Главная Обратная связь

Дисциплины:






Расчет производительности ВЭУ и ВЭС.



Для расчета производительности ветрового парка необходимо, во-первых, располагать метеорологическими данными (скоростью ветра, его направлением и частотой возникновения). Во-вторых, иметь информацию о рельефе, шероховатости и существующих препятствий для ветра в радиусе 10 км от расположения ветрового парка. И, в третьих, нужны характеристики самих ветровых турбин (высота мачты, диаметр ротора, установленная мощность) и их расположение внутри ветрового парка.

Одним из наиболее важных характеристик ВЭУ является ее номинальная мощность. Эта величина указывает, сколько кВт*ч энергии турбина выработает при максимальной нагрузке [10]. Номинальная мощность рассматриваемой ветровой турбины составляет 2 000 кВт. Это значит, что при наиболее оптимальной скорости ветра 17 - 21 м/с ВЭУ произведет 2 000 кВт*ч энергии за час работы (рисунок 8) [11].

Эта величина производимой ветровой энергетической установкой мощности в определенный момент времени описывается рабочей кривой, характеризующей зависимость вырабатываемой турбиной мощности от наличной в данный момент скорости ветра. Для данной турбины эта рабочая кривая приведена на рисунке 8.

Ротор начинает вращаться при скорости ветра, равной 3 м/с, и останавливается по причинам безопасности при скорости 21 м/с.

Объем производимой энергии в определенный момент времени высчитывается по формуле [12]:

 

(6)

 

где Е – производимая энергия в определенный момент времени (Вт/с);

- плотность воздуха, кГ/м 3;

w – скорость ветра, м/с;

S – площадь, охватываемая ветровым колесом ротора, м 2;

- общая эффективность ветровой турбины при данной скорости ветра, доли.

Так для рассматриваемого типа ветровой турбин на 2 000 кВт установленной мощности с диаметром ротора 90 м при скорости ветра 7 м/с, эффективностью 45 % и плотностью воздуха на уровне мачты 1,216 кГ/м 3, получим:

Из этого следует, что при данной скорости эта ветровая турбина будет производить 1 193 кВт в данный момент времени (Рисунок 31).

 

Рисунок 32 – Кривая производительности ВЭУ(при плотности воздуха 1,225 кГ/м 3)

 

3.7 Расчет годовой производительности ветровой турбины

 

Количество произведенной за год энергии не может быть рассчитано путем простого умножения установленной мощности (в данном случае 2 000 кВт) на среднюю годовую скорость ветра. Необходимо также учитывать коэффициент использования установленной мощности для определения эффективности работы турбины в течение года на определенной площадке. Коэффициент использования установленной мощности - это фактическая годовая выработка электроэнергии, разделенная на теоретически максимальную выработку при условии, что машина работала в режиме максимальной нагрузки в течение всех 8760 часов года. Теоретически значение коэффициента использования установленной мощности может варьироваться от 0 до 100 %, но практически он располагается в пределах от 20 до 70 % и чаще всего равен 25 – 30 % [4].



Так, для ветровой турбины с установленной мощностью 2000 кВт коэффициент использования установленной мощности которой равен 44,5% (определяется расчетным путем с помощью программного приложения WindPRO при построении кривой распределения ветра по интенсивности и продолжительности в определенной точке – в нашем случае, это расположение метеорологической мачты), прогнозируемое количество произведенной за год энергии будет равно:

 

Проведенные вычисления с помощью модуля METEO программы WindPRO 2.5 показали следующие значения (таблица 18).

В данном случае от основного результата вычислений отнимается значение погрешности вычислений 10 %. Это связано с тем, что, даже обладая подробными метеорологическими данными участка, сложно предсказать точную производительность будущей ВЭС, поэтому для инвесторов принимается минимальное значение в интервале результатов с учетом погрешностей.

Проведенные вычисления с помощью модуля METEO программы WindPRO 2.5 показали следующие значения (таблица 18).

 

Таблица 18 - Результаты расчетов годовой производительности ветровой турбины, в зависимости от параметров воздушного потока.

Характеристики Полученные данные
Диаметр ветрового колеса (м) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
Среднегодовая скорость ветра (м/с)
Расчетное время работы ВЭУ в году (ч)
Поперечная площадь сечения ветрового потока (м2)
Мощность ветрового потока (Вт)
Мощность на выходе ВЭУ (Вт)
Фактическое количество вырабатываемой электроэнергии (кВт*ч/год) 1 680,87 2 904,54 4 612,31 6 884,84 9 802,83 13 446,95
Среднегодовая мощность ветрового потока (Вт) 1 462,54 2 527,27 4 013,21 5 990,56 8 529,52 11 700,31
Среднегодовая мощность ветрового потока P c (Вт/м 2) 146,25 252,72 401,31 599,04 852,93

 

В данном случае от основного результата вычислений отнимается значение погрешности вычислений 10 %. Это связано с тем, что, даже обладая подробными метеорологическими данными участка, сложно предсказать точную производительность будущей ВЭС, поэтому для инвесторов принимается минимальное значение в интервале результатов с учетом погрешностей.

