряде случаев является взаимоисключающим. Поэтому при оформлении технических требований особое внимание уделяется безопасности, т.к. ветроэнергетическая установка представляет собой динамический объект повышенной опасности. Требования по безопасности фактически представляют собой требования Ллойда [4], использующиеся разработчиками ВЭУ в качестве руководства.
При проектировании новой турбины в кратчайший срок были решены следующие задачи в части аэродинамики:
- Определение основных габаритных соотношений турбины, обеспечивающих заданную расчетную мощность.
- Расчет аэродинамических характеристик лопастей, выбор оптимального профиля, расчет относительных размеров лопастей и углов их установки в турбине.
- Расчет коэффициента использования энергии ветра в зависимости от быстроходности, то есть получение главной аэродинамической характеристики турбины (быстроходность определяет, во
Р, Вт
сколько раз линеиная скорость лопастей превышает скорость ветра).
Основные аэродинамические характеристики ветроколеса ВЭУ были получены расчетным путем с использованием инженерного метода, разработанного в ООО «ГРЦ-Вертикаль». Помимо конструктивно-габаритных параметров ветроколеса метод в качестве исходных данных принимает аэродинамические характеристики профиля лопасти. Серия профилей разработана в ООО «ГРЦ-Вертикаль» и оптимизирована для использования в вертикально-осевых ВЭУ. Аэродинамические характеристики профилей на всех углах атаки при круговом обдуве получены как в экспериментальных исследованиях, так и расчетом в одном из пакетов вычислительной аэродинамики ANSYS CFX [5, 6]. Расчетные и экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии.
Значение аэродинамической мощности в координатах «скорость ветра - частота вращения» (рис. 2) используется для разработки системы управления ВЭУ или регулятора осветительной установки. Регулятор необходим для того, чтобы при малом ветре не отбирать у ветроколеса всю энергию, иначе оно перестанет вращаться.
160
120
80
40
-20
3 - У = 3 м/с 4- 1/=4м/с 5 - V= 5 м/с 6- 1/=6м1с
7 - V=7 м/с
8 - V = S м/с 9- V = 9 м/с
10 - V= 10 м/с
11 - V= 11 м/с
■ 11
.мо;
• к- -'__'
--Ü
100
200
300
400 п, об/мин
Рис. 2. Зависимость мощности малогабаритной ВЭУ от частоты вращения при различных скоростях ветра Fig. 2. Aerodynamic power of small windmill regarding to RPM and wind speed
Ограничение частоты вращения, например, аэродинамическими тормозами не предусмотрено, чтобы не усложнять конструкцию. В силу малых размеров установки она может вращаться на больших оборотах без риска разрушения.
Моделирование работы ветроэнергетической установки проводилось для режима работы, типичного для средней полосы России. Он характеризуется диапазоном скоростей ветра V = 4-8 м/с. При моделировании полагалось, что электрическая мощность, снимаемая с электрогенерато
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.