Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
Российская академия сельскохозяйственных наук
Государственное научное учреждение
Всероссийский научно-исследовательский институт
электрификации сельского хозяйства
На правах рукописи
Соломин Евгений Викторович
методологиЯ РазработкИ и СОздания
вертикальноЦосевых
ветроэнергетических установок
Специальность 05.14.08 - энергоустановки
на основе возобновляемых видов энергии
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Москва
2011
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО ЮжноЦУральский государственный университет (Национальный исследовательский университет) на кафедре Электротехника и возобновляемые источники энергии.
Научный консультант - доктор технических наук, профессор
И.М. Кирпичникова.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
П.П. Безруких;
доктор технических наук, профессор
В.В. Елистратов;
доктор технических наук, профессор
Ю.Г. Шакарян.
Ведущее предприятие - Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования Уральский
федеральный университет имени первого
Президента России Б.Н.Ельцина (УрФУ),
г. Екатеринбург.
Защита состоится л_______________2012 г. в ____часов на заседании Диссертационного совета Д 006.037.01 по присуждению учёной степени доктора технических наук при ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РАСХН) по адресу: 109456, Москва, 1Цй Вешняковский проезд, 2. Факс: (499)170Ц51Ц01, EЦmail: viesh@dol.ru. Отзывы на автореферат просим высылать по указанному адресу.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ РАСХН.
Автореферат разослан л___ ____________ 2011 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук А.И. Некрасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Внедрение автономных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в условиях континентального климата может обеспечить полным или частичным энергоснабжением небольшие поселки, жилые объекты, фермы, офисные помещения или малые цеха с целью развития инфраструктуры на удаленных территориях страны. В настоящее время разработка ВЭУ, перспективных для агропромышленного комплекса РФ, основана в целом на ряде инженерных подходов к проектированию отдельных компонентов, что свидетельствует об отсутствии научно обоснованной методологии разработки конструкции ВЭУ как единого целого. Оптимизация параметров установок затруднена в связи с наличием возмущений, вызванных взаимовлиянием компонентов друг на друга. Создание компонентов осуществляется разными производителями, что осложняет их сопряжение и монтаж. Эти факты являются крупной научной проблемой еще и в связи с тем, что вопросы разработки новых недорогих конструкций, а значит, и ускоренного освоения новых территорий решаются чрезвычайно медленно. Кроме того, с ростом энергодефицита и износом генерирующих мощностей централизованное энергообеспечение существующих и вновь возникающих автономных удаленных объектов становится еще более затруднительным.
Решение проблем проектирования оптимальных технологичных конструкций заключается в создании методологии разработки на основе системного научного подхода с применением совокупности методов и внедрении научно обоснованных технических, технологических и экономических решений. Методология позволит структурировать и логически организовать методы и средства оптимального проектирования. Такой подход имеет важное хозяйственное значение, а внедрение обоснованных решений вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее энергонезависимости и обороноспособности.
Ряд уникальных исследований, проведенных известными Российскими учеными в XXЦXXI вв. (В.Н. Андриянов, П.П. Безруких, Д.Н. Быстрицкий, В.Р. Вашкевич, В.П. Ветчинкин, В.И. Виссарионов, Я.Б. Данилевич, Г.И. Денисенко, В.В. Елистратов, Н.Е. Жуковский, Е.И. Куклин, М.В. Кузнецов, В.А. Минин, Г.Х. Сабинин, Е.М. Фатеев, В.В. Харитонов, Я.И. Шефтер, Ю.Г. Шакарян и др.) позволяет утверждать, что данная проблема может быть с успехом решена в России.
Исследования, приведенные в диссертационной работе, трижды поддержаны международными грантами по программам финансирования гражданских научноЦисследовательских работ оборонного комплекса России, осуществляемой Международным научноЦтехническим центром, г. Москва (2004Ц2010 гг.), трижды - Минобрнауки РФ, г. Москва (2009Ц2011 гг.), грантом РФФИ (2011 г.), четыре раза - грантами Администрации г. Челябинска (2009-2011 гг.), а также средствами инвестиционных, инновационных и венчурных проектов в области ветроэнергетики.
Цель работы: создание и реализация методологии разработки вертикальноЦосевых ветроэнергетических установок с дальнейшей оптимизацией, производством компонентов и установок в целом.
Задачи исследований:
- обосновать необходимость методологического подхода к разработке и созданию вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ВО ВЭУ);
- смоделировать и оптимизировать конструкцию ВО ВЭУ покомпонентно с целью получения максимальной выработки энергии;
- разработать технологические процессы изготовления компонентов ВО ВЭУ и методику вибробалансировки;
- провести экспериментальные исследования разработанных ВЭУ, в том числе измерения шума и вибраций;
- обосновать экономические и социальные перспективы массового использования малых ветроэнергетических установок на территории Российской Федерации;
- создать и внедрить семейство малых ВО ВЭУ автономного применения.
Объект исследования: вертикальноЦосевые ветроэнергетические установки с вновь разработанным модифицированным ротором Дарье.
Предмет исследования: эксплуатационные и конструктивные параметры вертикальноЦосевой ветроустановки и ее компонентов с учетом закономерностей их функционирования и наличия разнородных возмущающих факторов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается аргументированностью исходных посылок, вытекающих из основ физики, аэромеханики и электротехники, удовлетворительным совпадением результатов теоретических исследований с результатами экспериментов и опытом эксплуатации.
Научная новизна: разработаны методологические основы создания вертикальноЦосевых ветроэнергетических установок. Научно обоснован системный подход при проектировании и оптимизации ВО ВЭУ с применением совокупности методов. Разработаны математические и физические модели ВО ВЭУ с целью оптимизации их параметров и режимов использования. Установлены закономерности влияния внешних и внутренних силовых воздействий, приводящих к возникновению шума и вибраций, разработана методика снижения уровня вибраций на основе оптимизации параметров ВЭУ в период разработки. Введено аэродинамическое регулирование частоты вращения ротора ВЭУ. Оптимизированы параметры генерирующей системы. Реализован алгоритм регулирования мощности ВЭУ.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Разработан и внедрен в производство ряд технологических процессов изготовления комплектующих, разработана и реализована методика предэксплуатационной статической и динамической балансировки роторов вертикальноЦосевых ВЭУ с целью снижения шума и вибраций.
Создано, испытано, внедрено и находится в опытной и коммерческой эксплуатации более 50 вертикальноЦосевых ветроэнергетических установок (ВО ВЭУ) с 3, 4 и 6Цлопастными роторами мощностью от 0,1 до 30 кВт, предназначенных для работы в широком диапазоне скоростей ветра от 2 м/с до 45 м/с.
Результаты исследований используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЮжноЦУральский государственный университет (г. Челябинск), ФГАОУВПО УрФУ (г. Екатеринбург), Государственном университете Северной Калифорнии (г. Беркли, США), в исследовательских программах Национальной Лаборатории Лоуренс Беркли (г. Беркли, США), в государственных проектах мэрии г. СанЦФранциско (США), мэрии г. Прайя (Кабо Верде) и т.д.
Рекомендации, сформулированные на основе научных положений, результатов и выводов, а также разработанные технологические процессы и методики используются рядом предприятийЦпроизводителей комплектующих (ООО ГРВертикаль, ОАО Государственный Ракетный Центр, КБ им. Макеева, ОАО КумАПП, Empire Magnetics, Inc. (США), WindSail, Inc. (США) и др.).
На базе ООО ГРВертикаль создано опытное производство ВЭУЦ3 (номинальная мощность 3 кВт). За 2009Ц2011 гг. реализовано свыше 20 коммерческих установок, показывающих прогнозируемые результаты.
Внедрение результатов исследований.
В настоящее время в России и за рубежом на различных испытаниях и в опытной эксплуатации находятся следующие модификации разработанных ветроэнергетических установок: ВЭУЦ0.1 (0,1 кВт, 2 шт), ВЭУЦ1 (1 кВт, 4 шт), ВЭУЦ3(4) (3 кВт, 1 шт), ВЭУЦ3(6) (3 кВт, 5 шт), ВЭУЦ5(6) (5 кВт, 1 шт), ВЭУЦ30(6) (30 кВт, 1 шт).
Рекомендации и проекты изменений ряда ГОСТ и стандартов организаций по ветроэнергетике переданы в ЗАО НП - Малой Энергетики, г. Москва.
Положения, выносимые на защиту.
- Методология разработки и создания ВО ВЭУ на основе поэтапной итерационной оптимизации параметров компонентов.
- Общие принципы построения математических моделей компонентов ВЭУ с учетом внешних и внутренних возмущающих факторов.
- Система аэродинамического регулирования ВО ВЭУ.
- Система регулирования мощности ВО ВЭУ.
- Технологические процессы изготовления лопастей и генератора ВО ВЭУ.
- Методика вибробалансировки.
- Семейство ВО ВЭУ с модифицированными роторами Дарье.
- Обоснование экономических и социальных перспектив массового внедрения ВО ВЭУ в экономику Российской Федерации.
Апробация работы: разработки награждены двумя дипломами конкурсов разработчиков РФ, четырьмя дипломами лучших проектов РФ, двумя медалями за участие в региональных международных выставках. Разработки получили положительную оценку на четырех НТС различного уровня, включая областной, региональный и федеральный (Минэнерго РФ, Минобразования РФ), пяти межведомственных и международных совещаний в России, Финляндии, США.
Результаты работы были доложены, рассмотрены и одобрены на 16 научноЦпрактических конференциях регионального, российского и международного уровня, в том числе: на совещании в Министерстве Энергетики РФ о внедрении ВЭУ с водородными накопителями в ряде регионов Российской Федерации, 2009 г.; 21Цом научном форуме Международного научноЦтехнологического центра, г. Пусан, Ю.Корея, 2009 г.; Международном совещании комитета ООН по защите окружающей среды, посвященном развитию Африканских стран, г. Прайя, Кабо Верде, 2010 г.; научной сессии Академии электротехнических наук РФ по проблемам Нетрадиционные и возобновляемые источники электроэнергии, г. Москва, 2010 г.; Международной энергетической конференции Технологическая основа формирования новой энергетики России в Московской школе управления Сколково, г. Москва, 2010 г.; Международном форуме инноваций России, Лаппеенранта, Финляндия, 2010 г.; ежегодных (2007- 2011 г.г.), научных конференциях ЮжноЦУральского государственного университета, г. Челябинск и др.
Соискатель является членом Комитета по проблемам использования ВИЭ РосСНИО (Россия), членом научного совета международного научного журнала Альтернативная энергетика и экология (Россия), консультантом по альтернативным источникам энергии Уэйнского Государственного Университета (Детройт, США), экспертом по возобновляемым источникам энергии Национальной Лаборатории Лоуренс Беркли и Университета Северной Калифорнии (Беркли, США), экспертом Центра Стратегии республики Кабо Верде, экспертом Инновационного центра Сколково, экспертом ОАО НИИЭС (Русгидро), членом редколлегии научноЦтехнической редакции ACTA Press (Калгари, Канада), экспертом 7-ой Рамочной Программы Евросоюза и т.д.
ичный вклад: выносимые на защиту результаты получены соискателем лично. В опубликованных совместных работах постановка и исследование задач осуществлялись совместными усилиями соавторов при непосредственном активном участии соискателя.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 52 научных работы в центральных, региональных и международных журналах, в том числе 29, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ. Выпущена 1 монография. Издано 2 учебных пособия. По теме исследований на 7 разработок получены патенты, 1 ноуЦхау.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложенных на 428 страницах машинописного текста, содержит 100 страниц приложений, 159 рисунков, 29 таблиц, список используемой литературы из 239 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обоснована актуальность работы, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, приведены результаты внедрения.