 


 

4 РАЗРАБОТКА ЧЕРТЕЖЕЙ И ПРОВЕДЕНИЕ ОПЫТОВ НА ТРЕХ МОДЕЛЯХ МАЛОЙ ВЭУ

4.1 Разработка чертежей опытной конструкции ВЭУ

Для разработки предварительных чертежей конструкции экспериментальной модели вихревой ветротурбины были составлены и отработаны первоначальные параметры для разработки чертежей.

Моделируя различные варианты размеров ветротурбины, выбрали следующие размеры: диаметр и высота концентратора 2000 мм и 1000 мм, высота конуса 1000 мм, диаметр ветроколеса 1072 мм, вытяжная труба высотой 2000мм и диаметром 500 мм, кривизна поверхности лопасти и направляющих стенок криволинейных каналов – согласно расчетных данных.

Основание ветроколеса выполнены жестким для последующего по центру размещения вертикальной оси вращения в виде металлической трубы, которая крепится с центральным валом двумя подшипниками. Внешняя поверхность ветроколеса, на которой размещаются криволинейные лопасти, представляет собой конус из гибкого материала (возможны комбинации из ПВХ и/или жести толщиной 0,3-0,5 мм). Внешний конус ветроколеса также крепится а жестком каркасе.

Результаты моделирования показали, что имеется несколько вариантов исполнения криволинейных лопастей. Первый вариант (рисунок 33) показал, что наложение потока нет, а изгиб направляющих стенок криволинейных каналов производится при подходе к ветроколесу.

 

Рисунок 33 – Чертеж макета вихревой ветротурбины

 

Для устойчивости ветроколеса (рисунок 34) центральный вал (рисунок 35) неподвижно крепится на металлическом каркасе основания, а верхний конец вала крепится треногой к каркасу вытяжной трубы (рисунок 36). Лопасти ветроколеса приведены на рисунке 37.

Рисунок 34 – Ветроколесо

 

Рисунок 35 – Центральный вал

 

 

1 – выходная труба, 2 – верхняя часть концентратора.

Рисунок 36 – Труба с соединительным корпусом

 

 

Рисунок 37 – Лопатки и конус ротора

 

Для усиления конструкции вся конструкция ветротурбины стянута каркасом из металлической трубки с прямоугольным сечением 20х10.

Ветроколесо имеет свое металлическое основание подобно рисунку 38, по центру которого по вертикальной оси расположена металлическая труба, которая крепится с центральным валом двумя подшипниками. На верхнюю сторону каркаса располагается конус (рисунок 37) из металла толщиной 0.5 мм.

 

Рисунок 38 – Концентратор

 

На нижний конус ветроколеса крепятся криволинейные лопасти (рисунок 39), для устойчивости которых сверху устанавливается на них верхний конус ветроколеса (рисунок 37).

 

Рисунок 39 – Лопасть ветроколеса

 

Боковые стенки криволинейных каналов концентратора (рисунок 40) имеют такую же кривизну как и лопасти ветроколеса.

 

 

Рисунок 40 – Боковые стенки криволинейных каналов концентратора

 

Лопасти и стенки крепятся на свои конусные поверхности и дополнительно крепятся специальным крепежом.

Упрощенная схема на вышеприведенных рисунках позволила конструктору разработать необходимые чертежи для специалистов, которые по этим чертежам должны были изготовить экспериментальную модель вихревой ветротурбины из комбинированного материала.

Рисунок 41 – Макет вихревой ветроустановки

 

Упрощенная схема на вышеприведенных рисунках позволила конструктору разработать необходимые чертежи для специалистов, которые по этим чертежам должны были изготовить экспериментальную модель вихревой ветротурбины (рисунок 41) из комбинированного материала. Общие сборочные чертежи приведены в Приложении Б к данному отчету.

