Типы концентраторов ветровой энергии и их недостатки. Анализ зарубежного опыта проектирования и направления использования концентраторов ветровой энергии. Оценка экономической эффективности проектов в области внедрения альтернативных источников энергии.
В настоящее время перспективным направлением дальнейшего развития энергетикой является получение энергии из возобновляемый источников в частности из энергии ветра. Общей характерной особенностью энергоустановок работающих на основе возобновляемых источниках энергии является то, что для организованного подвода и отвода водного (воздушного) потока к рабочему колесу и от него используются различного типа потоконаправляющие устройства или концентраторы потока. Известен, ветродвигатель, содержащий установленное в башне на вертикальном валу ветроколесо и генератор, кинематически связанный посредством вертикального вала с ветроколесом, башня выполнена в виде вертикального конфузора с входными каналами, расположенными по его нижнему периметру и снабженными регулирующими заслонками, отличающийся тем, что ветродвигатель снабжен вытяжной трубой, размещенной коаксиально внутри конфузора, дефлектором с окнами, регулирующими створками и сетчатым ограждением, установленными на окнах, и флюгером, расположенным на дефлекторе и кинематически связанным с регулирующими створками и сетчатым ограждением, при этом по меньшей мере одно ветроколесо расположено внутри дефлектора и соединено коаксиально установленным внутри вытяжной трубы вертикальным валом с генератором, конфузор размещен на кровле жилого здания, имеющим крышу с чердачным помещением, а нижний конец вытяжной трубы сообщен с чердачным помещением. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является, ветроэлектростанция, содержащая концентратор потока воздуха, выполненный в виде приподнятого над землей шатра, ветроколеса с вертикальным валом, генератора электротока и инерционного аккумулятора, на горловине шатра концентратора размещена вертикальная вытяжная труба, в полости которой установлены одно или несколько ветроколес на вертикальных валах, кинематически связанных с валом генератора электротока и инерционным аккумулятором, а внутри шатра расположен конус с вогнутой поверхностью, причем внутренняя поверхность шатра и наружная поверхность конуса соединены между собой вертикальными перегородками, образующими сужающиеся воздушные каналы, направленные от периферии шатра к центру и снизу вверх к вертикальной вытяжной трубе и лопастям ветроколес, при этом на верхней части перегородок установлены шарнирно заслонки, регулирующие величину движущегося к ветроколесам потока воздуха. Указанный технический результат достигается тем что, что устройство имеет в своем основании три сплошных прямоугольных пластины расположенных под углом 1200 относительно друг друга, на которые установлен концентратор потока воздуха, выполненный в виде приподнятого над землей конусообразного цилиндра, который образует собой вертикальную вытяжную трубу, в полости которой и установлено два ветроколеса на вертикальном вале, кинематически связанного с валом генератора электротока
Введение
В настоящее время перспективным направлением дальнейшего развития энергетикой является получение энергии из возобновляемый источников в частности из энергии ветра.
Однако в настоящее время существует ряд причин, препятствующих широкому использованию энергоустановок, работающих на основе возобновляемых источниках энергии, и в частности ВЭУ. К этим причинам можно отнести: низкую удельную плотность воздушного потока; существенную зависимость величины энергии ветрового потока от природных условий, что обусловлено периодами ветровых затиший различной продолжительности; недостаточную разработанность методов по обоснованию эффективности энергоустановок подобного рода, оптимизации и выбора их основных параметров.
Во многом эффективность работы ветровых энергоустановок зависит от их конструкции и параметров основных элементов. Общей характерной особенностью энергоустановок работающих на основе возобновляемых источниках энергии является то, что для организованного подвода и отвода водного (воздушного) потока к рабочему колесу и от него используются различного типа потоконаправляющие устройства или концентраторы потока. Концентраторы потока представляют собой конфузорные или диффузорные устройства, устанавливаемые в непосредственной близости от рабочего колеса энергоустановки.
Все ныне существующие концентраторы ветровой энергии основаны на следующих принципах.