В главе 1 Состояние вопроса и задачи исследования описан ряд технических особенностей основных конструкций ветроэнергетических установок, проведен анализ преимуществ и недостатков вертикально - и горизонтальноЦосевых ветроэнергетических установок, дан обзор ряда факторов, характеризующих ВЭУ, приведены пути повышения качества работы установки и снижения влияния на окружающую среду. Указаны основные критерии оптимизации. На основе выводов сформулированы цели и задачи исследования.
Исследования вертикально-осевых (ВО) ВЭУ получили интенсивное развитие с начала 80Цх годов XX века. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикальноЦосевые ВЭУ с ротором Дарье. Диапазон мощностей ВО ВЭУ непрерывно расширяется и достиг 4 МВт. Однако интерес к малым ВЭУ также растет в связи с рядом причин (стремление потребителей к автономному энергоснабжению, доступность и простота монтажа, обслуживания, ремонта и т.д.). При этом стоимость малых ВЭУ, используемых для автономного энергоснабжения, неуклонно снижается за счет развития технологий производства комплектующих, снижения установочных расходов и т.д. Наблюдается тенденция приближения малых ВЭУ к местам проживания человека (стремление установить ВЭУ на кровле загородного коттеджа или многоэтажного дома, строении или сооружении). Такие решения весьма привлекательны как с технической, так и экономической точки зрения, и реализованы в США, Канаде, Европе, Индии, Китае. В России эта тенденция также прослеживается, что подтверждается растущим объемом заявок от потенциальных потребителей на размещение ВЭУ до 30 кВт непосредственно на жилых домах. Кроме этого, в России растет активность агропромышленного сектора в части внедрения автономного энергоснабжения удаленных автономных объектов (энергопитание фермерских хозяйств, рыболовецких артелей, тепличных комплексов и т.д.). В связи с этим развитие малой ветроэнергетики, по мнению ряда российских и зарубежных экспертов, является одной из приоритетных задач ветроэнергетики и требует детального изучения, систематизации и совершенствования ВЭУ.
Традиционный процесс проектирования конструкций ВО ВЭУ вплоть до настоящего времени не имел четкого научного обоснования, представляя собой ряд обособленных теорий и методик с генерацией инженерных решений по каждому компоненту конструкции обособленно. В результате такого подхода почти все производимые в мире изделия имели ряд проблем, связанных с наличием шума, вибраций, дезинтегрированного функционирования и т.д. Таким образом, разработка единой методологии проектирования и создания ВО ВЭУ является крупной научной проблемой, имеющей стратегическое хозяйственное значение.
В данной диссертационной работе вертикальноЦосевая конструкция малой мощности была выбрана для изучения, разработки и оптимизации в связи с рядом факторов: независимость работы ВЭУ от направления ветра, высокий коэффициент использования энергии ветра (до 38%), самостоятельный старт ВЭУ на малых (до 2 м/с) скоростях ветра, выработка энергии со скорости ветра 3 м/с, возможность аэродинамического регулирования частоты вращения, низкий уровень шума и вибраций, отсутствие мультипликатора, простота изготовления компонентов, а также относительно низкая себестоимость (от 60 руб. за 1 Вт мощности).
Критериями оптимизации являлись технические условия (оптимальные характеристики ВЭУ, параметры и технологичность компонентов, уровень влияния автоколебаний и взаимовлияния модулей ВЭУ, самостоятельный старт при малых ветрах, ограничение частоты вращения ротора) и экономические параметры (низкая себестоимость, ускоренная пусконаладка).
В главе 2 лМетодология разработки ВО ВЭУ дано описание системного методологического подхода к разработке ВО ВЭУ на основе последовательноЦпоэтапной (итерационной) покомпонентной оптимизации конструкции с помощью применения последовательности ряда методов (рис. 1), исследования созданных математических трехмерных и функциональных моделей ротора и ВЭУ в целом. Вычислены внешние и внутренние возмущающие воздействия и их влияние на ВЭУ, обоснован выбор конструкций компонентов, описано аэродинамическое регулирование и оптимальное электронное регулирование мощности ВЭУ.
Процесс исследования на основе эксперимента является чрезвычайно дорогостоящим. С учетом мощного развития компьютерной техники и основанных на ней математических аппаратов, одним из быстрых и менее дорогостоящих путей изучения параметров ветроэнергетических установок является компьютерное моделирование и всесторонний анализ физикоЦматематических моделей.
Методология разработки и создания ВО ВЭУ включает ряд теоретических и экспериментальных методов, применяемых на этапах разработки по итерационной (последовательно-поэтапной) схеме с оптимизацией каждого компонента и конструкции в целом, когда по завершении каждого этапа и ряда итераций проводится сравнение расчетных и опытных характеристик с проверкой на удовлетворительность по соответствующим критериям.
Рис. 1. Структурная схема методологии разработки и создания ВО ВЭУ
Метод разработки и оптимизации профиля лопасти основан на патентном поиске, теоретических и экспериментальных исследованиях различных профилей лопастей, анализе результатов и выборе наиболее эффективного профиля. Критерий оптимальности профиля - обеспечение максимума интегрированной кинетической энергии, передаваемой профилю потоком ветра силовыми импульсами, при отсутствии автоколебаний профиля во всем диапазоне углов атаки.
Расчет профиля производился в программном комплексе Ansys CFX, который основан на конечно-объемном методе (МКО) решения уравнений гидродинамики, таких как уравнение неразрывности, уравнение сохранения энергии и уравнение количества движения. Основная идея МКО заключается в разбиении расчетной области на N-е число непересекающихся контрольных объемов таким образом, что каждая узловая точка содержится в одном контрольном объеме. Дифференциальное уравнение интегрируется по каждому контрольному объему. Для вычисления интегралов используются кусочно-непрерывные функции, которые описывают изменение зависимой переменной (одной из составляющих скорости) между сеточными узлами. В результате находится дискретный аналог дифференциального уравнения. Дискретные уравнения вычисляются с помощью метода Algebraic Coupled Multigrid (AMG), разработанного М.Raw и G.Schneider. Данный метод использует неявную связанную схему решения системы линейных алгебраических уравнений. Вычислительные затраты метода линейно зависят от числа узловых точек. Одним из важных свойств МКО является то, что в нем заложено точное интегральное сохранение таких величин, как масса, количество движения и энергия на любой группе контрольных объемов, а следовательно, и на всей расчетной области. Это свойство проявляется при любом числе узловых точек. Таким образом, даже решение на грубой сетке удовлетворяет точным интегральным балансам. Ansys CFX позволяет проводить расчеты на смешанных сетках, состоящих из различных типов элементов: тетраэдров, призм, клиновидных элементов и гексаэдров. При расчете стационарных вариантов процесс итерации по времени завершается при достижении уровня сходимости.
При моделировании использовалась модель вязкого газа c осреднением турбулентных характеристик (осредненные по Рейнольдсу уравнения НавьеЦСтокса несжимаемой жидкости):
, (1)
где xi,j, i,j=1,2 - декартовы координаты (x,y) частицы; t - время; vi - декартовы составляющие вектора средней скорости потока (v,u); P - давление; - плотность; u и ut - молекулярный и турбулентный коэффициенты кинематической вязкости. В расчетах учитывались нестационарные явления (динамический срыв потока, образование сложной системы вихрей, повышение уровня турбулентности в затененной области, взаимодействие вихрей различных размеров, скоростей движения и интенсивности с твердыми поверхностями ротора ВО ВЭУ).
Модель исходного профиля, подлежащего оптимизации, построена в программе Ansys CFX и приведена на рис. 2а. Расчетные значения переменных - коэффициентов подъемной силы Cy и силы сопротивления Cx для разных углов атаки с поворотом лопасти к моделируемому набегающему потоку ветра со скоростью в диапазоне 2Ц12 м/с и шагом угла атаки в 10 в диапазоне 00 - 3600 получены в процессе расчета. Формулы коэффициентов сил выражаются уравнениями (2).
; , (2)
где Y - подъемная сила, Х - сила лобового сопротивления, - плотность среды, v - скорость потока, S - площадь крыла (профиля). Сила лобового сопротивления складывается из профильного Хp (сопротивление давления и трения), индуктивного Хi и волнового сопротивлений Хv:
Х = Хp+ Хi + Хv Хp . (3)
На рис. 2 приведен профиль лопасти и схема сил, действующих на него в стационарном потоке газа, где V - скорость потока; Xd - положение центра давления; - угол атаки; Xp; Y - сила сопротивления профиля и подъемная сила в поточной системе координат; Mz - момент сил относительно носка профиля; T, N - тангенциальная и нормальная силы в связанной системе координат; b - длина хорды; q=V2/2 Цскоростной напор; Cd=Xd/b и Cy=Y/(qS) - коэффициенты сил давления и подъемной; =L/b - удлинение лопасти; L - длина лопасти; S=bL - площадь лопасти; Cm=Mz/(qSb) - коэффициент момента; Cn=N/(qS); Ct=T/(qS) - коэффициенты нормальной (поперечной) и тангенциальной (продольной) сил; Cx=Cxp+ Cy2/() - коэффициент сопротивления лопасти; c - максимальная толщина профиля; xc - положение максимальной толщины от носка профиля.
а) б)
Рис. 2. Профиль лопасти (а) и схема сил, действующих на профиль в стационарном потоке газа (б)
Оптимизация профиля производится с учетом граничных условий 0,5>c/b>0,1 и 0,5>xc/b>0,1. После оптимизации по критерию
на промежуточных этапах оптимизации было получено несколько профилей, характеристики которых приведены в Приложении к диссертационной работе.
В результате программной оптимизации получен профиль SRCVЦ2035 с относительной толщиной c/b=0,20 (20%) и с xc/b=0,35 (35%), относительные координаты которого приведены в табл. 1.
Таблица 1
Координаты профиля SRCV2035 с относительной толщиной c/b=20% и расположением максимальной толщины на 35% от носка профиля согласно рис. 2а.
x/b | 0 | 0.001 | 0.002 | 0.003 | 0.004 | 0.005 | 0.006 | 0.007 | 0.008 | 0.009 |
y/c | 0 | 0.035078 | 0.049608 | 0.060757 | 0.070156 | 0.078436 | 0.085923 | 0.092807 | 0.099215 | 0.105233 |
x/b | 0.01 | 0.02 | 0.03 | 0.04 | 0.05 | 0.051928 | 0.06 | 0.07 | 0.08 | 0.09 |
y/c | 0.110926 | 0.156873 | 0.192129 | 0.221852 | 0.248038 | 0.252774 | 0.271178 | 0.291407 | 0.309567 | 0.326335 |
x/b | 0.1 | 0.15 | 0.2 | 0.25 | 0.3 | 0.35 | 0.4 | 0.45 | 0.5 | 0.55 |
y/c | 0.342234 | 0.408723 | 0.454353 | 0.482354 | 0.496254 | 0.5 | 0.495243 | 0.480917 | 0.457402 | 0.427095 |
x/b | 0.6 | 0.65 | 0.7 | 0.75 | 0.8 | 0.85 | 0.9 | 0.95 | 0.986813 | 1 |
y/c | 0.392118 | 0.353088 | 0.310766 | 0.26637 | 0.220631 | 0.173868 | 0.127219 | 0.081241 | 0.045298 | 0 |
После проведения теоретических вычислений профилей изготовлены модели лопастей, имеющие хорду длиной b=0,12 м и относительное удлинение λ=5 (рис. 3б). Модели исследованы на предмет получения динамических характеристик профилей в гидродинамической трубе 44К200 Государственного Ракетного Центра (КБ им. В.П.Макеева, Челябинская обл.), г. Миасс (рис. 3а). Число Рейнольдса в экспериментах составило 630000, что обеспечило режим автомодельности по этому параметру. Скорость потока воды в экспериментах составила 5 м/с, угол атаки менялся с шагом в 10 в диапазоне 00 - 3600. Конструкция экспериментальноЦизмерительной установки обеспечивает получение сразу профильного сопротивления за счет исключения влияния концов лопасти, дающих вклад в индуктивное сопротивление, с помощью отсекателей. Калибровка проведена на основе сравнения справочных и вновь полученных экспериментальных данных по профилю NACA0015.
