Вдосконалена енергоефективна вітроенергетична установка

Реферат: Вдосконалена енергоефективна вітроенергетична установка включає вітродвигун з лопатями, муфту, редуктор, електрогенератор, підшипники. Для комплексної реалізації підвищення коефіцієнта корисної дії і потужності ВЕУ, лопаті ланінаризовано, лопаті виконані з композитних матеріалів та мають тонке покриття. Поверхня лопатей являє собою систему повздовжніх мікроборозен (риблет). Як підшипники використовують активні магнітні підвіси. UA 114222 U (12) UA 114222 U UA 114222 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до альтернативної енергетики, в якій використовується енергія вітру, і може бути застосована для виробництва електроенергії. Вітроенергетичні установки різної потужності на сьогодні досягли значного поширення та розвитку в США, Канаді, Китаї, Німеччині, Великобританії, Росії та в інших країнах. Найбільш поширені трилопатеві вітроенергетичні установки (ВЕУ) з горизонтальним компонуванням вітродвигуна та електрогенератора. Коефіцієнт використання енергії вітру у ВЕУ обмежений критерієм Бетца, рівним 0,59, а в межах зазначеного критерію, коефіцієнт корисної дії ВЕУ досягає значення 60 %. (Дедюк Д.П., Мазепа С.С., Гнатишин Я.М. Нетрадиційна енергетика: основи теорії і задачі. Видавн. „Магнолія 2006". - Львів. - 2008. – 188 с). Фізичний процес перетворення енергії вітру в електроенергію в ВЕУ пов'язаний з аеродинамікою лопатей, характеристиками вітру (швидкості вітру, турбулентністю, профілем швидкості вітрового потоку в приземній атмосфері), характеристиками вітроколеса (горизонтальне чи вертикальне компонування, кількість лопатей і їх аеродинамічних властивостей, тип підшипників), з формуванням механічної енергії обертального руху і перетворення її в електроенергію за допомогою електрогенератора. Різноманітні переваги та особливості функціонування ВЕУ приведені, наприклад, в книзі Р. Тітко, В. Калініченко. "Відновлювані джерела енергії". - Варшава-Краків-Полтава. - 2010. - 533 с). Оптимальна середня швидкість вітру для ефективного використання становить 4÷25 м/с. Вітроенергетичний потенціал різних територій України характеризується середньорічними швидкостями вітру на рівні 7÷8,5 м/с на континенті - на висотах 100 м, на акваторіях – 50 м, що дозволяє використовувати вітротехніку мегаватного класу потужності з річним коефіцієнтом використання потужності на рівні 0,3÷0,4, тобто досить ефективно. Зростання швидкості вітру на 10 % (з 5,26 м/с до 5,8 м/с) знижує собівартість виробництва електроенергії на 20 % і, навпаки, зниження швидкості вітру на 10 % (до 4,7 м/с) збільшує собівартість на 30 %. Збільшення (або зниження) температури повітря на 15 °C спричиняє зростання (або зниження) кінетичної енергії вітру на 5 %. Вибір місця розташування ВЕУ (класу території) є найефективнішим і найменш витратним способом зменшення собівартості проекту ВЕУ. Високоефективним способом зменшення вартості виробництва енергії є також зміна таких конструктивних параметрів, як діаметр ротора та висота вежі. Зі збільшенням цих параметрів продуктивність ВЕУ підвищується значно більше, ніж інвестиційні та експлуатаційні витрати разом, що підтверджує багаторічна світова тенденція до збільшення розмірів елементів ВЕУ. Необхідно враховувати позапланові простої, що бувають у зимовий період. Місячний простій ВЕУ впродовж року підвищує собівартість виробленої електроенергії приблизно на 10 % і більше. Дві ВЕУ Vestas V-39 по 500 кВт, що встановлені в Польщі, впродовж року виробили сумарно 1,5 ГВт-год. електроенергії. Вартість проекту складає близько 0,5 млн. євро, строк окупності - 4 роки. Має місце відсутність шкідливих викидів (CO x, NOx тa ін.) Ротор ВЕУ на повільнообертовому валу обертається зі швидкістю 15-30 об./хв., а редуктор збільшує швидкість обертання до 1500 об./хв. Як електрогенератор найчастіше застосовують безпосередній привід, змінюючи кількість пар полюсів асинхронної машини або синхронні генератори та інші машини чи схеми. Найближчим аналогом до корисної моделі на ВЕУ може бути сучасна вітрова електростанція фірми Vestas (Schemat instalacij с.