Эффект Вентури заключается в падении давления, когда поток жидкости или газа протекает через суженную часть трубы. Этот эффект назван в честь итальянского физика Джованни Вентури (1746-1822).
В соответствии с законом Бернулли сумма статического и кинетического давления или потенциальной и кинетической энергий в идеальной несжимаемой жидкости будет постоянной:
IMG_8662e558-d15f-47ba-b44e-60f6fda3a2c0
где, р-давление
IMG_733a5c0c-37a5-4f82-bfcb-792ffe4c6f3b
-плотность жидкости
V- скорость
Падение давления в сужении описывается следующими уравнениями:
IMG_7f9827a5-619d-4ba4-8c44-76c56e2d1ed8
IMG_c13db656-311b-4825-b05c-d0945a424c54
Закон Бернулли позволяет объяснить эффект Вентури: в узкой части трубы скорость течения жидкости выше, а давление меньше, чем на участке трубы большего диаметра, в результате чего наблюдается разница давлений. В результате повышается скорость потока в зоне колеса и, следовательно, коэффициент использования энергии потока. Повышение скорости потока обеспечивает также увеличение мощности агрегата и выработки электроэнергии.
Таким образом, актуальным являются исследования возможностей применения концентраторов потока для повышения эффективности ветровых энергоустановок применительно к районам со средним и малым ветропотенциалом. При этом наиболее целесообразно использовать концентраторы потока с оптимальными параметрами.
Типы существующих концентраторов ветровой энергии
Среди представленных устройств можно выделить: 1. Aao?ionoaiiaea с концентратором энергии
IMG_d926b002-3983-4d56-b88b-bb29ccd9f73e
Рис. 1. Ветроустановка с концентратором энергии
Недостатком данных устройств является малое значение коэффициента использования ветровой энергии и как следствие низкий КПД, при увеличении угла захвата ветрового потока возрастает осевое усилия на башню, что приводит к усложнению конструкции, при недостаточном угле захвата возникает отрыв потока и часть воздушного потока обходит конус по его внешней поверхности.
IMG_354f02c0-c533-4f24-89e4-eb5e003ee3c8
IMG_6801a4f4-57dc-4fbc-a0dd-19be6942f323
Рис. 2. Японская ветроустановка с концентратором энергии
2. Ветроустановка с дефлекторным устройством
IMG_41092b37-2654-41ae-b1df-c550818dd318
Рис. 3. Ветроустановка с дефлекторным устройством
Недостатком известного устройства является то, что для крупных ветросиловых установок раструб получается громоздким, металлоемким, что усложняет облуживание конструкции, а так же приводит к удорожанию всей ветроустановки
IMG_ce497ba5-2711-47d6-b4cd-db73df2e64c1
Рис. 4. Ветроустановка о с дефлекторным устройством - SHEERWIND Inc. of Chaska, Minnesota
3. Солнечно-ветровое устройство
IMG_cbf827b5-85eb-4d9c-8f6d-28f885d8b7f9
Рис. 5. Солнечно ветровая ветроустановка
Такая ветроустановка нуждается в постоянном подводе гелиотепла, имеет большие размеры.
IMG_f1f2b17d-63ea-40d3-a82f-02c90b79b0b0
Рис. 6. Солнечно ветровая ветроустановка
4. Ветроустановка с вихревым устройством
IMG_441237c8-7102-4e3b-afb0-0d4338365170
Рис. 7. Ветроустановка с вихревым устройством
В этой установке поток воздуха совершает несколько поворотов, что повышает сопротивление и приводит к дополнительной потери энергии потока.