а) б)
Рис. 3. Большая скоростная гидродинамическая труба с горизонтальным рабочим участком 44к200 (а) и экспериментальные модели профилей (б)
Испытания показали, что для профилей с острой задней кромкой при углах атаки , близких к 180 (152Ц172) и (192Ц208) наблюдались сильные вибрации профиля, обусловленные периодическим процессом перехода от безотрывного к отрывному течению и обратно. Этот процесс вызывается обтеканием острого хвоста данного профиля в указанном диапазоне углов атаки. Измеренные при этих углах атаки параметры могут быть интерпретированы как средние величины. В то же время возможно и искажение измеряемых параметров. Так при 152 значение коэффициента центра давления выходит за пределы хорды профиля. У профиля SRCV2035, имеющего утолщенный скругленный хвост, никаких подобных колебательных процессов не наблюдалось.
Рис. 4. Сравнение коэффициентов расчетной подъемной силы Cyc, силы сопротивления Cxc, условного центра давления Cd с соответствующими экспериментальными значениями Cye, Cxe, Cde в поточной системе координат для SRCV2035
Результаты расчетов и экспериментальные данные приведены на рис. 4. В связи с проведенным анализом, а также на основании патентных исследований был выбран оптимальный профиль SRCV2035, на который получен патент на изобретение №2347104 (2006 г.). Полученные экспериментальные данные с учетом результатов численных расчетов гидродинамических характеристик профилей были использованы для расчета аэродинамических характеристик роторов и в математических моделях исследуемых ВЭУ.
Данный метод расчета параметров профиля имеет очевидное преимущество по сравнению с традиционным методом, т.е. построением поляр каждого профиля с предварительной продувкой в аэродинамической трубе и является более быстрым, удобным и менее дорогостоящим.
Разработка и оптимизация ротора ВО ВЭУ основана на последовательности ряда методов и включает в себя патентный поиск, трехмерное компьютерное моделирование компонентов ротора, функциональное математическое моделирование ротора, исследование взаимовлияния компонентов ротора, оптимизацию параметров ротора на основе итерационного метода, разработку агрегатов аэродинамического регулирования и т.д. Критерии оптимальности - самостоятельный старт ротора во всем диапазоне быстроходности, ограничение максимальной частоты вращения, достижение максимального коэффициента мощности (коэффициента использования энергии ветра, КИЭВ), снижение влияния концевых эффектов на лопастях, эргономика. Патентный поиск проведен в Российских и зарубежных базах данных согласно ГОСТ Р 15.011Ц96. На конструкцию ротора получен патент № 2347104 (2006 г.). Конструкция ротора выбрана двухъярусной 6-лопастной на основании опыта разработчиков и патентных исследований. Второй ярус введен для улучшения конструкции ротора и дополнительного увеличения мощности.
ВЭУ представлена рядом основных модулей (рис. 5) и является интегрированной системой превращения кинетической энергии набегающего потока ветра в электрическую энергию за счет непосредственной передачи момента вращения ротора на вал генератора.
Рис. 5. Конструкция малой ветроэнергетической установки ВЭУЦ3
с вертикальной осью вращения мощностью 3 кВт
Анализ литературы и предварительных расчетов показывает, что при коэффициенте быстроходности Z < 2 динамический срыв потока с лопастей ротора Дарье доминирует на большей части траектории лопасти. Увеличение числа модулей быстроходности приводит к подавлению процесса формирования динамического срыва потока с вертикальных лопастей, но также снижается возможность самостоятельного старта. Тогда с учетом графика идеального Дарье граничные условия для Z: 6>Z>2. В зонах умеренных ветров ВЭУ должна начинать работу с 4 м/с. Ротор получает 100% энергии с периметра. Расчет производится для радиуса R, который вычисляется из соотношения 1,5R > L > 4b, где L - длина лопасти. Такие данные взяты из соображений прочности компонентов и минимизации влияния индуктивного сопротивления. Оптимальная быстроходность исследуемого ветроколеса при наибольшем коэффициенте мощности Cp составляет Z=4/m2, где m - количество лопастей (6 в исследуемом варианте). Или, с соответствующей поправкой для тщательно спрофилированных лопастей будет на 34% выше, т.е. 2,68. При скорости ветра 4 м/с окружная скорость лопастей v=10,7 м/с. Ветер взаимодействует с лопастями с окружной скоростью. Для устойчивой работы ВЭУ необходимо число Рейнольдса Re300000. Тогда хорда лопасти должна быть b=Re/(68500v)=0,4 м. Граничные значения при оптимизации хорды лопасти каждого яруса составили 0,5м>b>0,3м. Приняв длину лопасти L в соответствии с вышеприведенными доводами за 2 м, радиус R получается 1,7 м (с учетом добавки радиуса ступицы 0,4 м). Тогда соотношение хорды b к диаметру D составит 11%, что совпадает с соотношениями горизонтальноЦосевых ВЭУ (5Ц15% по среднему диаметру лопасти). При этом коэффициент геометрического заполнения ротора получается 0,35. Длина лопасти 2 м выбрана из соотношения Lлоп 6b для исключения влияния концевых эффектов, а также из соображений эргономики.
Таким образом, получены основные параметры ВЭУ:
D = 3,4 м - диаметр ротора; 2Lлоп = H = 4,1 м - высота ротора; S = D⋅H = 13,94 м2 - ометаемая площадь ветроколеса; b = 0,4 м - длина хорды симметричного профиля лопасти; с = 35% - относительная толщина профиля; m = 6 Ц количество вертикальных лопастей.
Расчет главных аэродинамических характеристик ротора выполнен по аналогии с импульсным методом, использующим два активных диска. В этом методе индуктивные скорости, учитывающие влияние на воздушный поток вращающегося ветроколеса, задаются как с наветренной, так и с подветренной стороны ротора. Отличие проведенного расчета заключается в том, что в импульсном методе используют закон сохранения импульса и на основе этого получаются системы уравнений и их решения. В предлагаемом методе с использованием системы параметров индуктивные скорости задаются так, чтобы максимально учесть влияние быстроходности и коэффициента заполнения, равного отношению суммарной площади лопастей в плане к фронтальной площади ветроколеса, а также частично учесть интерференцию ярусов ветроколеса для многоярусных компоновок.
На рис. 6 показано, как при некоторых значениях азимутального угла и соответствующего положения вектора возмущенной скорости ветра Vn по отношению к лопасти возникает крутящий момент. Вектор скорости W, относительной по отношению к лопасти, складывается из вектора возмущенной скорости ветра Vn и вектора -R, противоположного вектору линейной окружной скорости лопасти. Здесь Vn = V + ΔVx i + ΔVy j , где i, j - орты системы координат, ΔVx, ΔVy - компоненты размерной индуктивной скорости, - угловая скорость вращения, V - вектор скорости ветра, R - радиус ветроколеса. Вектор относительной скорости W образует угол с касательной к окружности с центром на оси вращения и прямой, проведенной через точку условного аэродинамического центра профиля лопасти, расположенную на хорде профиля в 35% от его носка. В эту же точку проведен также радиус ветроколеса R. Если угол атаки лопасти = - , где - установочный угол лопасти, является небольшим, то в этом случае сила сопротивления лопасти X мала, а подъемная сила Y, наоборот, большая, и вектор результирующей аэродинамической силы Ra направлен так, что создает положительный момент в сторону вращения ветроколеса. Однако такая картина наблюдается не на всей круговой траектории лопасти.
Рис. 6. Система координат и схема образования крутящего момента
Относительные безразмерные компоненты индуктивной скорости определяются выражениями: u = ΔVx/V и v = ΔVу/V, где V - модуль скорости ветра.
Базовые компоненты индуктивной скорости вычисляются по формулам:
(5)
где:
(6)
Расчет составляющих индуктивной скорости в зависимости от углового положения лопасти ψ проводится с помощью следующих соотношений.
(7)
Составляющие относительной скорости набегающего под углом атаки = - на лопасть потока определяются формулами:
(8)
Вектор W набегающего на лопасть потока изображен на рис. 6.
Графики индуктивных скоростей для разных значений быстроходности приведены на рис. 7.
Рис. 7. Компоненты индуктивной скорости для разных Z
Коэффициент силы, действующей на лопасть в направлении оси вращения параллельно радиусу, проведенному в аэродинамический центр, и коэффициент крутящего момента находятся по формулам:
(9)
где:
В силу того, что центр давления меняет положение по мере движения лопасти по окружности, в формулах (9) вводится соответствующая поправка на коэффициент крутящего момента.
В расчетной программе, написанной на языке С++ и реализующей описываемый метод, определяются также составляющие сил по осям Ох и Оу (рис. 6) для каждого элемента ветроколеса и вычисляются интегральные силы, действующие на ротор в целом в зависимости от угла его поворота ψ и быстроходности Z. Для отдельной лопасти составляющие сил записываются следующим образом:
(10)
Расчет главных аэродинамических характеристик ротора выполнен по следующему алгоритму: найденные коэффициенты Cx и Cy в каждый дискретный момент (в каждом положении ротора) для каждой скорости ветра при заданной быстроходности Z однозначно определяют тангенциальную и радиальную составляющие сил, действующих на ротор (рис. 2б). Из них определяющий вклад в значение крутящего момента Mz дает тангенциальная составляющая. Интегрируя Mz всех лопастей за полный оборот от 00 до 3600 находится значение Cm при заданной быстроходности. Далее для значений быстроходности Z от 0 до 5 вычисляются графики Cm(Z) и Сp(Z):
Cm = 2⋅Mz/(⋅V2⋅S⋅R) - коэффициент крутящего момента;
Cp = 2P/(⋅V3⋅S) = Cm⋅Z - коэффициент использования энергии ветра,
где:
S = 2⋅R⋅H - фронтальная площадь ветроколеса;
H - высота ветроколеса;
P - аэродинамическая мощность ветроколеса;
Mz - крутящий момент.
На рис. 8 представлена главная аэродинамическая характеристика Cp(Z) и зависимость коэффициента момента Cm(Z) ротора с шестью лопастями.
Рис. 8. Коэффициент использования энергии ветра Cp и коэффициента крутящего момента Cm от быстроходности Z
В процессе расчета аэродинамических характеристик ротора была проведена программная оптимизация установочного угла лопасти с дискретизацией 0,10 при граничных условиях от 00 до 100. В результате максимальное значение коэффициента использования энергии ветра без учета потерь на трение и люфты было получено при установочном угле лопасти 4,10.
Можно утверждать, что задача оптимизации параметров ротора ветроэнергетической установки номинальной мощностью 3 кВт выполнена. Малые модули Z, т.е. тихоходность ротора при достаточном значении эффективности не является недостатком. Снижаются нагрузки на ротор и его элементы, снижается уровень вибраций и шума, что положительно сказывается на работе ВЭУ в целом.