При изучении конструкции рассматривались различные варианты ветроколеса. В зависимости от распределения скорости ветра выбирается его конфигурация. При малых скоростях ветра можно рассматривать ветроколесо с малой пропускной способностью, т.к. нет необходимости увеличения расхода воздуха через ветроустановку. При изменении расхода воздуха в больших диапазонах пропускная способность устройства должна быть высокой, чтобы ветротурбина могла работать при различных скоростях ветра. К сожалению, универсальной схемы такого ветроколеса не существует, поэтому рассматриваются конструкции на определенные диапазоны скоростей ветрового потока. Для изучаемого случая скорость потока можно регулировать концентратором потока и такое решение является очень важным в плане создания универсального ветроколеса.

 

4.2 Проведение экспериментов на трех моделях малой ВЭУ

 

Результаты расчетов всегда требуют экспериментального подтверждения. При составлении математической модели допускаются определенные гипотезы, что должны быть подтверждены реальными фактами. Для подтверждения принятой модели были проведены лабораторные опыты, которые также преследовали и другую цель – оптимизация конструкции ветроустановки. Согласно графика работ была проведена оптимизация конструкции ВЭУ. В этих целях проведены лабораторные опыты на моделях ВИЭ. Для проведения экспериментов было изготовлено три модели ветротурбины:

 

- 1 Модель ВЭУ – дугообразные лопасти ветроколеса были прикреплены на коническую ось вращения (рисунок 42);

- 2 Модель ВЭУ – на жестко закрепленный вал насаживался металлический цилиндр с помощью подшипников, на цилиндр закрепляются лопасти (рисунок 43);

- 3 Модель ВЭУ – на цилиндр устанавливался конус с криволинейными лопастями, лопасти изготовлены с расширением в конце в виде ласточкиного крыла (рисунок 44);

 

 

Рисунок 42 – Модель ВЭУ № 1

 

 

Рисунок 43 – Модель ВЭУ № 2

 

Рисунок 44 – Модель ВЭУ № 3

 

Изучение аэродинамических параметров вихревой ветроустановки проводилось в натурных условиях на различных моделях. Для проведения экспериментов была сконструирована специальное устройство, которое позволяет крепить модели ВВЭУ к автомобилю (рисунок 45). Опыты проводились для определения зависимости скорости вращения ветроколеса от скорости набегающего воздушного потока. Для определения эффективности работы ветроустановки проводилось следующее:

 

- Замерялись параметры при различных скоростях в определённых точках на входе в ветроколесо и на вытяжной трубе (рисунок 46);

 

- Замерялись обороты ВВЭУ при различных скоростях.

 

 

 

Рисунок 45 – Проведение экспериментов

 

 

а) Точки замера на входе в ветроколесо б) Точки замера в трубе

 

Рисунок 46 - Размещение точек замера скорости потока:

 

При измерении скорости потока использовались специальные приборы заводского изготовления: прибор комбинированный «ТКА-ПКМ»(52); термоанемометр – 2шт; прибор АНЕМОМЕТР UNI-T UT361. Для измерения оборотов ветроколеса ВВЭУ - измеритель числа оборотов UT-371.

Как показали эксперименты, неравномерная подача воздуха на лопасти ветроколеса не приводит к нестабильному режиму ветротурбины и в случае подачи воздуха в два канала концентратора повысились обороты ветроколеса почти в 1,5 раза.

Для определения влияния верхней трубы на работу ветротурбины проводились эксперименты на установке без верхней трубы. Опыты были направлены на определение зависимости вращения ветроколеса от скорости подводящего воздушного потока. При этом подвод воздуха осуществлялся на два канала концентратора.

Как и в предыдущих случаях скорость подаваемого воздуха менялась и фиксировались обороты ветротурбины.

При скорости ветра 3 м/с вращение ветроколеса достигло 27 оборотов в минуту за 3 минуты. При величине скорости набегающего потока 5м/с обороты ветроколеса в течении 3 минут достигают до 43 оборотов в минуту. При скорости ветра 8 м/с обороты составили 52 об/мин, а при достижении величины скорости 10 м/с вращение ветроколеса составила 55 об/мин. Зависимость вращения ветроколеса от скорости набегающего потока показана на рисунке 47.

Из рисунка 47 видно, что общая картина сохраняется, но и падение оборотов ветротурбины составляет от 13 до 22%. Это говорит о том, что наличие верхней трубы в данной конструкции играет очень важную роль – создает устойчивое вихревое движение вдоль центральной оси ветротурбины.