о. і c.w.u. dla domu jednorodzinnego wykonany przez biuro projektowe Z500z Warszawy), що приведений у Р. Тітко, В. Калініченко. "Відновлювані джерела енергії". - Варшава-Краків-Полтава. - 2010. – 533 с.). Найважливішим елементом вітроелектростанції ВЕУ є вітрова турбіна найчастіше з трилопатевим ротором, яка перетворює кінетичну енергію вітру в механічну енергію обертального руху, основний підшипник, редуктор для підвищення швидкості обертання до 1500 об./хв., електрогенератор. Вежа є сталевою. Більшість лопатей ВЕУ виконані із металу або скловолокна, підсиленого поліестером. ВЕУ має систему для зміни кута встановлення лопатей ротора (0÷80°), завдяки застосуванню гідравлічного приводу. Мікропроцесорна система керування контролює стан електростанції та отримує дані для розрахунків і управління. Недоліком найближчого аналога і в цілому існуючих ВЕУ є обумовлені відсутністю використання резервів удосконалення, по-перше, аеродинамічних характеристик лопатей, подруге, удосконалення основного підшипника відповідно для підвищення коефіцієнта 1 UA 114222 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 використання кінетичної енергії вітру і для зменшення мінімальної швидкості вітру, яка дорівнює 4-5 м/с, до значно нижчої величини. Ці два напрямки використання резервів удосконалення ВЕУ спрямовані на підвищення коефіцієнта корисної дії і в цілому енергоефективності ВЕУ. Розробка нових засобів по вдосконаленню енергоефективності ВЕУ є важливою науковотехнічною проблемою, розв'язання якої необхідне для розвитку енергетики на відновлюваних енергоресурсах з використанням ВЕУ. В основу корисної моделі поставлена задача створити енергоефективний, енергозберігаючий спосіб вдосконалення аеродинамічних характеристик лопатей вітротурбіни для підвищення ККД ВЕУ і використання підшипників ВЕУ нового типу для зменшення мінімальної допустимої швидкості вітру, значно нижчу 4÷5 м/с. Поставлена задача вирішується тим, що, по-перше, для вдосконалення аеродинамічних характеристик лопатей ВЕУ використовуються експериментальні результати прикладної і фундаментальної аеродинаміки, а для зниження мінімальної швидкості вітру для роботи ВЕУ використовуються як підшипники активні магнітні підвіси, які ефективно працюють у відцентрових компресорах замість підшипників ковзання. Для вдосконалення аеродинамічних характеристик лопатей ВЕУ комплексно застосовуються наступні засоби, що базуються на експериментальних результатах прикладної і фундаментальної аеродинаміки: 1) ламінаризовані профілі лопатей, які застосовуються в авіаційній техніці для зниження опору тертя і в цілому опору літаків, особливо при дозвуковому обтіканні; значення ламінаризованих профілів лопатей ВЕУ полягає в тому, що завдяки особливій геометрії профілю лопатей перехід від ламінарного режиму до турбулентного наступає в кінці поверхні профілю лопатей; це призводить до зниження опору тертя лопатей від 7 7 30 % до 50 % для чисел Рейнольдса Re=2·10 ÷3·10 в порівнянні з чисто турбулентним режимом обтікання лопатей для прототипу і діючими ВЕУ, а також підвищує ККД вітроколеса і в цілому ВЕУ; інформація про ламінаризовані профілі для авіаційної техніки міститься в монографії: Г. Шлихтинг "Теория пограничного слоя". -М.: Наука. - 1969. – 742 с. 2) використовуються тонкі покриття, які пружно деформуються, поверхні лопатей ВЕУ при їх турбулентній обтічності, що призводить до зниження генерації турбулентності на обтічній поверхні і зменшення опору тертя в пристінному пограничному шарі; в роботі В.І. Корнілова, A.M. Павлюченка, А.В. Соболева "Вплив в'язкопружного покриття на опір тертя плоскої пластини у потоці повітря". (Ж. "Теплофізика та аеромеханіка".- 2004. - Т.11. - № 3. - С. 417-427) приведені результати фундаментального експерименту в малотурбулентній аеродинамічній трубі ППМ Сибірського відділення РАН (Новосибірськ) з використанням різноманітних сучасних методів діагностики турбулентної пристінної течії (термоанемометра, методу Престона та ін.), в яких показано, що при наявності тонкого покриття поверхні, що пружно деформується, опір тертя знизився на 7 %, і має практичне значення для підвищення аеродинамічної ефективності лопатей ВЕУ і потужності ВЕУ; 3) використання риблет на поверхні лопатей при наявності турбулентного режиму течії на їх поверхні, а також ламінарно-турбулентного режиму течії; риблети являють собою систему поздовжніх мікроборозен різноманітної форми на обтічній поверхні; серед різноманітних можливих конфігурацій оптимальними визнані U- та V-подібні форми риблет з глибиною в межах товщини в'язкого тонкого підшарку на обтічній поверхні в межах 1-3 % від товщини турбулентного пристінного пограничного шару, який не стискається; фізичне обґрунтування використання риблет для зниження опору тертя при турбулентному режимі обтічності поверхні, а також при наявності ламінарно-турбулентного режиму обтічності наведено в монографії А.В. Бойко, Г.Р. Грека, А.В. Довгаля, В.В. Козлова "Возникновение турбулентности в пристенных течениях".- Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН. 1999. – 327 с; в цій монографії приведені схеми риблет та різні їх конфігурації, які використовуються в експериментах. В зв'язку з тим, що на поверхні лопатей ВЕУ має місце в основному турбулентний режим у пристінному пограничному шарі, то риблети приведуть до зниження опору тертя; одна з найбільш перевірених гіпотез, теоретично та експериментально пояснюючих зменшення опору тертя при наявності турбулентного режиму обтічної поверхні, полягає в тому, що риблети впливають на когерентні структури пристінного пограничного шару з частковим погашенням генерації турбулентності; питання практичного використання риблет досліджені в ряді робіт (Гудимин И.В. Енютин Г.В. Ким Ю.А. и др. "Экспериментальное исследование совсместного влияния продольного оребрения и разрушителей вихревых структур. - Ученые записки ЦАГИ. - 1989. - Т. 20(5). - С. 8-14; A.M. Savill "Drag reduction by passive devices-a review of some recent developments"/ Structure of Turbulence and Drag Reduction/ Ed. A.Gyr. - Berlin: Springer-Verlag. - 1990. - P. 429÷465; E. Coustols, J. Cousteix. Experimental investigation of turbulent boundary layers manipulated with internal devices: Ribblets/ 2 UA 114222 U 5 10 15 20 25 30 Structure of Turbulence and Drag Reduction/ Ed. A.Gyr. - Berlin: Springer-Verlag. - 1990. - P. 577584; використання риблет на лопатях ВЕУ підвищить їх аеродинамічну ефективність і в цілому ефективність ВЕУ; 4) використання композитних матеріалів для лопатей ВЕУ, що дозволить зменшити як їх вагу з метою зниження експлуатаційних витрат при роботі ВЕУ і спрощення монтажу вітроколеса на вежі ВЕУ, так і підвищити можливість роботи вітроколеса при швидкостях вітру нижче 4 м/с; на сьогодні композиційні матеріали використовуються в літакобудуванні для зменшення ваги літаків, і, як наслідок, підвищення їх корисного навантаження, або при незмінному корисному навантаженні знизити витрату палива за рахунок меншої необхідної потужності авіадвигунів; це підтверджує доцільність застосування композитних матеріалів для лопатей вітроколеса ВЕУ. Для вдосконалення існуючих підшипників аеродвигунів ВЕУ для виключення підшипників ковзання та значного зниження тертя спокою, і, як наслідок, зменшення мінімальної швидкості вітру, необхідної для нормального функціонування вітродвигуна, значно нижче 4 м/с, в корисній моделі використовується активний магнітний підвіс (АМП), що застосовується у відцентрових нагнітачах природного газу. АМП використовується замість підшипників ковзання у відцентрових нагнітачах природного газу потужністю 16 МВт. По оцінках застосування активного магнітного підвісу для підшипників вітродвигуна ВЕУ дозволить функціонувати ВЕУ на швидкостях вітру від 1,5 м/с. Це дозволить розширити зони застосування ВЕУ з відносно малими швидкостями вітру в Україні та за її межами. АМП відцентрових нагнітачів природного газу працює наступним чином. Навколо шийки вала відцентрового нагнітача розташовані котушки з магнітними сердечниками. На котушки подається струм, утворюється магнітне поле, магнітні сили підіймають вал так, що немає його контакту з конструкцією. Має місце складна система автоматизації. Датчики дають сигнал, щоб не було дотику вала до конструкції. Для аварійної або технологічної зупинки відцентрового нагнітача природного газу передбачені шарикопідшипники, на шийки яких опускається вал. Технологію та процеси АМП відцентрового нагнітача природного газу доцільно реалізувати для вітродвигунів ВЕУ. Корисна модель пояснюється кресленням, де зображена принципова схема ВЕУ, яка включає вітродвигун 1, лопаті 2, гондолу 3 з системою управління і автоматизацією ВЕУ, муфту 4, редуктор 5, електрогенератор 6. ВЕУ. Корисна модель працює наступним чином. При дії на лопаті 2 ВЕУ вітрового потоку зі швидкістю вітру W0 (м/с) його потужність дорівнює N0  35 3 2 mW 0 2 (Вт), де m - масова витрата повітря (кг/с), m    Fk  W0 ,  - густина 2 повітря (кг/м ), Fk - площа диску (м ), створеного від обертання колеса, через яку проходить  вітровий потік. Потужність вітру буде N0  0,5   Fk  W 3 0  [Вт]. Потужність потоку вітру, яку   розвиває вітроколесо з лопатями дорівнює NB.K.  c p  N0  N0  0,5 Cp    Fk  W 3 , де C p 0 визначає ефективність використання вітроколесом енергії вітрового потоку і називається коефіцієнтом потужності, причому відомо, що C p  0,35  0,45 . 40 45 Формула крутного моменту вітроколеса з радіусом R , який виникає при взаємодії потоку повітря з лопатями 2 має вигляд Mmax  fmax  R , де fmax  0,5   Fk  W 2 - максимальна сила,  0  що діє на вітроколесо. Крутний момент вітроколеса приводить до обертання вал електродвигуна 1. Редуктор 5 підвищує число обертів валу, зв'язаного з електрогенератором 6, до 1500 об./хв. В електрогенераторі 6 механічна енергія обертання перетворюється в електричну енергію. В гондолі 3 функціонують комп'ютерні системи управління та контролю ВЕУ. Муфта 4 необхідна для взаємодії елементів ВЕУ.   Потужність ВЕУ горизонтального типу N  0,5   Fk  W 3    Г [кВт], де   0,3  0,35 є 0 коефіцієнт використання енергії вітру; Г - ККД електрогенератору 0,875.  50    W3  0  Потужність ВЕУ вертикального типу N  N   i  b  l    Г [кВт], де i - кількість  2    лопатей, b - довжина хорди лопаті; N - відносна потужність, яка залежить від конструкції 3 UA 114222 U 5 10 15 агрегату, відносної швидкості руху лопатей і від аеродинамічних якостей лопатей; l - довжина лопаті. В обидві формули для визначення потужності ВЕУ як горизонтального типу, так і вертикального типу входить коефіцієнт використання енергії вітру -   0,3  0,35 для діючих ВЕУ. В запропонованій корисній моделі на винахід є можливість значно підвищити зазначений коефіцієнт використання енергії вітру при окремому використанні ламінаризованих профілів лопатей вітроколеса, окремого застосування тонких покриттів поверхні лопатей або риблет, що пружно деформуються, при наявності активних магнітних підвісів замість підшипників ковзання, що дозволить підвищити потужність ВЕУ, та його ККД не менше, ніж на 15 %, знизити експлуатаційні витрати. В цілому в корисній моделі подано науково обґрунтований, технічно доцільний і енергоефективний спосіб підвищення енергетичних характеристик ВЕУ, який по ККД і потужності перевершує прототип та діючі ВЕУ при ідентичних умовах функціонування по швидкості потоку повітря і його густині з використанням сучасних наукових і науково-технічних досягнень. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 Вдосконалена енергоефективна вітроенергетична установка, що включає вітродвигун з лопатями, муфту, редуктор, електрогенератор, підшипники, яка відрізняється тим, що для комплексної реалізації підвищення коефіцієнта корисної дії і потужності ВЕУ, лопаті ланінаризовано, лопаті виконані з композитних матеріалів та мають тонке покриття, причому поверхня лопатей являє собою систему повздовжніх мікроборозен (риблет), а як підшипники використовують активні магнітні підвіси. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4