5. Aao?ionoaiiaea с турбиной Вентури
IMG_1788d4f5-e5cb-4344-97a1-c0db0f855c90
Рис. 8. Ветроустановка с турбиной Вентури
Ветроустановка имеет сложную конструкцию, низкий КПД
IMG_df3f79bd-efcd-428d-8fd5-620b92ddce28
IMG_08bd8daf-adf0-4b74-a1ab-918a6d0cc308
IMG_1e9e65c4-de5f-486e-90e7-bd705ad6f7bb
IMG_5ea74c59-e85b-421e-8c95-341ed46355ec
Рис. 9. Примеры различных концентраторов ветровой энергии
Как выявил проведенный анализ существующие ветроустановки концентраторы имеют ряд следующих недостатков: · Большие габариты ветроколес приводят к удлинению лопастей что увеличивает расход дорогостоящего материала для их изготовления
· При работе ветроколес большого размера возникают ультразвуковые колебания опасные для человека, что ограничивает применение подобных ветроустановок
· Потери энергии связанные с применением мультипликаторов, для повышения числа оборотов генератора
· Низкий коэффициент использования ветровой энергии
· Нуждаться в устройствах управления, ориентации на ветер
· Сложность конструкции, их металлоемкость и громоздкость
· Сложности при установки и эксплуатации, обусловленные большим количеством вращающихся частей
· Низкая эффективность при низких скоростях ветра, изза неоптимальных конфигураций ветро-захватывающего устройства
· Некоторые виды ветроэнергетических установок нуждаются в постоянном подводе гелио тепла, что затрудняет их эксплуатации в регионах с малым световым днем.
Известен, ветродвигатель, содержащий установленное в башне на вертикальном валу ветроколесо и генератор, кинематически связанный посредством вертикального вала с ветроколесом, башня выполнена в виде вертикального конфузора с входными каналами, расположенными по его нижнему периметру и снабженными регулирующими заслонками, отличающийся тем, что ветродвигатель снабжен вытяжной трубой, размещенной коаксиально внутри конфузора, дефлектором с окнами, регулирующими створками и сетчатым ограждением, установленными на окнах, и флюгером, расположенным на дефлекторе и кинематически связанным с регулирующими створками и сетчатым ограждением, при этом по меньшей мере одно ветроколесо расположено внутри дефлектора и соединено коаксиально установленным внутри вытяжной трубы вертикальным валом с генератором, конфузор размещен на кровле жилого здания, имеющим крышу с чердачным помещением, а нижний конец вытяжной трубы сообщен с чердачным помещением. [Патент РФ RU2038511]
Недостатком данного решения является сложность конструкции, и невысокий КПД.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является, ветроэлектростанция, содержащая концентратор потока воздуха, выполненный в виде приподнятого над землей шатра, ветроколеса с вертикальным валом, генератора электротока и инерционного аккумулятора, на горловине шатра концентратора размещена вертикальная вытяжная труба, в полости которой установлены одно или несколько ветроколес на вертикальных валах, кинематически связанных с валом генератора электротока и инерционным аккумулятором, а внутри шатра расположен конус с вогнутой поверхностью, причем внутренняя поверхность шатра и наружная поверхность конуса соединены между собой вертикальными перегородками, образующими сужающиеся воздушные каналы, направленные от периферии шатра к центру и снизу вверх к вертикальной вытяжной трубе и лопастям ветроколес, при этом на верхней части перегородок установлены шарнирно заслонки, регулирующие величину движущегося к ветроколесам потока воздуха. [Патент РФ RU2062353]
Но такая ветроэлектростанция малоэффективна при низких скоростях набегающего потока.
Техническим результатом изобретения является улучшение энергетических характеристик ветроустановки, а также усовершенствование конструкции.
Указанный технический результат достигается тем что, что устройство имеет в своем основании три сплошных прямоугольных пластины расположенных под углом 1200 относительно друг друга, на которые установлен концентратор потока воздуха, выполненный в виде приподнятого над землей конусообразного цилиндра, который образует собой вертикальную вытяжную трубу, в полости которой и установлено два ветроколеса на вертикальном вале, кинематически связанного с валом генератора электротока
Концентратор образует собой сужающиеся воздушный канал, открытые широкой частью для входа потока воздуха и узкой частью для выдачи суженного и ускоренного потока, в нем установлены ветроколеса на вертикальном вале. Таким образом весь воздушный поток, входящий в вертикальный конфузор, пройдет через него (через ветроколеса), с более высокой скоростью, чем скорость наружного ветра.