Другим важным обстоятельством является наличие шума, созданный вращением ветроколеса. Как и в предыдущем случае были проведены измерения скорости потока по периметру концентратора, чтобы определить движение воздуха по другим каналам концентратора. Вне концентратора движение воздуха не происходит. При измерении величины скорости внутри криволинейных каналов скорость исходящего потока из концентратора составила 1,2-1,5 м/с. В этом случае воздух не всасывается в концентратор, а наоборот вытекает из него, что говорит о наличии сопротивления на выходе из верхнего конуса концентратора. Таким образом, вытяжная труба снижает сопротивление на выходе из концентратора за счет интенсивной закрутки воздушного потока. Такой вариант не рассматривался при математическом моделировании, поэтому нет расчетных данных для сравнения с результатами опытов. Тем не менее эксперименты показали о необходимости вытяжной трубы для стабилизации режима течения и снижения сопротивления на выходе из конструкции. Этому подтверждением является вытекание воздуха из каналов концентратора со скоростью до 1,5 м/с и потери оборотов на валу ветроколеса до 22%.

 

Рисунок 47 – Зависимость оборотов вращения ветроколеса от скорости потока при подаче воздуха на два канала концентратора при отсутствии верхней трубы ветроустановки

 

После установки трубы на концентратор установки показания сразу поменялись. По каналам концентратора появилась тяга и воздух в каналах двигался при максимальных расходах воздуха до 2 м/с. Обороты ветроколеса резко выросли до 70 оборотов в минуту при скорости воздушного потока в подводящих каналах 10 м/с.

Для оценки эффективности работы вихревой ветротурбины совместим все три зависимости на один график (рисунок 48). На рисунке 43 линия 1 соответствует режиму работы вихревой ветротурбины с подачей воздуха в один канал концентратора. Линия 2 – режим работы вихревой ветротурбины с подачей воздуха в два канала концентратора. Линия 3 – режим работы вихревой ветротурбины с подачей воздуха в два канала концентратора при отсутствии верхней трубы. Как видно из рисунка 10 третья линия проходит между другими линиями и наглядно показывает эффективность работы вихревой ветротурбины при разных режимах. Режим с низкой эффективностью соответствует подаче воздуха в один канал концентратора, высокая эффективность присутствует при подаче воздуха на два канала концентратора. Средняя эффективность соответствует режиму работы установки при подаче воздуха на два канала концентратора, но без верхней трубы. В реальных условиях поток ветра будет поступать не в одну или два канала концентратора, а в три-четыре канала, а при сильно турбулизованном воздушном потоке будут задействованы все каналы ветроагрегата.

 

Линия 1 – режим работы вихревой ветротурбины с подачей воздуха в один канал концентратора; линия 2 – режим работы вихревой ветротурбины с подачей воздуха в два канала концентратора; линия 3 – режим работы вихревой ветротурбины с подачей воздуха в два канала концентратора при отсутствии верхней трубы.

 

Рисунок 48 – Зависимость оборотов вращения ветроколеса от скорости потока при разных режимах работы ветроустановки

 

Для исследования работы вихревой ветротурбины необходимо к нему подсоединить генератор. Для проведения испытаний изучаемой конструкции ветротурбины в последующем будет применяться генератор постоянного тока расчетной мощностью 1 кВт, с частотой вращения ротора 200 оборотов в минуту (рисунок 49).

Для будущих экспериментов было определено, что при скорости воздушного потока 5 м/с в подводящем канале вращение ветроколеса составит около 50 оборотов в минуту. Поэтому передаточное отношение составит 1:4, т.е. радиус шкива ветроколеса будет в четыре раза больше фрикционного колеса генератора. Энергия вращения передается от ветроколеса генератору с помощью ременной передачи. Генератор будет находится снизу вихревой ветротурбины, т.е. его размещение в конструкции снижает центр тяжести всего ветроагрегата. Для исследуемой конструкции обслуживание и ремонт генератора также является не сложной работой, т.к. доступ к генератору очень облегчен, по сравнению с лопастными ветрогенераторами.

При проведении экспериментов были изготовлены несколько вариантов ветротурбин с разными ветроколесами. В виду того, что крепление лопастей ветроколеса на вал и крепление лопастей на вращающийся цилиндр привели к нежелательным результатам, то мы перешли на тот вариант, который стал оптимальным для данной конструкции ветроустановки. В качестве третьего варианта ветроустановки принята модель ветроагрегата с лопастями ветроколеса с более высоким коэффициентом кривизны (рисунок 48). Данная модель рассматривается как окончательная к данной работе. В приложении имеется видеоматериал по проведению экспериментов на экспериментальной модели на 1 кВт при средней скорости воздушного потока 5 м/с без установки генератора.

 

 

 

Рисунок 48 – Экспериментальная модель на 1 кВт при средней скорости воздушного потока 5 м/с без установки генератора

 

Для натурных исследований необходимо изготовить экспериментальную модель более крупного размера. Для этого разработаны новые чертежи для изготовления новой модели для будущих натурных опытов. По результатам проведенных экспериментов были получены следующие данные (Таблицы 19-21):

 

Таблица 19 - Результаты экспериментов на модели ВЭУ № 1.