На основе главной аэродинамической характеристики можно построить поле мощности, т.е. изолинии аэродинамической мощности в координатах скорость ветра - скорость вращения (рис. 9). Такие поля мощности использованы далее в прочностных расчетах и при разработке системы регулирования мощности.
Рис. 9. Поле аэродинамической мощности ротора ВЭУ (Вт)
Таблица 2
Экспериментальные данные мощности ВЭУ Pэкспер (в Ваттах, по вертикали частота вращения ротора, об/мин, по горизонтали скорость ветра, м/с)
После проведения теоретических вычислений изготовлен ряд роторов ВЭУ и проведены испытания на полигонах предприятия ГРВертикаль в Челябинской области. Результаты испытаний всех роторов различаются не более, чем на 3Ц7%. Данные выходной мощности ВЭУЦ3(6), №03Ц09Ц008, полученные с помощью записи на флэшЦкарту на оконечном выходе электронного регулятора, приведены в табл. 2 с пересчетом и приведением к аэродинамической мощности с учетом КИЭВ. Экспериментальный график мощности приведен на рис. 10.
Рис. 10. График мощности ВЭУ по экспериментальным данным
Экспериментальные измерения проведены на скорости ветра от 3 до 11 м/с. До 3 м/с выработка энергии минимальна и не представляет интерес. На скорости ветра 11 м/с активируются аэродинамические регуляторы и частота вращения стабилизируется на 180 об/мин во всем диапазоне ветров. Мощность ВЭУ нормируется на 11 м/с и составляет минимум 3 кВт с учетом потерь на преобразование.
Анализ данных говорит о том, что реальный КИЭВ составляет 0,365 (в сравнении с теоретическим 0,38Ц0,40). Этот факт объясняется наличием неучтенных при расчетах потерь (трение, аэродинамические потери в местах болтовых соединений, погрешности сборки, люфт и т.д.). Это позволяет утверждать, что можно получить больший КИЭВ с учетом ряда конструктивных доработок. Однако очевидно, что задача регулирования решена, реализована и отработана. Непосредственно электронный регулятор рассматривается ниже. На основании приведенных данных можно утверждать, что параметры ротора оптимизированы.
В процессе разработки ротора ВЭУ создана рабочая конструкторская документация по ГОСТ ЕСКД, эволюционирующая по мере совершенствования конструкции и ее оптимизации. Проведены поверочные расчеты конструкции с учетом внешних возмущающих воздействий, взаимовлияния компонентов друг на друга и на окружающую среду.
Данный метод расчета характеристик ротора имеет ряд преимуществ по сравнению с инженерными и эмпирические методиками (импульсным и вихревым моделированием), методом моделирования невязкого газа (метод дискретных вихрей, уравнения потенциала и Эйлера) и методом моделирования вязкого газа c учетом нестационарных турбулентных характеристик, и является наиболее применимым на сегодняшнем уровне развития науки, программных средств и процессоров.
Поэтапная оптимизация конструкций механических компонентов ВЭУ на основе метода итераций (повторяемых поэтапных прогонов) двух последовательных математических моделей, трехмерной и функциональной, является менее затратным способом улучшения изделия по сравнению с экспериментом. Процесс оптимизации параметров конструкции ротора распадается на ряд задач, заключающихся в последовательном исследовании свойств его компонентов (рис. 11).
Разработка и анализ конструкции компонентов ротора производится с точки зрения наилучшей аэродинамики с учетом требований по безопасности, устойчивости к внешним воздействиям, надежности, эргономики и технической эстетики, с учетом ГОСТ Р 51237Ц98, ГОСТ Р 51990Ц2002, ГОСТ Р 51991Ц2002. Исследования проведены с рядом допущений (граничных условий), не оказывающих существенного влияния на конечный результат (ламинарность потока, устойчивость давления и направления ветра, однородность материалов и т.д.).
Рис. 11. Поэтапная итерационная оптимизация параметров компонентов ВЭУ
Характеристики внешних воздействий на конструкцию ВЭУ определены с учетом технических условий безопасности ветроустановок (Требования Ллойда, стандарты РФ). По результатам проведенного анализа для расчета нагрузок и напряжений в конструкции при создании модели выбран ряд расчетных случаев, максимальный из которых соответствует скорости ветра 45 м/с при континентальных условиях окружающей среды. Коэффициенты безопасности заложены: от гравитационных сил - 1,2; от инерционных сил - 1,3; от аэродинамических сил - 1,5.
С целью вычисления влияния внешнего механического воздействия на внутренние силовые факторы и напряжения в сечениях компонентов ВЭУ расчет проведен сначала отдельно по воздействиям, затем по группам воздействий, и далее по совокупности всех воздействий. В группы объединены воздействия статического характера (статические нагрузки) и воздействия динамического характера (динамические нагрузки). Статическому анализу подвергались отдельные элементы конструкции, прочность которых является определяющей для ВЭУ. Цель статического анализа заключалась в определении прочностных характеристик элементов конструкции, которые служили основой для динамического анализа. Динамический анализ проведен для конструкции ВЭУ в целом с целью определения запаса прочности при предельных условиях эксплуатации ВЭУ. Совокупность статического и динамического анализа составляет одну итерацию в процессе оптимизации параметров элементов конструкции. Конечная цель оптимизации - минимизация массо-габаритных характеристик и стоимости изделия.
Статический анализ проводится с учетом силового воздействия, учитывающего гравитационные, инерционные и аэродинамические воздействия.
Гравитационные силы представлены произведением ускорения свободного падения на распределение масс, принятое в расчетной схеме конструкции.
Моделирование центробежных сил обеспечивалось заданием в качестве исходных данных частоты вращения ротора. Нагрузки, связанные с дисбалансом ротора, определены из условия, что он имеет статическую несбалансированность, обусловленную поперечным смещением центра масс относительно оси вращения на величину ε=0,5% от радиуса ротора. Указанная величина эксцентриситета задана в соответствии с Требованиями Ллойда для ротора, изготавливаемого с выполнением операции предэксплуатационной балансировки.
Аэродинамические силы заданы согласно результатам аэродинамического расчета вращающегося в стационарном ветровом потоке ротора ВЭУ. Указанный расчет включал определение аэродинамических внешних нагрузок (сил и моментов сил), действующих на ротор в целом, а также отдельно на лопасть.
Аэродинамические внешние нагрузки на ротор задавались компонентами
Fx=CxqS ; Fy=CyqS ; Mz=CmqSR , (11)
где Fx, Fy - проекции вектора результирующей аэродинамической силы на оси Xv и Yv поточной системы координат XvYvZv (ось Хv направлена по вектору горизонтальной скорости ветра, ось Yv нормальна к нему и к оси вращения ротора, ось Zv совпадает с осью вращения ротора); Mz - крутящий момент вокруг оси ротора; Cx , Cy , Cm - аэродинамические коэффициенты, зависящие от углового положения ротора по отношению к вектору скорости ветра (угла φ между плоскостью YvZv и плоскостью, проходящей через ось Zv и продольную ось одной из лопастей), а также от параметра быстроходности Z=ω⋅R/V; q= ρV2/2 - скоростной напор ветра; ρ=1,225 кг/м3 - плотность воздуха; V - горизонтальная скорость ветрового потока; S=2Rh - площадь прямоугольника, являющегося проекцией ротора на плоскость YvZv поверхности, ометаемой ротором; R =1,7 м - радиус ротора; h =4,08 м - высота ротора с учетом толщины среднего кольца; ω - угловая скорость вращения.
Вычисленные значения сил Fx, Fy и момента Mz являются периодическими. За один полный оборот ротора реализуются шесть периодов, причем переменная составляющая нагрузок близка к гармонической. Исходя из этого, в расчетной модели было принято, что каждый из действующих на ротор силовых факторов Fx, Fy, Mz представляет собой сумму некоторого среднего за оборот значения (называемого далее статической составляющей) и переменного слагаемого (динамической составляющей). Динамическая составляющая является гармонической, а ее частота равна увеличенной в шесть раз частоте вращения ротора.
В статическом анализе применялся метод конечных элементов (МКЭ), с помощью которого была произведена аппроксимация непрерывных величин, определяемых бесконечным числом значений на рассматриваемой области, т.е. дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе подобластей.
При построении учитывалось допущение, что находящееся в равновесии упругое тело под действием внешних нагрузок имеет полную потенциальную энергию:
П(v) = U(v) - W(v) , (12)
где П - полная потенциальная энергия, U - потенциальная энергия деформации, W - потенциал внешних нагрузок, v - произвольное поле возможных перемещений, удовлетворяющее граничным условиям. Из принципа возможной работы следует, что в состоянии равновесия полная потенциальная энергия системы минимальна. Для нахождения действительного поля перемещений w необходимо минимизировать приведенное выражение на множестве всех функций v, удовлетворяющих граничным условиям. Тогда функция, представляющая минимум, будет являться искомым полем перемещений w. С другой стороны, нахождение минимума П(v) заключается в решении дифференциальных уравнений теории упругости, являющихся бесконечномерными задачами. В комплексе MSC NASTRAN замена бесконечномерной задачи n-мерной осуществляется с помощью последовательности построения дискретной модели:
- В рассматриваемой области упругого тела фиксируется конечное число точек (узлов). Функция в узле определяется одним значением (скалярная или одномерная векторная функция) и считается переменной, подлежащей определению.
- Область разбивается на конечное число элементарных подобластей, имеющих общие узлы. Подобласти в своей совокупности аппроксимируют форму упругого тела за счет аппроксимации на каждом элементе полиномиальными функциями формы, значения которой внутри элемента и на его границах определяются через значения функции в узлах.
Приведенный алгоритм МКЭ использует метод Релея-Ритца, основанный на введении n пробных функций вместо бесконечномерной задачи, с нахождением частной комбинации действительного поля перемещений w, которая минимизирует П(v). Вводится ряд неизвестных коэффициентов ui, являющихся узловыми значениями функции , заменяющей w при минимизации упомянутого выражения по всем возможным функциям n по подпространству v. Тогда приближенное решение для одномерной задачи будет выглядеть в виде кусочно-линейных функций и их комбинаций, сшиваемых в i-ых узлах:
= . (13)
Энергия деформации вычисляется интегрированием по объему произведения функций деформации и напряжения, для чего определяются соответствующие деформации и напряжения. Для перевода перемещений в деформации принят оператор дифференцирования L, а для напряжений - оператор S, определяющийся добавлением к оператору L соответствующей матрицы Гука.
(14)
Тогда выражение для энергии деформации:
, (15)
где интеграл определен на всей конечной области.
В результате расчета определяются эквивалентные напряжения в каждом элементе. При задании свойств трехмерного ортотропного материала использовались следующие соотношения зависимости деформации от напряжений и температуры:
, (16)
где Ei - модули упругости, Gij - модули сдвига, vij - коэффициенты Пуассона, ij - деформации в соответствующих направлениях. Индексы i и j обозначают номера ортогональных осей материала. Изменения температуры T во внимание не принимались.