Так как мощность ветроэлектростанции имеет кубическую зависимость от скорости ветра, обдувающего ветроколесо [Шефтер Я.И. Рождественский И.В. "Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты", Москва, 1967 г.], то для повышения мощности ветроэлектростанции выгоднее идти путем увеличения скорости ветра, обдувающего ветроколесо, чем путем увеличения диаметра последнего. Теоретически увеличение скорости ветра с помощью концентратора в 4-5 раз может дать увеличение мощности электростанции, соответственно в 64-125 раз по сравнению с ветроагрегатом, имеющим такой же диаметр ветроколеса, работающего при обычной внешней скорости, без концентрации потока воздуха. [Патент РФ RU2062353]
Изобретение поясняется прилагаемым чертежом, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема ветроэнергетической установки. 1-основание концентратора, сплошные прямоугольные пластины (направляющее ветрового потока), 2- концентратор, 3,4- ветроколеса, 5- вертикальный вал кинематически связанных с валом генератора электротока.
Предлагаемое устройство работает следующим образом, поток ветра любого направления, встречая на своем пути препятствие в виде сплошных пластин основания концентратора 1, входит между двумя пластинами основания имеющих между собой угол в 1200, и сужаясь между вертикальными перегородками 1, резко меняет свое направление, за счет чего ускоряясь, устремляется снизу-вверх в полость вертикальной вытяжной трубы концентратора 2. При сужении потока воздуха скорость его движения возрастает в несколько раз. Затем ускоренный поток воздуха попадает на лопасти нижнего ветроколеса 3, вращает его, создавая крутящий момент на валу 5, который кинематически связан с валом генератора Ротор генератора получает вращение и начинает вырабатывать электроток для потребителя. Далее, поток воздуха, отдав часть энергии нижнему ветроколесу устремляется к лопастям верхнего ветроколеса 4, вращая его отдает оставшуюся часть энергии.
Таким образом предлагаемая конструкция ветроэнергетической установки позволяет отказаться от строительства ветроколес с большим диаметром, при этом сохраняя такую же мощность. Конструкция позволяет получать электроэнергию за счет движения воздуха, даже в регионах с относительно низким уровнем ветровой энергии.
Электрическая мощность, выдаваемая ветроустановкой не зависит от направления ветра и не нуждается устройствах слежения за направлением ветра. Так же несомненным преимуществом является отсутствие сложносоставных деталей, что упрощает производство и эксплуатацию данной ветроустановки.
Принципиальная схема ветроэнергетической установки: Вид спереди
IMG_dfb8d88a-a0cd-43ed-a10e-5e24abb18c09
Принципиальная схема ветроэнергетической установки: Вид снизу
IMG_9cf92a30-f295-44e4-8162-1909d3b6b5cf
Опыт проектирования концентраторов ветровой энергии
Зарубежными учеными очень активно идет процесс изучения проектирования ветроэнергетических установок в частности концентраторов ветровой энергии.
Исследование показывают, что скорости течения воды в диффузоре увеличивается, когда угол диффузора увеличиваться. При угле диффузора 20°, скорость увеличение в 1,96 раза, по сравнению со скоростью набегающего потока.
Исследование показывает, что энергия, генерируемая ВЭУ в основном пропорциональна его ометаемой области и третьей степени скорости ветра. Таким образом, расширение площади охвата или увеличение скорости ветра может значительно увеличить выходную мощность. Диффузор является наиболее широко используемым инструментом для повышения скорости ветра, для малых ветроэнергетических установок. Открытый угол является одним из основных геометрических параметров диффузора. Основной целью данной статьи является в полной мере оценить влияние этого параметра. Результаты, полученные из численного моделирования и экспериментов показывают, что соотношение между скорости набегающего потока и скорости ветра попавшего в диффузор линейно возрастает с открытым углом достигает максимума при угле около 10 ° (численное моделирование) и 7 ° (измерений эксперимент), а затем уменьшается.