 

 

Таблица 20 - Результаты экспериментов на модели ВЭУ № 2.

 

 

 

Таблица 21 - Результаты экспериментов на модели ВЭУ № 3.

 

Все результаты экспериментов приведены в Приложении А.

5 ПЕРЕДАЧА МАТЕРИАЛОВ В ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОРГАНЫ ДЛЯ ПАТЕНТОВАНИЯ

 

5.1 Материал для подачи заявки на изобретение

В ходе проведения экспериментов с различными моделями ветроустановки с концентратором потока было принято решение по оптимизации лабораторной модели для улучшение его характеристик. Полученные теоретические и экспериментальные результаты по исследованию новой конструкции ветроэнергетической установки (ВЭУ) с концентратором потока позволяют аргументировать новизну разработки, отличительные признаки ВЭУ и обосновать техническое решение, что является основой для подачи заявки на полезную модель (Приложение Г).

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям с вертикальной осью вращения в частности, при создании устройств, преобразующих энергию ветра и солнца в электрическую в системе малой энергетики.

Ветродвигатели с вертикальной осью вращения, использующие аэродинамический режим работы, действуют в вертикальном рабочем потоке. Его формируют либо путем изменения направления ветра, либо организуя восходящий тепловой поток.

Известные ветроустановки, организующие восходящие потоки используют эффект самотяги [14] содержат вытяжную башню, в которую встроено устройство, формирующее эти потоки, ветроколесо и электрический генератор. Само устройство, формирующее вертикальные воздушные потоки, представлено в виде системы воздухозаборников, при этом ветроколесо, расположено в верхнем конце башни.

Для повышения эффективности работы известных установок, в первом техническом решении было использовано вытяжное устройство, расположенное на верху башни, выполненное в виде сегмента чаши определенного радиуса и глубины. Во втором решении - был использован вентилятор, расположенный на оси вытяжной башни. При этом башня представлена в виде двух коаксиальных цилиндров с рабочей зоной между внешним и внутренним цилиндрами, а лопасти ветроколеса расположены вне башни в зоне рабочего потока, выходящего из нее.

Однако вытяжное устройство, выполненное в виде сегмента чаши, является пассивным элементом, воздействующим на рабочий поток, и действует только при наличии ветра. Кроме того, расположение ветроколеса внутри вытяжной башни уменьшает скорость рабочего потока и не позволяет в полной мере использовать воздействие вытяжной башни на увеличение эффективности работы установки.

Во втором случае, при установке на верху вытяжной трубы рабочего колеса в виде вентилятора воздушный поток равномерно действует на все лопасти одновременно, поэтому они испытывают не только положительное давление, но и сопротивление потока при движении лопасти, что сказывается на эффективности работы. Другой отрицательной особенностью является также вертикальное движение потока, что не соответствует природе ветра, которые имеет вектор скорости, направленный горизонтально к вертикально стоящему ветроустановке. Изменение направления ветра требует дополнительных усилий или потери энергии.

Одним из способов повышения эффективности работы ветроагрегатов с вертикальной осью вращения является использование специальных концентраторов (усилителей) воздушного потока.

Так, известная ветроэлектростанция [16] содержит концентратор воздушного потока вертикальную трубу, электрогенератор и ветроколесо. При этом концентратор воздушного потока состоит из нижней и верхней пирамид, соосно-расположенных своими вершинами друг против друга. Пирамиды по их ребрам соединены между собой трапецеидальными стенами, в результате чего между ними образованы сужающиеся от периферии к центру каналы. Между стенами установлены двустворчатые двери с возможностью поворота их в разные стороны и контактирующие с ними пружинные упоры. Грани нижней пирамиды объединены плитой, в центре которой установлен электрогенератор, соединенный вертикальным валом с горизонтальным ветроколесом, размещенным в трубе. Нижняя часть трубы расширена и сопряжена с верхней пирамидой.

Известна также тепловихревая электростанция патент [17], представляющая собой корпус концентратора в виде шатра смонтированного на ребрах жесткости, имеющего по внешнему периметру 2-метровый вход для поступления наружного воздуха и оборудованного системой подогрева воздуха. В нижней части корпуса концентратора установлен дисковый генератор с вертикальным валом. Для усиления тяги по оси шатра расположена полая труба, внутри которой проходит вертикальный вал генератора с закрепленными на нем ветровыми колесами с крыловыми устройствами. Для завихрения воздушного потока в нижней части трубы имеются вертикальные прорези с направляющими лопатками.