Пример ниже приведен для расчета напряженно-деформированного состояния лопасти. Исходными данными для расчета напряжений в программном комплексе MSC NASTRAN являлась ее трехмерная модель, построенная на основе эскизной конструкторской документации. Для моделирования обшивки использовалась модель ортотропного материала и плоские оболочечные элементы типа PLATE (пластина). КонечноЦэлементная модель лопасти приведена на рис. 12. Закрепления модели в пространстве: один конец лопасти зафиксирован, другой конец имеет шарнирное закрепление. Приложенная нагрузка характеризуется усилием от центростремительного ускорения, радиальной аэродинамической силы и динамической составляющей аэродинамических сил. Основной нагрузкой на лопасть является центростремительное ускорение как постоянная нагрузка. Дополнительно на лопасть действуют переменные аэродинамические нагрузки.
Центростремительное ускорение равно:
, (17)
где R - радиус расположения лопасти;
Угловая скорость равна:
, (18)
где n=300 оборотов в минуту (максимальное расчетное значение).
Соответственно, усилие, определяемое центростремительным ускорением, распределено по поверхности модели.
Радиальная аэродинамическая сила равна:
, (19)
где =0,54Цаэродинамический коэффициент при ; Z - параметр быстроходности; ρ - плотность воздуха; V - скорость ветра; L - длина лопасти.
С учетом динамического характера силы для расчетных оценок принята величина, составляющая 30% от инерционной силы. После задания граничных условий выполнен программный расчет. Результаты расчета деформаций лопасти приведены на рис. 12б. Оценка прочности лопасти проводится по расчетному коэффициенту запаса прочности, показывающему уровень превышения допускаемого напряжения материала над максимальными действующими эквивалентными напряжениями. Запас прочности равен:
. (20)
Минимальный коэффициент запаса прочности равен:
, (21)
где [σ]=280 МПа - допускаемые напряжения для стеклоткани ТЦ10(100) ГОСТ 19170Ц73; σЭКВ=140 МПа - максимальные эквивалентные напряжения.
Вывод: на основе трехмерной (3D) компьютерной модели, построенной в программном комплексе MSC/NASTRAN, определены силовые факторы и напряженноЦдеформированное состояние, вычислены частоты собственных колебаний компонентов, проведен подбор удовлетворительных материалов, конструкция проанализирована на удовлетворительность всех параметров. Вычисления приведены для предельно допустимой скорости ветра 45 м/с.
а) б)
Рис. 12. КонечноЦэлементные модели ступицы ротора (а) и лопасти (б) ВЭУЦ3 в NASTRAN (картина распределения эквивалентных напряжений)
Максимальные напряжения в основных элементах силовой конструкции ВЭУ сведены в таблицы. Наиболее нагруженным элементом конструкции является основание ступицы (рис. 12а), в котором максимальные напряжения достигают 1250 МПа (в зонах крепления траверс).
Динамический анализ конструкции выполнен на основе расчетной модели силовой конструкции ВЭУЦ3(6) также с учетом применения программноЦвычислительного комплекса MSC NASTRAN, реализующего метод конечных элементов. Число степеней свободы в модели составляло примерно 20000. Общий вид расчетной модели показан на рис. 13. Анализ полученных результатов позволяет считать возможным обеспечение прочности силовой конструкции при принятой конструктивной схеме ВЭУЦ3 (6). Результаты расчетов приведены в Приложении к диссертации.
Оценка усталостной прочности конструкции ВЭУ выполнялась по методу допускаемых напряжений. Расчеты на усталостную прочность оптимизированной конструкции показали удовлетворительность предъявляемым требованиям и позволяют прогнозировать срок службы изделия не менее 20 лет.
Рис. 13. Расчетная модель ВЭУЦ3
На основе математической функциональной модели, построенной в программе - визуальном симуляторе функций VisSim, проведен анализ воздействия возмущающих аэродинамических и центробежных сил и моментов на конструкцию ВЭУ, выявлены возможные резонансы, получены численные значения виброперемещений и воздействия на фундамент, а затем проведена оптимизация конструкции за счет регулирования жесткости и формы элементов, при необходимости с повторением предыдущих этапов (рис. 1) с целью смещения резонансных явлений в безопасные частоты.
Основными факторами, вызывающими вибрации ВЭУ, передающиеся на фундамент, являются аэродинамические силы и моменты, действующие на ротор, а также периодические инерционные силы и моменты. В созданной модели Ротор - гибкая мачта формульные зависимости представлены в виде структурных схем (примеры интерфейса приведены на рис. 14а и 14б). Моделирование силового воздействия ВЭУ на фундамент проведено при различных скоростях вращения ротора при имитации воздействии ветра от 4 до 16 м/с. В процессе моделирования предполагалось, что ротор ВЭУ на выбеге проходит все возможные частоты вращения под аэродинамической нагрузкой.
а) б)
Рис. 14. Пример интерфейса VisSim (а) и содержание блоков функций (б)
Поведение системы определяется системой дифференциальных уравнений сил и моментов с учетом силового воздействия, перемещения, трения, упругости:
, (22)
где M, R, K, J, D, B - матрицы коэффициентов, F - матрица сил, М - матрица моментов.
Ввод данных в программу осуществлялся поблочно, с включением обратных связей и выводом графиков. Пульсационная составляющая скорости ветра считалась случайным квазистационарным процессом. Величины горизонтальной и вертикальной сил, действующих на фундамент мачты, можно оценить по формулам:
= C1 + MxC2; = C1 + My C2; = Fz , (23)
где Fx гор, Fy гор - составляющие горизонтальных сил, действующих на вершину мачты со стороны ротора, Fz - сумма вертикальных сил, действующих на вершину мачты со стороны растяжек, Mx, My - составляющие аэродинамического изгибающего момента, действующего на мачту со стороны ротора ветроколеса. Для принятых исходных данных по конструкции ВЭУ величины вычисленных коэффициентов С1 и С2 составляют: С1 = 0,1; С2 = 0,12.
Пример на рис. 15 приведен для одной из сил Fy, действующей в горизонтальном направлении на мачту со стороны вала ротора. Постоянная составляющая силы Fy = 10,8 Н. Гармоника с номером 1 имеет частоту вращения ротора. - частота вращения ротора; Т - время, с. По оси абсцисс на спектре Фурье отложена безразмерная величина /, равная отношению частоты колебаний силы, приложенной к мачте ВЭУ , к частоте вращения ротора .
а б
Рис. 15. Зависимость силы Fy (а), действующей на мачту со стороны вала ротора и направленной перпендикулярно ветровому потоку, от времени Т. Спектр Фурье колебательной составляющей силы Fy (б)
Определение виброперемещений компонентов ротора и мачты наглядно демонстрируется графиками колебательных процессов, рис. 16.
а) б)
Рис. 16. Смещение Lмнв нижней (а) и Lмвв верхней (б) точек мачты
в месте крепления соответственно к фундаменту и ступице
в вертикальном направлении (мм) в зависимости от времени Т (с)
На основании исследований функциональной модели ВЭУ получены зависимости колебаний сил и моментов, частотные спектры и величина виброперемещений компонентов. Анализ спектра силовых воздействий проведен способом разложения действующих негармонических колебаний сил, моментов и виброперемещений в ряд Фурье с получением соответствующих спектров частот. На основании спектрального анализа сделаны выводы, на каких частотах вращения ротора ВЭУ ожидается резонанс, получена его амплитуда и преобладающие частоты, составлены таблицы резонансов.
Из анализа полученных данных следует, что резонанс колебаний элементов ВЭУ может вызываться как дисбалансом массы ротора, так и действием переменных аэродинамических сил. Резонансная частота может быть изменена за счет вариаций жесткости компонентов, то есть изменения частот собственных колебаний.
После многократных прогонов модели и итерационной оптимизации компонентов ВЭУ с корректировкой конструкторской документации создана таблица ожидаемых резонансов (табл. 3). Анализ таблицы показывает, что основные резонансы могут возникнуть на частотах 1 и 21 Гц. Частоту 1 Гц (60 об/мин) ротор проходит за считанные секунды, поэтому ее в целом можно считать несущественной.
Таблица 3
Ожидаемые резонансы ВЭУ в диапазоне частот вращения 0Ц180 об/мин
Частота 21 Гц проявляется в форме гармоник малой амплитуды и в целом не оказывает влияния на работу ВЭУ. Эксперименты и опыт эксплуатации ВЭУ подтверждают эти положения. Однако если ВЭУ установлена на инженерном сооружении (здании, мостовой конструкции и т.п.), резонанс на частоте собственных колебаний данного сооружения может привести к нежелательным последствиям. В связи с этим решение проблемы может быть осуществлено с помощью:
- метода особого регулирования мощности и частоты вращения ВЭУ;
- применения виброгасителей;
- проведения расчетов и изменения формы и/или материала мачты.
Ограничение максимальной частоты вращения ротора исследуемой ВЭУ, а значит, минимизацию генератора и упрощение конструкции электронного регулятора, обеспечивают введенные аэродинамические регуляторы, заключенные в обтекатели аэродинамического профиля (рис. 17), активируемые на определенной частоте вращения ротора и ограничивающие дальнейшее увеличение частоты. Аэродинамические регуляторы имеют щитки с обтекателями, которые при возрастании центробежной силы совершают поворот вокруг оси траверсы на червячной передаче, тем самым снижая скорость вращения. Данное изобретение, защищенное патентом № 2347104 (2006 г.), позволило эксплуатировать ВЭУ на скорости ветра более номинальной 11 м/с без применения балластной нагрузки и остановки ротора на буревых ветрах. Конструкция также включена в общую функциональную математическую модель, которая в данной работе не приводится в связи с большим объемом.
Рис. 17. Аэродинамический регулятор вертикальноЦосевой ВЭУ
Разработка генератора включает в себя методы и стадии традиционного проектирования электромашины с проведением оптимизационных расчетов. В исследуемой ВЭУ генератор представляет собой вентильную электрическую машину переменного тока на постоянных магнитах с осевым (аксиальным) зазором с индуктором на постоянных магнитах и якорной обмоткой (рис. 18).
Рис. 18. Генератор с осевым (аксиальным) зазором
Критериями оптимальности при разработке генератора являлись минимальная масса активных частей, минимальный объем активных частей, минимальная масса постоянного магнита, минимальная масса обмотки, минимальная суммарная стоимость постоянных магнитов и обмотки.
Программа оптимального проектирования, реализованная на языке программирования Delphi, представлена в виде блокЦсхемы на рис. 19 и положена в основу пакета программ оптимального проектирования генераторов исследуемых ВО ВЭУ. Постоянными (константами) в программе являются P2 - выходная мощность; U - выходное напряжение; n - частота вращения; и т.д. Математическая модель имеет ряд ограничений. Оптимизация осуществляется перебором вариантов по методу Фибоначчи в сочетании с методикой координатного спуска, т.е. оптимальным делением интервалов значений независимых переменных с последующим анализом по критериям оптимальности.
После получения оптимальных значений производится поверочный расчет магнитного поля и потока в программном комплексе Ansys EMAG, а затем вычисляются параметры генератора в MathCAD.
Метод разработки качественного генератора в общем случае разбивается на две взаимосвязанные задачи:
- анализ, то есть разработка методики поверочного расчета, при которой полностью известна геометрия и необходимо определить рабочие характеристики;
- синтез, то есть разработка методики оптимального проектирования, при которой для определенных техническим заданием параметров необходимо рассчитать геометрические параметры.
Рис. 19. Схема алгоритма оптимального проектирования генератора
Несмотря на различные конструктивные исполнения, для анализа и синтеза этого типа генератора можно применить единый подход. Для расчета электромагнитной мощности активная часть генератора представляется в виде диска с равномерным токовым слоем, который пронизывается магнитными силовыми линиями. Элементарный участок этого диска создает электромагнитный момент:
dM = BiAiRidRd, (24)
где: dM - элементарный электромагнитный момент; Bi - магнитная индукция элементарного участка; Ai - линейная токовая нагрузка элементарного участка; Ri - радиус удаления элементарного участка от оси вращения; - угол поворота.