Конфузор-диффузор повышают эффективность малых ветроэнергетических установок, степень повышения производительности, зависит от нескольких факторов, в том числе формы диффузора, профиля лопастей и от конкретного места установки.
Использование концентратора ветровой энергии
Ветроустановки получают все более широкое распространение для получения электроэнергии и совершения механической работы, в рисунке 19 приведены главные функции ветроустановки.
IMG_051a9373-be0e-4ea6-bc92-7b53861c0f69
Рис. 1. Главные функции ветроустановки
Наиболее перспективными направлениями ветроэнергетики в РФ сегодня являются: · Автономные ветроэнергетические комплексы средней мощности o Где это актуально: Территории нового освоения, где отсутствуют централизованные сети (северные территории, Сибирь и Дальний Восток, горные территории). o Потенциальные объекты: Военно-стратегические объекты (военные части, погранзаставы, объекты связи и т.д.), небольшие промышленные предприятия (рыбзаводы, деревообработка и т.п.), туристические объекты (охотхозяйства, кемпинги, базы отдыха и т.д.), жилые поселения (небольшие поселки, метеостанции).
· «Псевдосетевые» ветроэнергетические комплексы средней мощности o Где это актуально: Везде, где имеются достаточные ресурсы ветра, нестабильное энергоснабжение из сети, высокий уровень тарифов на электроэнергию. o Потенциальные объекты: Любые объекты, подключенные в сеть и имеющие место для установки ветрогенератора (коттеджные поселки, базы отдыха и т.д.).
Экономическая эффективность ветроэнергетический установка концентратор
В статье [21] представлена методика оценки экономической эффективности инновационно инвестиционных проектов в области внедрения альтернативных источников энергии, отличающаяся от существующих комплексным учетом специфических показателей (среднегодовая скорость ветра; диаметр ротора ветрового колеса; площадь, занимаемая ветровыми установками; коэффициент использования мощности; функция определения прогнозируемой стоимости ветровой установки; затрат на доставку оборудования; затрат на подготовку фундамента и монтажа оборудования; затрат на обслуживание; налога на имущество; налога на землю; затрат на переподготовку сотрудников и т. д.).
В статье [22] рассматриваться экономические аспекты развития ветроэнергетики; авторы приводят данные о стоимости производства электроэнергии на ВЭУ. Сравнивая их с традиционными способами, проводят сравнительную оценку рентабельности строительства и коммерческой жизнеспособности ветроэнергетике, а так же отмечают ценность экологической чистоты ВЭУ и перспективность их использования
Таким образом, внедрение возобновляемой энергетики, в частности ветроэнергетики, может оказать значимую помощь в энергообеспечении районов со слабой топливной базой, плохими транспортными условиями и слабом развитии электрических сетей, при всем этом сохраняя свои несомненные преимущества экологичность, возобновляемость, независимость от топливо сырьевой базы.
Перспективы развития
Технологическая значимость продукции продолжает наметившиеся тенденции развития конструкций ветроэнергетических установок, путем упрощения конструкции при одновременном повышение энергетических характеристик предполагаемого изделия.
Для кардинального развития ветроэнергетики в первую очередь необходим поиск и разработка новых перспективных технических решений преобразования кинетической энергии ветра, повышающих эффективность ветровых установок, так как современные ветроэнергетические установки работают в основном в диапазоне ветров от ~8 до ~30 м/с; они не могут работать без системы «установка на ветер», а наиболее совершенным необходимо автоматическое управление углом атаки лопасти ветроколеса; ветроприемное устройство лопастных ветроустановок подвержено «гироскопическому эффекту», они имеют низкий КПД и достаточно высокую стоимость.
Перспективные системы должны быть спроектированы с ветроприемниками возможно меньшей массы, которые используют для приведения их в действие не силу сопротивления, а подъемную силу, чтобы иметь большую быстроходность при больших значениях коэффициента использования энергии ветра.
В ходе проведенного анализа можно сказать что обеспечение эффективной работы ветроэнергетических установок в регионах с малым ветропотециаолом возможно только при использовании концентраторов ветровой энергии.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
