CC BY
28ИСПОЛЬЗОВАНИЕ 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: [email protected]
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: [email protected]
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 электрогенератора, зависит от частоты вращения по закону, приведенному на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость мощности электрогенератора от частоты вращения Fig. 3. Alternator power regarding to RPM
Рис. 5 и 6 отображают в разных масштабах зависимость аэродинамической мощности от скорости ветра при оптимальной скорости вращения. В связи с тем, что эта ВЭУ не имеет ограничений по скорости вращения и работает только на аккумулирующую систему, в системе управления необходимо предусмотреть защиту от перезаряда аккумуляторной батареи и от превышения максимального входного напряжения при ураганных ветрах.
Рис. 5. Зависимость аэродинамической мощности от скорости ветра при максимальном КИЭВ Fig. 5. Aerodynamic power regarding to wind speed at maximal efficiency
Такая зависимость обеспечивает устойчивое вращение ротора ВЭУ и не приводит к его самопроизвольной остановке в рабочем диапазоне скоростей ветра.
Исследования зависимости частоты вращения от скорости ветра, при которой реализуется максимальное значение коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ), проведены на базе математических моделей. Это практически прямая линия (рис. 4). Из-за малых размеров ВЭУ скорость вращения ее ветро-колеса относительно высока.
Рис. 4. Зависимость оптимальной скорости вращения от скорости ветра Fig. 4. Optimal RPM regarding to wind speed
Рис. 6. Зависимость аэродинамической мощности от частоты вращения при максимальном значении КИЭВ Fig. 6. Aerodynamic power regarding to RPM at maximal efficiency
В процессе формирования облика ВЭУ были проведены патентные исследования с целью обоснования выбора оптимальной конструкции и элементной базы ВЭУ и системы управления. Данными исследованиями было установлено, что выбранная конструкция является наиболее выгодной для использования в составе автономных источников освещения по следующим причинам:
- независимость работы ВЭУ от направления ветра;
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
- самостарт при низких (до 2 м/с) скоростях ветра;
- компактность конструкции;
- низкий уровень вибраций и шума за счет отсутствия мультипликатора.
В процессе выбора конструкции генератора принято решение об использовании синхронного генератора переменного тока на постоянных магнитах с аксиальным зазором и большим количеством полюсов. Разработанная оптимизационная программа показала неоспоримое преимущество данной конструкции перед другими вариантами касательно тепловых расчетов, миниатюризации конструкции, способа передачи вращающегося момента и повышенного КПД без использования мультипликатора.
Для преобразования и регулирования мощности, отбираемой от регулятора, в системе управления должен использоваться контроллер заряда. Питание контроллера осуществляется от генератора ВЭУ. При недостаточном напряжении, вырабатываемом генератором ВЭУ, питание контроллера осуществляется от АКБ, подключенной к выходу устройства. Если генератор не обеспечивает необходимого напряжения (мощности) и батарея разряжена, то контроллер приостанавливает свою работу и автоматически возобновляет ее при появлении достаточного напряжения от генератора либо АКБ.
В процессе работы контроллер должен стремиться поддерживать напряжение выхода, исходя из условия обеспечения номинального зарядного тока аккумуляторов. При этом напряжение на выходе контроллера не должно превышать максимально допустимого для аккумуляторной батареи, а мощность, снимаемая с генератора, не должна превышать значения, определяемого специальным алгоритмом отбора мощности.
Аккумуляторная батарея накапливает в себе энергию, получаемую от контроллера заряда, и должна обеспечивать непрерывную работу в течение 6 часов минимум. При потребляемой мощности осветителя 100 Вт и напряжении 24 В требуемая емкость батареи должна составлять не менее 55 Ач.
Осветитель ВЭУ предназначен для освещения улиц, дорог, площадей, дворов и т.д. За счет использования полупроводниковых источников света (све-тодиодов) у светильника отсутствует стробоскопический эффект, сила света стабильна при колебаниях напряжения. Время выхода на рабочий режим - не более 1 с. Корпус выполнен из оцинкованного металла со стеклом из оптического поликарбоната.
ВЭУ разработана для условий автоматического круглосуточного функционирования с необходимыми остановками для проведения профилактических работ.
Список литературы
1. Безруких П.П. Использование энергии ветра. М.: Колос, 2008.
2. Лятхер В.М. Развитие ветроэнергетики // Малая энергетика. 2006. № 1-2 (4-5). С. 18-38.
3. Концепция использования ветровой энергии в России. Комитет Российского Союза научных и инженерных общественных организаций по проблемам использования возобновляемых источников энергии / Под ред. П.П. Безруких. М.: Книга-Пента, 2005.
4. Технические условия на безопасность ветросиловых установок / Компания «Германишер Ллойд».
5. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс, 2001.
6. ANSYS CFX Release 10.0 documentation. 2006.