Средний электромагнитный момент будет представлять собой поверхностный интеграл по площади активного кольца:
, (25)
где: Bi - средний электромагнитный момент; Dn - наружный диаметр активной части; Dv - внутренний диаметр активной части; Bsr - среднее значение индукции в воздушном зазоре; Asr - среднее значение линейной токовой нагрузки (определяется, как количество амперЦвитков на единицу длины на среднем диаметре активной части генератора); dR - радиус удаления элементарного участка от оси вращения.
Электромагнитная мощность определяется умножением (25) на угловую частоту вращения машины
, (26)
где: n - угловая частота вращения ротора, измеренная в об/мин.
Полученное уравнение представляет собой аналог классического уравнения Арнольда для электромашин цилиндрического типа с радиальным воздушным зазором. Средний диаметр генератора эквивалентен диаметру расточки якоря, а толщина кольца активной длине радиальной машины. Из уравнения Арнольда видно, что точность расчета при анализе зависит от точности определения средней линейной нагрузки и средней индукции. Определение средней линейной нагрузки связано с расчетом активного и индуктивного сопротивления фазы. Расчет активного сопротивления, как правило, не представляет сложности. Для расчета индуктивного сопротивления, а также для определения средней индукции необходим качественный расчет магнитного поля. Результаты расчетов приведены на рис. 20 и в табл. 4.
а) б)
Рис. 20. Графики зависимостей выходной мощности P2(I) и электрических потерь в фазах Pel(I) от тока I (а) и график выходного напряжения U(I) от тока I (б)
Таблица 4
Габаритная оптимизация (оптимизация по всем размерам)
Нар. диам. диска (мм) | Внутр диам. диска (мм) | Осевая Длина (мм) | Число магн. на диске | Высота магн. (мм) | Толщ. диска (мм) | Толщ. меди (мм) | Число витков в фазе | Число витков в сек. | Диам. пров. (мм) | Возд. зазор (мм) | Сопр фазы (Ом | Масса двиг. (кг) | Масса магн. (кг) |
440 | 250 | 47 | 36 | 10 | 6.0 | 10 | 338 | 18 | 1.5 | 1.0 | 0.97 | 22 | 17.3 |
Номинальная точка:
Номинальный ток (А) 16.66
Номинальное напряжение (В) 180
Номинальная мощность (Вт) 3000
Номинальная частота вращения (об/мин) 180
КПД в номинальной точке 0.847
Плотность тока(А/мм2) 8.9
Использование данного метода в разработке генератора является перспективным для ВО ВЭУ в связи с введением аэродинамического регулирования (или ограничения мощности генератора сверху).
Разработка электронного регулятора мощности исследуемой ветроэнергетической установки имеет следующие особенности:
- регулирование мощности ВЭУ в диапазоне частот вращения ротора от 40 до 180 об/мин с поддержанием максимального КИЭВ;
- частота вращения ротора ВЭУ ограничивается на 180 об/мин за счет аэродинамических регуляторов и далее не поднимается;
- отсутствие балластной нагрузки.
В связи с этим задачей разработки и оптимизации являлось снижение потерь при преобразовании и максимально полное использование энергии ветра. Таким образом, для получения максимума мощности требуется придерживаться определенной линии, называемой линией оптимальной мощности на графике изолиний мощности ротора ВЭУ (рис. 10), которая и выступает в качестве исходных данных при разработке алгоритма электронного преобразователя энергии. Критерием оптимальности при разработке регулятора являлся максимум выходной мощности на основе регулирования параметров выхода с отслеживанием располагаемой мощности ротора. Регулирование электрической мощности ВЭУ осуществлялось с помощью импульсного преобразователя с выбором оптимальных рабочих режимов на основе метода, состоящего из следующих параллельно выполняемых действий:
- измерение внешних параметров (располагаемой мощности, мощности нагрузки, ток заряда аккумуляторной батареи, частота тока и напряжение в фазе генератора и др.);
- определение выхода параметров за пределы безопасных режимов и отключение генератора с переводом преобразователя в режим защиты;
- обеспечение заряда аккумулятора в режиме постоянного напряжения с ограничением тока заряда при условии наличия достаточной генерируемой мощности с предотвращением перезаряда и переразряда аккумулятора.
Схема регулятора построена на основе программируемого микроконтроллера. Для настройки, диагностики и программирования регулятор имеет интерфейс RSЦ232. Регулятор построен по схеме понижающего импульсного преобразователя, с несколькими контурами обратной связи.
Алгоритм регулирования мощности, отбираемой от генератора ветроэнергетической установки:
- Измерение напряжения и тока в цепи нагрузки, расчет мгновенной потребляемой мощности.
- Измерение частоты тока в фазе генератора и расчет частоты вращения ротора ветроколеса.
- Определение мощности ротора на основе сравнения частоты вращения ротора с таблицей мощностей ротора.
- Определение максимально допустимой мощности зарядки аккумуляторной батареи с использованием максимально допустимого тока зарядки батареи и напряжения на ней.
- Расчет суммарной требуемой мощности для данного момента времени.
- Сравнение допустимой и требуемой мощностей, определение минимальной из них с регулированием выходной мощности на основе ШИМЦмодуляции.
- С помощью цифровых потенциометров в цепях обратных связей регулятора задание действующей располагаемой мощности на основе предыдущих расчетов. Общая схема регулятора представлена на рис. 21.
Рис. 21. Схема регулятора ВЭУ
Применение данного метода регулирования мощности ВЭУ позволяет значительно повысить уровень удельной выработки энергии ВО ВЭУ в связи с поддержанием максимального КИЭВ во всем диапазоне скоростей ветра до 45 м/с.
В Главе 3 Разработка технологии изготовления ВЭУ даны описания технологических процессов изготовления лопастей и генератора, а также приведена методика вибробалансировки ротора.
С целью повышения надежности и увеличения срока службы лопастей ВЭУ разработан технологический процесс производства изделий на основе композитных материалов. Цель разработки - получение новых недорогих конструкционных материалов, облегчение важнейших узлов ВЭУ, повышение эксплуатационных свойств изделия в условиях воздействия больших температурных амплитуд и высоких механических нагрузок. Основными задачами технологического процесса являются получение заготовок и изделий с использованием объемных материалов, монофазное упрочнение поверхностного слоя, структурирование функционального покрытия, сверхпластичная формовка и диффузия. Одна из ключевых задач - получение ультрамелкозернистой структуры с минимумом шероховатости. Изготовление лопасти происходит в оснастке особым способом намотки стеклоткани на распределенную заготовку за одну формовку, с использованием ряда ноуЦхау. Изделие монолитно, готово к сборке в составе ВЭУ и включает в себя непосредственно лопасть, основание лопасти (крепление к несущему кольцу) и заделку лопасти (крепление связующего кольца или стяжек). Причем установочный угол выставлен в оснастке. Оснастка для изготовления лопасти приведена на рис. 22а.
Прочностные характеристики материала SRCVЦПЭЦ300 в среднем на 25% лучше традиционных стеклопластиков:
в1=620 МПа - предел прочности при растяжении в направлении основы;
в2=390 МПа - предел прочности при растяжении в направлении утка;
Цв1=370 МПа - предел прочности при сжатии в направлении основы;
Цв2=310 МПа - предел прочности при сжатии в направлении утка;
Е1= 31000 МПа - модуль упругости в направлении основы.
Изделия имеют шестикратный запас по прочности в составе ВЭУ, причем вес и себестоимость снижены в 2 раза, а изделие не содержит металлических частей, т.е. не экранирует радиоволны.
Технологический процесс изготовления генератора разработан в части монолитного отверждения якорной обмотки (рис. 22б) и снижения общих вибраций генератора.
(а) (б)
Рис. 22. Оснастка для изготовления лопасти (а) и обмотка генератора (б)
Технологический процесс заливки обмотки разработан совместно с корпорацией Empire Magnetics, Inc. (США) и использует центрифугу с установленной внутри обмоткой в технологическом кожухе, из центра которого при вращении под действием центробежных сил материал заливки растекается и заполняет пространство внутри кожуха, включая обмотку. Материал заливки изготавливается на основе цементирующего материала или полиэфирных смол.
Методика вибробалансировки ротора разработана для снижения общих вибраций системы роторЦмачта и представляет собой трехступенчатую последовательность. На первом этапе балансировки проводится взвешивание компонентов ротора (лопастей, колец, траверс с аэродинамическими регуляторами и стяжек) на предмет формирования комплектов с одинаковой массой. Затем проводится статическая балансировка с контрольным взвешиванием. На втором этапе проводится цеховая сборка ротора на стенде и проверяется перпендикулярность установки лопастей плоскости среднего кольца. При наличии отклонения лопасти от перпендикулярности положение лопасти выравнивается с помощью добавления регулирующих пластин в месте крепления кронштейна торца лопасти к несущему среднему кольцу. На третьем этапе производится подключение генератора ВЭУ к источнику питания, и генератор закручивается в режиме двигателя (вторым вариантом может быть использование привода для раскрутки ротора). Дисбаланс ротора регистрируется с помощью модифицированного виброанализатора КЦ4102М, после чего проводится последующая динамическая весовая балансировка. Для достижения лучшего результата необходимо принять состояние ротора, отбалансированного в одной плоскости, за исходное состояние и провести вибробалансировку в следующей плоскости. Полный цикл включает в себя балансировку в плоскостях среднего, верхнего и нижнего колец или стяжек согласно конструкции.
Вибрации генератора снижаются за счет виброгасителей, расположенных между якорной обмоткой и валом, между фланцами мачты, а также дополнительных традиционных и разработанных устройств - демпферов растяжек и мачты.
В Главе 4 Экспериментальные исследования описаны результаты экспериментальной эксплуатации исследуемых ВЭУ, подтверждающие теоретические расчеты, приведены данные исследований шума и вибраций ВЭУ.
Семейство малых вертикальноЦосевых ветроэнергетических установок мощностью 0,1 - 30 кВт разработано для автономных потребителей электроэнергии. В общей сложности полевые испытания прошло 9 различных по конструкции и мощности модификаций ВЭУ. Примеры приведены на рис. 23. Почти все установки продемонстрировали КИЭВ до 38%.
1 кВт (Челябинск) 3 кВт (США) 3 кВт (Кумертау) 30 кВт
Рис. 23. Семейство вертикальноЦосевых ВЭУ
Замеры шума и вибраций нескольких образцов ВЭУЦ3(6) (3 кВт, 6 лопастей), проведенные в России и США на расстоянии 10 м от мачты ВЭУ при скоростях ветра 6Ц8 м/с, во всех случаях показали, что уровень шума окружающего фона выше, чем шум работающей под нагрузкой ВЭУ. Имеются акты соответствующих организаций.
Измерение вибраций проведено на нескольких ВЭУ по разработанной методике. Результат показывает, что данные несколько различаются, однако в целом удовлетворяют нормам. Пример измерений ВЭУ на скорости ветра 8 м/с при нагрузке 1 кВт (прожектор) приведен на рис. 24. Частота вращения составляет 124 об/мин (или 2,06 Гц). Акселерометр установлен на нижний сегмент мачты.