Другая известная ветроэлектростанция [18], содержит концентратор потока воздуха в виде шатра, ветроколесо, генератор электротока, инерционный аккумулятор энергии при этом в центре концентратора установлена цилиндрическая вытяжная труба, а внутри шатра соосно с ним - конус с вогнутой поверхностью. Внутренняя поверхность шатра и наружная поверхность конуса соединены между собой перегородками, образующими сужающиеся воздушные каналы, направленные от периферии к центру и снизу вверх в цилиндрическую вытяжную трубу, в которых размещены устройства для сжигания газа или подачи потоков горячего воздуха. В самой трубе размещено ветроколесо на вертикальном валу, передающем вращение от ветроколеса на вал генератора электротока и инерционного аккумулятора энергии. На верхней части перегородок установлены заслонки для перекрытия потока воздуха.

Однако, эффективность работы известных ветростанций достигается путем увеличения объема воздушного потока, воздействующего на лопасти ветроколес. Это оказывает влияние на весогабаритные характеристики устройств в сторону их увеличения и невозможности использования в автономном режиме в системе малой энергетики. Кроме того конструктивные решения данных станций представляются достаточно сложными из - за возможности установок ветроколес в вытяжной трубе, поскольку при этом повышается центр тяжести трубы, что нежелательно из-за возможного ее разрушения под воздействием внешней ветровой нагрузки.

По совокупности сходных существенных признаков наиболее близким к заявляемому техническому решению можно отнести ветроагрегат [19], который включает концентратор, состоящий из шатра и конуса, ветроколесо с лопастями, генератор с вертикальным валом и вытяжную трубу. В концентраторе расположены криволинейные направляющие стенки, соединяющие между собой конус с шатром и образующие криволинейные сужающиеся воздушные каналы, тангенциально направленные от периферии к центру и снизу вверх к вытяжной трубе. По оси шатра расположена вытяжная труба, внутри которой находится генератор с ветроколесом. Ветроколесо выполнено в виде кожуха генератора, на внешней стороне которого установлены криволинейные лопасти. При этом вал генератора неподвижно закреплен одним концом в центре конуса, а другим в верхней части вытяжной трубы. Наружные части шатра и вытяжной трубы окрашены в черный цвет.

К достоинствам известного ветроагрегата относится то, что его конструкция позволяет использовать также и солнечную энергию, способствующей повешению эффективности его работы. Повышение эффективности работы достигается путем увеличения скорости, а не объема воздушного потока, воздействующего на лопасти ветроколеса. Всё это позволяет улучшить весогабаритные характеристики ветроагрегата в целом и использовать его в системе малой энергетики. Однако конструктивное решение данного решения представляется достаточно сложным, приводящим к повышенным затратам при изготовлении агрегата и при ее монтаже на месте эксплуатации. Проблематичным представляется также возможность установки комбинированного вместе с генератором ветроколеса в вытяжной трубе, поскольку при этом повышается центр тяжести трубы, что нежелательно из-за возможного ее разрушения под воздействием внешней ветровой нагрузки.

Задачей настоящей полезной модели является создание ветроагрегата с вертикальной осью вращения, преобразующего энергию ветра и солнца в электрическую для автономного использования в системе малой энергетики.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является и увеличение эффективности работы ветроагрегата и повышения его надежности.

Технический результат достигается тем, что ветроагрегат, содержит генератор тока с вертикальной осью вращения, ветроколесо с криволинейными лопастями, вытяжную трубу с концентратором воздушного потока, представленный в виде размещенного внутри шатра конуса с вогнутой поверхностью, соединенные между собой криволинейными направляющими перегородками, образующие сужающиеся воздушные каналы, тангенциально направленные от периферии шатра к вертикальной вытяжной трубе и лопастям ветроколеса. При этом ветроколесо в виде конического основания с цилиндром по центру с закрепленными на них криволинейными лопастями совмещено с концентратором воздушного потока, таким образом, что выходное отверстие каналов профилируется на лопасть ветроколеса, при этом генератор тока с вертикальной осью вращения, расположен под вогнутой поверхностью конуса концентратора, на одной оси вращения ветроколеса. Наружные части вытяжной трубы и шатра окрашены в черный цвет.

Технический результат - увеличение эффективности работы ветроагрегата достигается путем размещения ветроколеса на уровне концентратора потока. При выходе из сужающихся каналов концентратора воздушный поток достигает максимальной величины и воздействует на криволинейные лопасти ветроколеса. Вращая ветроколесо поток переходит в вихревое состояние, которое стабилизируется в вытяжной трубе. Образование стабильного вихревого движения в отводящей трубе увеличивает его пропускную способность. Таким образом, в отличии от прототипа отводящая труба выполняет роль стабилизатора вихревого течения. Размещение ветроколеса на уровне концентратора позволяет уменьшить размеры лопастей, так как живое сечение потока на выходе из канала совпадает с площадью проекции лопасти на плоскость выходного отверстия канала, а следовательно увеличить рычаг воздействия скоростного напора на ветроколесо. Таким образом, увеличивая скорость потока за счет сужения его поперечного сечения, увеличивается и рычаг действия силы воздушного напора на лопасти за счет предлагаемой конфигурации ветроколеса.

Технический результат - повышение надежности ветроагрегата достигается за счет конструктивных особенностей предлагаемого решения, а именно – совмещения корпуса ветроколеса с основанием концентратора и размещения генератора тока в нижней его части. Это позволяет освободить трубу от нагрузок при вращении ветроколеса и предотвратить возможность ее разрушения под воздействием внешней ветровой нагрузки, а также улучшить условия монтажа, осмотра и ремонта генератора и ветроколеса. Из-за снижения центра тяжести ветроагрегата были улучшены и её весогабаритные характеристики.

Кроме того, повышение надежности ветроагрегата достигается за счет конструкций конических оснований концентратора и ветроколеса. Поскольку воздушный поток имеет тангенциальную составляющую скорости, то лопасти при этом не испытывают его лобового удара и консольного напряжения, даже в случае неравномерного подхода воздушного потока к входным отверстиям каналов концентратора и при изменении его направления. При отсутствии консольного напряжения толщина лопастей может быть очень малой величины, что способствует снижению материалоемкости конструкции, а соответственно и веса.

Сущность полезной модели поясняется чертежами на рисунках 49-51, на которых схематически приведена конструкция предлагаемого ветроагрегата. На рисунке 49 показан вид сбоку, на рисунке 50 показан вертикальный разрез по оси конструкции, на рисунке 51дано сечение по А-А.

 

Рисунок 49 – Ветроагрегат вид сбоку

Рисунок 50 – Ветроагрегат – вертикальный разрез

 

Ветроагрегат включает концентратор потока воздуха 1, ветроколесо 2, генератор 3 с вертикальной осью вращения 4 и вытяжную трубу 5. Концентратор потока 1 состоит из шатра 6, конического основания 7. Между собой шатер 6 и коническое основание 7 соединены посредством криволинейных направляющих стенок 8, образуя при этом криволинейные сужающиеся каналы 9 с выходящими отверстиями 10. Внутри, в центральной части концентратора 1, расположено ветроколесо 2, выполненное в виде конического основания 11, с закрепленными на нем криволинейными лопастями 12 таким образом, что на них профилируются выходное отверстие 10 каналов 9. В центре ветроколеса 2 расположен цилиндр 13, соединенный с криволинейными лопастями 12, на которые тангенциально направлены выходящие отверстия 10 криволинейных сужающихся каналов 9. При этом сечение сужающего канала 9 совпадает с площадью проекции криволинейной лопасти 12 на плоскость выходного отверстия 10 канала 9. Вдоль вертикальной оси вращения 4 сверху над шатром 6 установлена вытяжная труба 5, в центральной части концентратора 1 размещено ветроколесо 2, а снизу под коническим основанием 7 - генератор 3. Вертикальная ось вращения ветроколеса 2 с помощью подшипников одним концом закреплена в шатре 6, а другим – снизу концентратора 1, под коническим основанием 7.

Наружные поверхности шатра 6 и вытяжной трубы 5 окрашены в черный цвет. Кривизна направляющих криволинейных стенок 8 и лопастей 12, задана логарифмической зависимостью.

 

Рисунок 51 – Ветроагрегат - разрез по сечению А-А

 

Устройство работает следующим образом.

Поток воздуха поступает в концентратор 1 и движется между шатром 6 и коническим основанием 7 вдоль криволинейных направляющих стенок 8 криволинейного сужающегося канала 9. Под воздействием солнечной энергии шатер 6 и вытяжная труба 5 нагреваются, повышая тем самым температуру воздушного потока, который устремляется по спирали к центру. Его скорость увеличивается за счет повышения температуры и уменьшения живого сечения. Поток воздуха, проходя через выходные отверстия 10 каналов 9, тангенциально входит в ветроколесо, образуя вихревое движение. При этом вихревой воздушный поток оказывает гидродинамическое давление только на одну сторону криволинейных лопастей 12. Далее энергия вихревого движения потока воздуха передается на криволинейные лопасти 12 всего ветроколеса 2, включая коническое основание 11 и цилиндр 13, которые вращаясь, передают крутящий момент генератору 3, преобразующего механическую энергию вращения в электрическую.

