Концентраторы потока ветровых энергоустановок и обоснование их параметров

В настоящее время важным направление дальнейшего развития энергетики является более широкое применение энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии. Одним из перспективных видов возобновляемой энергии является ветровая энергия.

В Российской Федерации разработаны предложения по первоочередному освоению ветровой энергии для районов побережья Северных морей, особенно Кольского полуострова, прибрежной полосы Северного Ледовитого и Тихого океанов, побережья и острова Балтийского моря, побережья Каспия, Юг Приморского 'края и некоторых других, в которых среднегодовые скорости ветра превышают величину 6 м/с. В связи с этим, важное народнохозяйственное значение приобретают научные разработки, направленные на вовлечение этого потенциала для полезного использования его различными потребителями.

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) существуют в окружающей среде постоянно. Потенциал их огромен, однако доля их в балансе энергопотребления составляет всего 10 -14%. На развитие энергетики с использованием ВИЭ направлена принятая государственная научно-техническая программа «Экологически чистая энергетика».

Регионы России, в том числе Самарская область, принимают активные меры по решению проблемы энергетической направленности. Об этом свидетельствуют комплексные меры по анализу, обобщению и выявлению конкретных площадок размещения энергоустановок на базе ВИЭ. Например, в Самарской области действует Постановление Администрации №-745 от 18.05.94 г. «О проведении политики энергосбережения», разрабатываются энергетические стратегии области и т. п.

Как уже отмечалось, из всех известных ВИЭ на современном этапе весьма целесообразно использовать ветровую и низкопотенциальную гидравлическую энергию. Часто эти источники называют нетрадиционными (НВИЭ). На их применении основана работа ветровых агрегатов (ВЭА) и малых гидроэлектрических станций (ГЭС).

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод о большой перспективности и высокой актуальности исследований возможностей широкого применения ветровой энергии в районах со средним ветропотенциалом, к которым относятся Центральные и Поволжские районы страны. Однако в настоящее время существует ряд причин, препятствующих широкому использованию энергоустановок, работающих на основе возобновляемых источниках энергии, и в частности ВЭУ. К этим причинам можно отнести: низкую удельную плотность воздушного потокасущественную зависимость величины энергии ветрового потока от природных условий, что обусловлено периодами ветровых затиший различной продолжительностинедостаточную разработанность методов по обоснованию эффективности энергоустановок подобного рода, оптимизации и выбора их основных параметров.

Во многом эффективность работы ветровых энергоустановок зависит от их конструкции и параметров основных элементов.

Общей характерной особенностью энергоустановок работающих на основе возобновляемых источниках энергии является то, что для организованного подвода и отвода водного (воздушного) потока к рабочему колесу и от него используются различного типа потоконаправляющие устройства или концентраторы потока. Концентраторы потока представляют собой конфузорные или диффузорные устройства, устанавливаемые в непосредственной близости от рабочего колеса энергоустановки. В результате их действия повышается скорость потока в зоне колеса и, следовательно, коэффициент использования энергии потока. Повышение скорости потока обеспечивает также увеличение мощности агрегата и выработки электроэнергии.

В гидроэнергетических установках, таких как ГЭС, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), насосные станции (НС) потоконаправляющими устройствами являются водоприемно-водовыпускные сооружения, турбинные камеры, отсасывающие (всасывающие) трубы, лопатки направляющего (выправляющего) аппарата, лопасти рабочего колеса, стабилизаторы, пазы, отводы, водовыпуски, бычки, направляющие полки (плоскости) и др. Для ВЭА такими элементами являются лопасти ветроколеса, обтекатель, гондола и башня, на которой установлено ветроколесо, а также концентраторы и различного типа направляющие ветрового потока.

В последнее время разработано большое количество предложений по применению в' конструкциях ВЭА дополнительных устройств (концентраторов потока, потокоформирующих элементов), призванных повысить эффективность использования ветровой энергии. Однако отсутствуют данные о влиянии концентраторов потока на основные энергетические характеристики ветровых энергоустановок, а так же не достаточно разработаны методики, позволяющие выбрать оптимальные параметры этих устройств.

Таким образом, актуальным являются исследования возможностей применения концентраторов потока для повышения эффективности ветровых энергоустановок применительно к районам со средним и малым ветропотенциалом. При этом наиболее целесообразно использовать концентраторы потока с оптимальными параметрами.

Цель диссертационной работы — исследования концентраторов потока ветровых энергоустановок для повышения эффективности их работы в районах со средним и малым ветропотенциалом и разработка методики обоснования основных параметров концентраторов.

Для решения основной цели работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ конструктивных решений и методов исследований концентраторов потока ветровых энергоустановок;

2. Разработка новых конструктивных решений, совершенствующих концентраторы потока ветровых энергоустановок и повышающих эффективность их работы;

3. Выявление влияния параметров концентратора на характеристики потока в зоне расположения рабочего колеса ветровых энергоустановок, путем проведения экспериментальных исследований перспективных моделей;

4. Разработка методики выбора основных параметров концентратора потока ветровых энергоустановок;

5. Выявление эффективности ветровых энергоустановок, использующих оптимизированные параметры концентратора потока в районах со средним и малым ветропотенциалом.