Из рис. 24 видно, что в спектре присутствуют резонансные частоты 2; 6; 12; 21; 110 Гц. Гармоника с частотой 2 Гц характеризует дисбаланс непосредственно ротора, т.е. частоту вращения ротора; частота 6 Гц - частоты колебаний трех лопастей каждого яруса ВЭУ; 12 Гц - воздействия аэродинамических сил поочередно на 6 лопастей, 21 Гц - частота, близкая к собственной частоте колебаний подшипникового узла. Частота 110 Гц объясняется наличием вибраций генератора. Поскольку генератор имеет 36 магнитов на верхнем и столько же на нижнем основании (табл. 3), т.е. количество пар магнитных полюсов p=18, с учетом наличия трехфазной обмотки, т.е. m=3, частота пульсаций момента генератора Nген будет больше частоты вращения ротора Nрот (Гц) в (pm = 183 = 54) раза. Тогда:
Nген = Nрот 54 = 2,06 54 = 111 Гц. Это значение близко к частоте 110 Гц и говорит о присутствии данной гармоники в связи с наличием нагруженного генератора.
Рис. 24. Результаты измерений ВЭУЦ3 под нагрузкой прибором КЦ4102М
Таким образом, в целом теоретические расчеты полностью сходятся с экспериментальными данными. Дальнейшее увеличение скорости ветра не влияет на рост виброскоростей при отсутствии резонансов.
Шум в данном эксперименте не измерялся. В помещении под мачтой некоторый шум присутствовал постоянно, однако на расстоянии 1 метра от основания мачты шум фона перекрывал шум работающей ВЭУ.
Сравнение максимальных значений амплитуды виброскорости (0,25 мм/с или 0,02510Ц2 м/с на частоте 6 Гц, а также 0,01910Ц2 м/с на частоте 3 Гц) с табл. 11 ГОСТ 12.1.012Ц90 (Вибрационная безопасность Санитарные нормы спектральных показателей вибрационной нагрузки на оператора. Общая вибрация, категория 3, тип "в") дает следующий результат (табл. 5):
Таблица 5
Нормативные значения виброскорости по ГОСТ 12.1.012Ц90 и эксперимент
Табличные данные ГОСТ 12.1.012Ц90 | Экспериментальные данные | ||
Среднегеометрические частоты полос, Гц | Виброскорость, м/с, в 1/1 окт. | Частота, Гц | Виброскорость, м/с, в 1/1 окт. |
3,15 | 0,06310Ц2 | 3,0 | 0,01910Ц2 |
6,3 | 0,03210Ц2 | 6,0 | 0,02510Ц2 |
Из таблицы 5 следует, что ВЭУ можно размещать в непосредственной близости к производственным зданиям, или даже на них. Аналогичное сравнение экспериментальных данных с СН 2.2.4/2.1.8.566Ц96 (Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий, таблица 9 Допустимые значения вибрации в жилых помещениях, палатах больниц, санаториев) позволяет размещать ВЭУ рядом с жилыми зданиями и непосредственно на них.
В Главе 5 Экономическая оценка рынка ВЭУ описывается расчет потенциального рынка малых ветроэнергетических установок, даются рыночные прогнозы, экологические и социальные перспективы внедрения ВЭУ до 30 кВт.
Согласно требованиям проведения НИОКР в части коммерциализации вопрос внедрения результатов исследований является в Российской Федерации одним из стратегических. В соответствии с этим проведение анализа рынка разрабатываемых и создаваемых изделий является побуждающей экономической причиной для создания методологии разработки ветроэнергетических установок на основе научных методов и подходов.
Расчет потенциального рынка малых ветроэнергетических установок произведен исходя из анализа ряда положений, обосновывающих рост износа генерирующих мощностей и необходимости внедрения малой энергетики на основе возобновляемых источников энергии с максимальным приближением электрических и тепловых генераторов к местам потребления. Исходя их этих положений потенциальный рынок для малой ветроэнергетики со стоимостью оборудования 60.000 руб. за кВт мощности ВЭУ прогнозируется следующим образом:
1. Экономически выгодная замена малых дизельных станций агропромышленного комплекса Севера на ВЭУ, по меньшей мере в размере 50%, создаст рынок в объеме 250 тыс. кВт, что эквивалентно нескольким сотням тысяч малых ВЭУ или ориентировочно 250 млрд. руб.
2. При условии планируемой Правительством РФ до 2020 г. замены хотя бы 1% традиционных источников энергии на ветроэнергетику, объем установленной мощности ветроэнергетических установок может составить 2,17 млн. кВт. Из них, по опыту внедрения развитых стран, малые ВЭУ до 30 кВт могут составлять по меньшей мере 5% всего парка, или 100 тыс. кВт установленной мощности, что эквивалентно несколько сотням тысяч малых и сверхмалых ВЭУ, т.е. более 100 млрд. руб.
Таким образом, даже не принимая во внимание объем международного рынка, рост спроса на автономные источники электроэнергии, развитие научноЦтехнических решений в ветроэнергетике, снижение себестоимости ВЭУ, тенденции развитых стран в области развития малой энергетики и, наконец, пренебрегая данными прогнозов по грядущему энергодефициту, можно смело утверждать, что потенциальный рынок малых ВЭУ в России составляет уже в настоящее время свыше 350 млрд. руб. Решение данной проблемы является перспективной народноЦхозяйственной задачей.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Научно обоснован методологический подход к разработке ВО ВЭУ.
2. Разработанная конструкция ВО ВЭУ смоделирована в трехмерной и функциональной моделях, оптимизирована покомпонентно по ряду критериев с целью получения максимальной выработки энергии. В результате применения последовательности итерационных методов покомпонентной оптимизации экспериментально полученный КИЭВ ротора составил 36,5% во всем диапазоне быстроходности с сохранением устойчивой работоспособности на скоростях ветра до 45 м/с с прогнозируемой буревой скоростью 60 м/с.
3. Аэродинамическое регулирование частоты вращения ротора и электронное регулирование мощности ВЭУ позволило поддерживать максимальный КИЭВ во всем диапазоне частот вращения, ограниченным до 180 б/мин.
4. Разработаны технологические процессы изготовления лопасти, генератора, аэродинамического регулятора, ротора ВО ВЭУ. Прочность материала лопастей увеличена на 25%, себестоимость снижена в 2 раза.
5. Разработанная методика вибробалансировки позволила снизить вибрации до уровня 0,01910Ц2 м/с на частоте 3 Гц, что с запасом удовлетворяет требованиям ГОСТ 12.1.012Ц90 и СН 2.2.4/2.1.8.566Ц96. Разработанная методика может быть использована для большинства вертикально-осевых ветроэнергетических установок.
6. Проведенные лабораторные, стендовые и полевые испытания разработанных ВО ВЭУ подтвердили теоретические расчеты мощности, шума и вибраций. Выходная мощность ВЭУ-3 соответствует расчетным характеристикам и составляет 3,5 кВт на скорости ветра 11 м/с. Уровень шума работающей ВЭУ не превышает 58 дБ(А) на расстоянии 10 метров и с запасом удовлетворяет ГОСТ 23337-78 и СН 2.2.4/2.1.8.562-96.
7. Результаты теоретических и экспериментальных испытаний вертикальноЦосевых ВЭУ показали необходимость корректировки действующих стандартов в части разработки и эксплуатации вертикальноЦосевых ветроустановок, с уточнением требований к вибробезопасности.
8. На основе совокупности теоретических и экспериментальных результатов исследований создана методология разработки вертикально-осевых ветроэнергетических установок, позволяющая структурировать и логически организовать методы и средства оптимального проектирования.
9. Потенциальный рынок малых ВЭУ в Российской Федерации оценен в общую сумму свыше 350 млрд. рублей. За счет применения методологии, основанной на методах оптимизации, получена конструкция, которую можно эксплуатировать на урбанизированных территориях, в том числе и АПК с одновременным снижением установочных и эксплуатационных расходов соответственно на 25% и 15%. Себестоимость ВЭУ без введения автоматизированного производства составила от 60 руб. за Ватт мощности оборудования.
10. Создано семейство ВО ВЭУ мощностью 0,1; 1; 3; 5; 30 кВт автономного применения. ВЭУ мощностью 0,1 и 3 кВт внедрены в систему энергоснабжения фермерских хозяйств.
11. В работе решена крупная научная проблема создания универсальной методологии разработки и создания вертикальноЦосевых ветроэнергетических установок, что имеет важное народно-хозяйственное значение для повышения энергонезависимости и обороноспособности страны.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
А. В изданиях, рекомендованных Высшей Аттестационной Комиссией:
1. Соломин, Е.В. Ветроэнергетические установки ГРВертикаль / И.М. Кирпичникова, В.П. Кривоспицкий, Е.В. Соломин // Вестник МАНЭБ. Приложение По Материалам I Международной научноЦпрактической конференции Ресурсосбережение и возобновляемые источники энергии: экономика, экология, опыт применения. - СПб.ЦЧита, 2008. - Т.13. - №3. - С.129Ц134.
2. Соломин, Е.В. Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения / И.М. Кирпичникова, Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия Энергетика. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2008. - Вып.10. - №26. - С.15Ц16.
3. Соломин, Е.В. Сопряжение ВЭУ малой мощности с пленочным электронагревателем для обогрева помещений / И.М. Кирпичникова, И.Н. Панасюк, Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия Энергетика. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2009. - Вып.12. - №34. - С.78Ц81.
4. Соломин, Е.В. Сделано в России! Ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения мощностью 1Е100 кВт для потребителей электроэнергии / Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2009. - №10. - С.74Ц78.
5. Соломин, Е.В. Виброгасители мачт сверхмалых вертикальноЦосевых ветроэнергетических установок / И.М.Кирпичникова, Е.В.Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия Энергетика. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2010. - Вып.13. - № 14(190). - С. 78Ц81.
6. Соломин, Е.В. Инженерный метод и математическое моделирование в проектировании ветроэнергетических установок / Ю.В. Грахов, О.В. Матвеенко, Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия Математика. Механика. Физика. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2010. - Вып.2. - №9(185). - С. 45Ц52.
7. Соломин, Е.В. Экономические аспекты внедрения ветроэнергетических установок / Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия Экономика и менеджмент. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2010. - Вып.14, 20(196). С.32Ц36.
8. Соломин, Е.В. Предложение о сотрудничестве при производстве ветроэнергетических установок / Дж.Куль, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2010. - №1. - С.115Ц125.
9. Соломин, Е.В. Технические особенности и преимущества ветроэнергетических установок / Е.В.Соломин, Р.Л.Холстед // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2010. - №1. - С.36Ц41.
10. Соломин, Е.В. Ветроэнергетические установки ГРВертикаль / Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2010. - №1. - С.10Ц15.
11. Соломин, Е.В. Система освещения, основанная на ветроэнергетической установке / А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2010. - №1. - С.101Ц105.
12. Соломин, Е.В. Преобразование энергии в ветроэнергетических установках / И.М. Кирпичникова, А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2010. - №1. - С.93Ц97.
13. Соломин, Е.В. Контроллер заряда ветроэнергетической установки / А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2010. - №1. - С.106Ц109.
14. Соломин, Е.В. Отопительная система на базе ВЭУ / Н.В. Пронин, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2010. - №1. - С.110Ц114.
15. Соломин, Е.В. Сравнительные характеристики вертикальноЦосевых ветроэнергетических установок / Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2010. - №1. - С.48Ц53.
16. Соломин, Е.В. Ветроэнергетическая экономика / Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2010. - №2. - С.28Ц30.
17. Соломин, Е.В. Ветроэнергетические установки ГРВертикаль для экологических курортов / Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2010 - №2. - С.60Ц64.