Таким образом, предлагаемая конструкция ветроагрегата, преобразующего энергию ветра и солнца в электрическую может быть использована в системе малой энергетики. Эффективность и надежность данной конструкции проявляются особенно для удаленных мест, где невозможна подача электроэнергии обычным способом. Предлагаемое решение позволяет увеличить мощность агрегата за счет размещения ветроколеса на уровне концентратора потока и стабилизации вихревого потока.

 

5.2 Формула полезной модели

1. Ветроагрегат, содержащий генератор тока с вертикальной осью вращения, ветроколесо с криволинейными лопастями, вытяжную трубу с концентратором воздушного потока, представленного в виде размещенного внутри шатра конуса с вогнутой поверхностью, соединенных между собой криволинейными направляющими перегородками, образующими сужающиеся воздушные каналы, тангенциально направленные от периферии шатра к лопастям ветроколеса, отличающийся тем, что ветроколесо в виде конического основания с цилиндром по центру с закрепленными на них криволинейными лопастями совмещено с концентратором воздушного потока таким образом, что выходное отверстие каналов профилируется на лопасть ветроколеса, при этом генератор тока с вертикальной осью вращения, расположен под вогнутой поверхностью конуса концентратора, на одной оси вращения ветроколеса,

2. Ветроагрегат по п.1 отличающийся тем, что наружные части вытяжной трубы и шатра окрашены в черный цвет.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. К середине 1990-х мощность ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем (почти 90 процентов их были произведены в Европе), в мире, по данным американской ветроэнергетической ассоциации (AWEA), превысила 6000 МВт. Цифра невелика, но достаточна для того, чтобы говорить, что ветроэнергетика выделилась как самостоятельный энергоисточник наряду с гидро-, атомной и тепловой энергетикой.

2. Ежегодный прирост производства электроэнергии ветровыми установками составляет 20-30%, в то время как прирост в атомной энергетике - менее 1% ежегодно. Из 110000 объектов электроэнергетики Европейского Союза 20% составляют объекты ветроэнергетики.

3. Рассмотрены различные методы расчетов ветровых характеристик ветровых энергетических установок. В результате анализа и уточнённого расчета ветровых установок и их параметров был разработан методический материал применительно к расчету вихревых ветровых установок. Результаты этого расчета позволили определить конструктивные параметры опытного образца ветротурбины. Мы получили достаточные результаты по мощности по формуле

4. Опыты проводились на трех моделях ВЭУ в натурных условиях.

5. Опытные данные изучались в сравнении с результатами расчетов, что позволило получить оптимальные размеры конструкции ВЭУ.

6. В ходе проведения экспериментов была выбрана оптимальная конструкция ВВЭУ с концентратором потока это модель ВЭУ №1 – дугообразные лопасти ветроколеса были прикреплены на коническую ось вращения.

7. На основе проведенного анализа по результатам экспериментов выбрана модель ВВЭУ №1 и принята как основа к разработке опытной модели ВВЭУ с концентратором потока. Также опыты показали, что увеличение количества каналов концентратора показывает более высокую выработку энергии. Важным моментом является вход струи под некоторым уклоном. Наиболее оптимальным углом наклона дна и конуса ветроколеса является 30°.

8. Моделируя различные варианты размеров ветротурбины, выбрали следующие размеры: диаметр и высота концентратора 2000 мм и 2175 мм, высота конуса 1825 мм, диаметр ветроколеса 1400 мм, вытяжная труба высотой 2900мм и диаметром в ссужающей части 1000 мм и в основной 1400мм, кривизна поверхности лопасти и направляющих стенок криволинейных каналов – согласно расчетных данных.

9. Оптимальными параметрами скорости ветра для этой конструкции являются V=5-10 м/с, при которых мощность ветростанции составляет 1-3 кВт.

10. В ходе проведения экспериментов с различными моделями ветроустановки с концентратором потока было принято решение по оптимизации лабораторной модели для улучшение его характеристик.

11. Полученные теоретические и экспериментальные результаты по исследованию новой конструкции ветроэнергетической установки (ВЭУ) с концентратором потока позволяют аргументировать новизну разработки, отличительные признаки ВЭУ и обосновать техническое решение, что является основой для подачи заявки на полезную модель.

12. Была подана заявка на полезную модель (Приложение Г).

 





sdamzavas.net - 2018 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...