Методы исследований. При решении поставленных в работе задач по изучению влияния параметров концентратора потока использовались теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования выполнялись на основе методов гидродинамики и аэростатики с использованием математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись на специально созданной модели. При обработке экспериментальных данных применялись методы теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработана классификация концентраторов потока энергетических установок, работающих на основе возобновляемых источников энергииразработано новое конструктивное решение концентратора потока ветровой энергоустановки, обеспечивающее повышение эффективности ее работыполучены, на основе модельных исследований, данные о влиянии параметров концентратора на характеристики потока в зоне размещения рабочего колеса ветровой энергоустановкиразработана методика выбора основных параметров концентраторов потока ветровых энергоустановок.

Личный вклад автора заключается в разработке новых технических решений концентраторов потока, направленных на повышение эффективности работы ветроэнергетических установок. Разработана методика выбора параметров концентраторов потока ВЭА, на основе которой проведены сопоставительные расчеты ВЭА малой мощности с концентратором потока и без него. Разработана классификация концентраторов потока энергоустановок.

Приведенные в диссертационной работе результаты исследований были получены при разработке и решении задач по отдельным темам, заданиям и проблемам, в которых автор принимал участие в качестве соисполнителя и ответственного исполнителя.

Практическая ценность работы состоит в обосновании перспективности использования ветровых энергоустановок в районах с малым и средним ветропотенциаломреализации разработанной методики выбора параметров концентраторов потока в расчетах энерго-экономической эффективности ветровых установокрезультаты исследований могут быть использованы при разработки практических рекомендаций по обоснованию основных параметров гидравлических энергоустановок, использующих энергию течения.

Использование разработанных технических средств, методов и рекомендаций автора по тематике исследований позволит обеспечить повышение конкурентоспособности энергоустановок на основе возобновляемой энергии и, тем самым улучшить экологическую обстановку в районах не относящихся к первоочередным по освоению ветровой энергии.

Реализация работы. Результаты исследований внедрены в разделах инвестиционного проекта ветроэлектростанции малой мощности в городе.

Похвистнево Самарской области. Результаты использованы ОАО «Волгаэнергопроект-Самара» при уточнении пропускной способности временного водовода через сооружения Ириклинской ГЭС, а также шлюзарегулятора буферного гидроузла на реке Урал. Новые технические решения по элементам проточного тракта гидроэнергетических установок, приведенные в диссертационной работе приняты к рассмотрению и реализации при усовершенствовании водопроводящего тракта на ОАО «Жигулевская ГЭС». Кроме этого, результаты работы использованы при чтении лекций и проведении практических занятий со студентами 4 и 5 курсов специальностей 290 400 — Гидротехническое строительство, 330 200 — Инженерная защита окружающей ' среды по дисциплинам «Использование возобновляемых источников энергии» и «Нетрадиционные источники энергии», а также при подготовке методических указаний по указанным курсам, в дипломном проектировании и выполнении курсового проектирования.

Соответствующие акты и справки имеются.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на областных, вузовских, российских и международных научно-технических конференциях, симпозиумах и совещаниях. Среди них следующие:

— научно-практическая конференция аспирантов, молодых ученых РАН и высшей школы «Социально-экономическое развитие и экологическая безопасность регионов России (на примере Северо-Запада)» (Санкт-Петербург, 1998 г., 2000 г.);

30-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов с участием представителей проектных, строительных и производственных организаций (Пенза, 1999 г.);

— VI и VIII Международные конгрессы «Экология и здоровье человека» (Самара, 1999 г., 2002 г.);

Международная научно-техническая конференция «Технология энергосбережения, строительство и эксплуатация инженерных систем» (С.Петербург, 2000 г.);

— 57-я научно-техническая конференция, посвященная 70-летию НГАСУ (Новосибирск, 2000 г.);

— IV Международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (Москва, 2000 г.);

— V, VIII Международный конгресс «Окружающая среда для нас и будущих поколений: экология, бизнес и экологическое образование» (Самара-Астрахань, 2000 г., 2003 г.);

— Международная научно-техническая конференция «Научные проблемы нетрадиционной возобновляемой энергетики» (Самара, 2000 г.);

— Всероссийское Совещание гидроэнергетиков по вопросам повышения эффективности строительства и эксплуатации гидроэнергетических объектов (Самара, 2000 г.);

— Международная научно-техническая конференция «Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов» (Вологда, 2001 г.).

— Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» (Самара, 2002 г.);

— Международная научно-техническая конференция «Гидротехника и гидроэнергетика: проблемы строительства, эксплуатации, экологии и подготовки специалистов» (Самара-Волгоград, 2002 г.);

— 55, 56, 57, 58, 59, 60 и 61-я научно-технические конференции (Самара, 1998;2004 гг.).

Публикации. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 25 работах, включая 3 патента на изобретение. По результатам исследований выпущено 3 отчета о НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 98 страниц печатного текста, 38 рисунков и 3 таблицы.

4.8. Выводы по главе.

Таким образом, выполненные экспериментальные исследования по влиянию параметров концентратора конфузорного, диффузорного и комбинированного типа на скорости потока в зоне рабочего колеса позволили сформулировать следующие выводы:

1. Скорость потока в зоне рабочего колеса определяется скоростью потока F0 вне зоны размещения энергоустановки и, как показали исследования, зависит от геометрических параметров концентратора потока, таких как углы раструбности, а и р соответственно входной конфузорной и выходной диффузорной частей концентратора энергоустановки и L длины концентратора. Зависимость эта получена в результате обработки экспериментальных данных.

2. При расчетной скорости потока вне зоны расположения концентратора У0 наибольшее увеличение скорости потока наблюдается в концентраторах конфузорного типа, нежели в концентраторах диффузорного типа, причем увеличение градиента V зависит от увеличения относительной длины и угла раструбности конфузора. Кроме этого, конфузор оказывает большое влияние чем диффузор на рабочую среду, в которой располагаетсяпо результатам исследований ширины рабочего потока он обеспечивает большее поступление проходящего потока в концентратор, что сказывается на увеличении скорости потока и, как следствие, повышение мощности и эффективности работы энергоустановок, использующих концентраторы конфузорного типа.

3. Сопоставляя результаты исследований концентраторов конфузорного и комбинированного типа можно заключить, что комбинированные концентраторы потока более эффективны. Скорости потока в зоне рабочего колеса концентратора комбинированного типа выше, чем в конфузорном концентраторе, причем увеличение скорости происходит, когда угол раструбности выходного диффузора комбинированного концентратора т находится в пределах, а = 10°-г12°. Наибольшее увеличение скорости в зоне рабочего колеса концентратора комбинированного типа по отношению зоны вне концентратора достигается более чем в 6,1 раза.

4. Практически результаты исследований целесообразно использовать в оптимизационных расчетах по определению основных параметров концентратора для конкретных местных условий с конкретной средней скоростью потока. Результаты могут быть использованы при разработки и усовершенствовании конструкций ветроэнергоустановок. За счет результатов исследований возможно определять значения углов раструбности концентратора, которые необходимо установить для обеспечения расчетной скорости потока, при которой будет развиваться номинальная мощность энергоустановки, например, ветроагрегата. Кроме этого, полученные графики можно использовать для энергоустановок с концентратором переменной раструбности для определения его оптимального угла при изменении скорости потока вне концентратора.

5. Выполненные сопоставительные расчеты по эффективности работы ВЭА с концентратором потока и без него на основе разработанной методики энерго-экономической оптимизации параметров и математической модели агрегата с концентратором потока для условий Самарской области, позволяют заключить следующее. Использование концентраторов ветрового потока для ВЭА весьма существенно повышает скорость ветра в зоне размещения ветроколеса. Такие устройства позволят значительно увеличить выработку электроэнергии ВЭА и обеспечить их эффективную работу. Особенно важно применение концентраторов в районах, таких как Самарская область, не относящихся к первоочередным по освоению ветровой энергии, где среднегодовые скорости менее 5 м/с. Расчеты показали, что при использовании концентраторов потока можно обеспечить увеличение выработки электроэнергии на ВЭУ малой мощности более чем в 6 раз. Более широкое использование ВЭА в этих регионах уменьшит загрязнение природной среды за счет вытеснения энергоустановок, работающих на органическом топливе. 0.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам проведенной работы можно сформулировать следующие выводы.

1. В результате анализа целесообразности использования ветровых энергоустановок показано, что обеспечение их эффективной работы в районах со средним и малым ветропотенциалом возможно за счет применения концентраторов потока.

2. Разработана классификация концентраторов потока энергоустановок, использующих энергию течения, которая дает возможность более полно систематизировать все разнообразие концентраторов потока и облегчить выбор их типа для конкретных условий.

3. Разработаны новые перспективные технические решения по конструкциям наиболее важных элементов энергоустановок, использующих энергию течения потока, которые защищены патентами на изобретения. Эти технические решения дают возможность повысить эффективность работы энергоустановок. Новое техническое решение применительно к ВЭУ открывает возможность более широкого использования ветровых энергоустановок в районах со средним и малым ветропотенциалом, в частности, в Среднем Поволжье.

4. Проведенные экспериментальные исследования выявили влияние параметров концентраторов конфузорного, диффузорного и комбинированного типов на характеристики потока в зоне размещения рабочего колеса. В частности, при применении концентратора конфузорного типа относительной длины Г = 3, скорость потока в зоне рабочего колеса повышается в 1,5 — 2,0 раза (при изменении угла раструбности /7 от 15° до 35°). Полученные данные позволяют определять мощность и выработку электроэнергии для различных типов ветровых энергоустановок в конкретных местных условиях.

5. Разработана методика выбора основных параметров концентраторов потока ветровых энергоустановок и алгоритм ее реализации.

6. Проведены сопоставительные расчеты по определению эффективности работы ветровых энергоустановок малой мощности с концентратором потока и без него. Расчеты подтвердили, что ВЭУ малой мощности оказываются эффективнее при применении концентраторов потока с оптимальными параметрами.