18. Соломин, Е.В. Размещение ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения на ответственных инженерных объектах / Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия Строительство и архитектура. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2010. - Вып. 11, 33(209). С.47Ц51.
19. Соломин, Е.В. Основы методологии разработки вертикальноЦосевых ветроэнергетических установок / Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2011 - №1. - С.18Ц28.
20. Соломин, Е.В. Система отопления на основе ветроэнергетической установки и теплового аккумулятора / А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2011 - №2. - С.30Ц33.
21. Solomin, E.V. Development and optimizing of vertical axis wind turbines / E.V. Solomin // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2011 - №1. - С.29Ц39.
22. Соломин, Е.В. Итерационная оптимизация параметров и режимов работы вертикальноЦосевых ветроэнергетических установок / Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия Энергетика. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2011. - Вып. 15(232). С.73Ц81.
23. Соломин, Е.В. Разработка математической модели ветроэнергетической установки мощностью 3 кВт производства ООО ГРВертикаль в пакете Matlab / Н.В. Пронин, А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2011 - №5. - С.41Ц44.
24. Соломин, Е.В. Методы торможения и регулирования частоты ветроэнергетических установок / А.Н. Киндряшев, Е.В. Соломин // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2011 - №5. - С.38Ц40.
25. Соломин, Е.В. Разработка математической модели ветроэнергетической установки мощностью 3 кВт производства ООО ГРВертикаль в пакете Matlab / Н.В. Пронин, А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин // Вестник ЮУрГУ. Серия Энергетика. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2011. - Вып. 7, 35(211). С.49Ц52.
26. Соломин, Е.В. Перспективы использования малых ветроэнергетических установок в агропромышленном комплексе / Е.В. Соломин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - Москва. - 2011. - Вып. 7. С.12Ц15.
27. Соломин, Е.В. Эффективность автономного электроснабжения фермерского хозяйства / А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - Москва. - 2011. - Вып. 9. С.29Ц30.
28. Solomin, E.V. Joint scientific research of Russian and German scientists in renewable energy / E.V. Solomin // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2011 - №10. - С.71Ц82.
29. Solomin, E.V. Photovoltaic or wind solution / E.V. Solomin // Альтернативная энергетика и экология. - М.: НИИЭС, 2011 - №11. - С.83Ц89.
Б. В монографиях, брошюрах, учебных пособиях
1. Соломин, Е.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / И.М. Кирпичникова, Соломин, Е.В. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2009. - 167с.
2. Соломин, Е.В. Возобновляемые источники энергии: учебное пособие к практическим занятиям / И.М. Кирпичникова, Соломин, Е.В. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ. - 2009. - 50с.
3. Соломин, Е.В. Методология разработки и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок: монография / Соломин, Е.В. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2011. - 324с.
В. В патентах, ноу-хау и свидетельствах ФИПС
1. Пат. 2244996 Российская Федерация, МПК7 Н 02 К 19/16 1/06. Генератор переменного тока / С.А.Ганджа, Е.В. Соломин и др. - № 2003124088/09; заявл. 31.07.03; опубл. 20.01.2005, Бюл. № 2. - 3с.
2. Пат. 2347104 Российская Федерация, МПК F03D 3/06 (2006.1). Ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения / Ю.В.Грахов, Е.В.Соломин и др. - № 2006117014/06; заявл. 12.05.2006; опубл. 20.02.2009, Бюл. № 5. - 12с.
3. Пат. 87767 Российская Федерация, МПК F16F 15/133 (2006.01). Амортизатор растяжки ветряной установки / И.М.Кирпичникова, Е.В.Соломин и др. - № 2008138451/22; заявл. 26.09.2008; опубл. 20.10.2009, Бюл. № 29. - 3с.
4. Пат. 100851 Российская Федерация, МПК H01L 33/00 (2010.01). Комбинированная ветросолнечная энергетическая установка со светодиодным излучателем для освещения общественных мест / Е.В.Соломин - № 2010137760/28; заявл. 10.09.2010; опубл. 27.12.2010, Бюл. № 36. - 2с.
5. Пат. 101105 Российская Федерация, МПК F03D 9/02 (2006.01). Комбинированная ветросолнечная энергетическая установка со светодиодным излучателем для освещения общественных мест / Е.В.Соломин - № 2010137417/06; заявл. 08.09.2010; опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1. - 2с.
6. Секрет производства (ноуЦхау) Способ регулирования отбора мощности генератора ветроэнергетической установки / И.М.Кирпичникова, А.С.Мартьянов, Е.В.Соломин. - Приказ № 60 от 18.02.2011 г. - ГОУ ВПО ЮжноЦУральский государственный университет. - 7 с.
7. Пат. 103168 Российская Федерация, МПК F21S9/02 (2006.01). Автономное осветительное устройство / Е.В.Соломин - № 2010138386/07; заявл. 17.09.2010; опубл. 27.03.2011, Бюл. № 9. - 2с.
8. Пат. 108504 Российская Федерация, МПК F03D 3/06 (2006.01). Монолитная лопасть ветроэнергетической установки / Е.В.Соломин - № 2011111177/06; заявл. 24.03.2011; опубл. 20.09.2011, Бюл. № 26. - 2с.
Г. В международных, российских, межрегиональных изданиях и материалах конференций
1. Соломин, Е.В. Описание ВЭУ ООО ГРВертикаль / Е.В. Соломин // Деловой Север. - Екатеринбург, 2008. Вып. 5. - №5. - С.8Ц9.
2. Соломин, Е.В. Ветроэнергетика для дома и офиса. Ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения мощностью 1Е100 кВт для дома и промышленности / Ю.В. Грахов, Е.В. Соломин и др. // Материалы V Международной научноЦпрактической конференции Возобновляемые источники энергии. Ресурсы. Системы энергогенерирования на возобновляемых источниках энергии. - М., 2008. - С.37Ц39.
3. Соломин, Е.В. ПрограммноЦматематическая модель ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения / Ю.В. Грахов, И.М. Кирпичникова, Е.В. Соломин // Материалы V Международной научноЦпрактической конференции Возобновляемые источники энергии. Ресурсы. Системы энергогенерирования на возобновляемых источниках энергии / М., 2008. - С.41Ц42.
4. Соломин, Е.В. ВертикальноЦосевые ветроэнергетические установки: Сделано в России / Е.В. Соломин // Материалы Межрегионального совета по науке и технологиям. Механика и процессы управления и Проблемы машиностроения. ЕкатеринбургЦМиасс: УрО РАН, 2008. - С.17Ц19.
5. Соломин, Е.В. Ветроэнергетические установки ГРВертикаль / Е.В. Соломин // Малая энергетика, М.: ИздЦво НИИЭС, 2008. - №3(8). - С.57Ц61.
6. Соломин, Е.В. Ветроэнергетические установки ГРВертикаль. Перспективы развития // 60Ця юбилейная научная конференция, посвященная 65Цлетию ЮжноЦУральского государственного университета. Секция "Технические науки". Материалы конференции. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2008. - Т.1. - С.23Ц26.
7. Соломин, Е.В. Социальные, экономические и правовые аспекты размещения ветроустановок на зданиях и сооружениях / Е.В. Соломин, И.М. Кирпичникова // Малая энергетика, М.: ИздЦво НИИЭС, 2009. - №1. - С.56Ц61.
8. Соломин, Е.В. Методика балансировки ротора ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения / Е.В. Соломин, И.М. Кирпичникова // Малая энергетика, М.: ИздЦво НИИЭС, 2009. - №1. - С.48Ц52.
9. Соломин, Е.В. ВертикальноЦосевые установки российской ветроэнергетики / Соломин Е.В. // Материалы Регионального научноЦпрактического семинара Современное состояние, проблемы и перспективы использования возобновляемых источников энергии 8Ц9 октября 2009 г. - Элиста: ИздЦво КГУ, 2009. - С.71Ц75
10. Соломин, Е.В. Размещение ветроэнергетических установок мощностью до 10 кВт на кровле зданий / Е.В.Соломин // Материалы IV Международной научноЦпрактической конференции Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии 1Ц3 октября 2009 г. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2009. - С.284Ц290.
11. Соломин, Е.В. Социальные, экономические и правовые аспекты размещения ветроустановок на зданиях и сооружениях / Е.В.Соломин, И.М.Кирпичникова // Малая энергетика. - М.:НИИЭС, 2009. - №1Ц2. - С.29Ц39.
12. Соломин, Е.В. Методика балансировки ротора ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения / И.М.Кирпичникова, Е.В.Соломин // Малая энергетика. - М.:НИИЭС, 2009. - №1Ц2. - С.39Ц43.
13. Solomin, E. High Efficient Low Noise Vertical Axis Wind Turbines / E.Solomin // 21st ISTC Korea Workshop УRenewable EnergyФ. Pusan National University, Korea, 2009. - №1Ц2. - P.38Ц44.
14. Соломин, Е.В. Методика вибробалансировки ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения / Кирпичникова И.М., Соломин Е.В. // Энергетическая политика. - М., 2009 - №5. - с.72Ц78.
15. Соломин, Е.В. Энергосберегающая технология отопления с использованием ветроэнергетических установок / Н.В.Пронин, Е.В.Соломин // Энерго - и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады 16Ц19 ноября 2009 г., научноЦпрактической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых 14Ц18 декабря 2009 г. Екатеринбург. Екатеринбург: ИздЦво УГТУЦУПИ, 2009. С. 492Ц495.
16. Соломин, Е.В. Гашение вибраций ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения / Е.В.Соломин // Материалы 61 научноЦпрактической конференции ЮУрГУ, секции технических наук. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2009. - Т.2. - С. 276Ц280.
17. Соломин, Е.В. Обеспечение вибробезопасности ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения / И.М.Кирпичникова, Е.В.Соломин // Материалы конференции по ВИЭ 9Ц10 июня 2009 г. Москва. - М.,2009. - С.23Ц27.
18. Соломин, Е.В. Использование ветроэнергетических установок для обеспечения энергосберегающей системы отопления жилых помещений / И.М.Кирпичникова, Е.В.Соломин, И.Н.Панасюк. Н.В.Пронин // Материалы научноЦпрактического семинара 14Ц16 апреля 2010 г. Астрахань. - Астрахань: Издат. Дом Астраханский университет, 2010. - С.65Ц68.
19. Соломин, Е.В. Ветроэнергетические установки с вертикальной осью вращения / И.М.Кирпичникова, В.П.Кривоспицкий, Е.В.Соломин // Известия Академии Электротехнических наук РФ. - М., 2010. - №2. С.68Ц72.
20. Соломин, Е.В. Инновационное будущее за регионами / Е.В.Соломин // Debts and financing economic journal. - М., 2010. - №7(44). - С.68Ц69.
21. Соломин, Е.В. Ветроэнергетические установки широкого применения / Е.В.Соломин // Материалы Форума Изменение климата и экология промышленного города. - Челябинск, 2010. - С.65Ц66.
22. Соломин, Е.В. Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии / И.М.Кирпичникова, Е.В.Соломин, И.Н.Панасюк, Н.В.Пронин // сборник трудов Международной конференции с элементами научной школы для молодежи 7Ц10 декабря 2010 г. Астрахань. - Астрахань: Издат. Дом Астраханский университет, 2010. - С.25Ц28.
23. Соломин, Е.В. Контроллер заряда АКБ ветроэнергетической установки / А.С. Мартьянов, Е.В.Соломин // Материалы 62Цой научной конференции секции технических наук. - Челябинск: ИздЦво ЮУрГУ, 2010. - Т. 3. - С.123Ц126.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям