Глава двадцатая
КВАНТОВЫЕ ВЕТРОЭНЕРГОСТАНЦИИ
20.1. Существующие варианты ветростанций
Современные ветроэнергетические установки, преобразующие энергию движения воздуха в электрическую или механическую энергию, как правило, не производят непосредственно тепловую энергию. Эта задача впервые была решена новыми роторно-квантовыми ветростанциями, созданными в 1995 году. Практика показала, что такая ветроэнергетическая установка по своей эффективности значительно выше, чем обычные ветростанции, производящие электрическую энергию, которую затем можно преобразовать в тепловую. Хотя специалисты считали, что ветроэнергетические станции (ВЭС) достигли границы своей экономичности, но новые установки и двойные технологии нарушили это положение [252]. На фоне вредного влияния выхлопных газов тепловых и электрических станций роторно-квантовые ветростанции (КВЭС) открывают хорошие перспективы в очищении воздушного бассейна для многих регионов. Там, где продолжительность зимы достигает 6 месяцев и более, целесообразно использовать КВЭС. Схематично создание КВЭС подразделяется на пять этапов. На первом этапе необходимо провести изучение места расположения КВЭС и произвести замеры скорости ветра. На втором выбрать оптимальные габаритные размеры КВЭС. Затем провести технические и экологические расчеты. На четвертом этапе необходимо получить все согласования и разрешения от местных или республиканских властей. И наконец, произвести монтаж и принятие в эксплуатацию КВЭС. Эти известные этапы создания ветровых установок позволяют при сооружении КВЭС и солнечных станций действовать более пунктуально [257].
КВЭС может быть использована для производства и аккумулирования тепловой и электрической энергии промышленного и бытового назначения, а также для привода насосных и компрессорных станций, циркуляционных пил и пилорам, мельниц, маслобоен и других энергетических объектов с использованием экологически чистой ветровой энергии [252].
Обычный ветровой двигатель парусного действия с вертикальным валом, работающий в блоке с электрическим генератором, не отличается высоким КПД (30%). Он содержит полуцилиндрические лопасти, связанные с вертикальным валом верхними и нижними горизонтальными траверсами, между которыми расположены вертикальные стойки, снабженные регулировочным грузом с фиксатором и направляющей рейкой, при этом груз установлен с возможностью перемещения по рейке (Патент России № 2006669).
Известна также ветроэнергетическая установка, наиболее близкая предлагаемой по целевому назначению и совокупности существенных признаков, которая содержит ветродвигатель, кинематически связанный с насосом, имеющим всасывающий и напорный патрубки, электрический генератор со своим гидроприводом, тепловой аккумулятор, теплообменник, циркуляционный насос и связующие магистрали (А. с. №969954).
К недостаткам известных ветроэнергетических объектов относится высокая степень их зависимости от силового напора при движении лопастей встречно ветру и низкое соотношение производимой энергии к пассивной массе установки, что обусловлено громоздкостью и сложностью ветродвигателя в одном случае и неэффективностью преобразования энергии ветродвигателя в другом.
Задача, которую необходимо было решить, - это снижение противодействующего вращению ветродвигателя силового напора при движении лопастей встречно ветру и повышение возможностей преобразования энергии ветродвигателя в тепловую энергию.
Эта задача решается за счет того, что в отличие от известной ветроэнергетической установки, состоящей из ветродвигателя, кинематически связанного с насосом, имеющим напорный и всасывающий патрубки, электрического генератора с гидроприводом, нагревателя, теплового аккумулятора, циркуляционного насоса и связующей гидромагистрали, в предлагаемой ветроэнергетической установке ветродвигатель исполнен в форме пары лопастей, образующих в плане 5-образную конфигурацию с центром зеркальной симметрии по оси вращения, на которой лопасти жестко закреплены. На их выпуклой поверхности сформирована ветрогасящая структура, а на удаленных от оси трубах находятся инерционные грузы. Установка вращает насос, который подает жидкость в теплогенератор (рис. 20.1).
Рис. 20.1. Роторно-квантовая ветроэнергетическая реактивная инерционная установка мощностью до 10 кВт.Теплогенератор "ЮСМАР" включен в гидравлически замкнутый контур из связанных гидромагистралью насоса, его напорного патрубка, теплогенератора гидропривода электрического генератора, теплового аккумулятора и входного патрубка насоса. Ветрогасящая структура представляет собой ячеистое покрытие из упругого материала, локально неподвижное относительно поверхности лопасти, с этой поверхностью образовано бинарное соединение, аналогичное по форме ячейкам на мяче для игры в гольф. Ось вращения ветродвигателя и инерционные грузы на лопастях экранированы закрылками и предкрылками, улучшающими вращение лопастей.
Технический результат, достигнутый данным изобретением, заключается в снижении влияния противодействующего вращению лопастей встречного ветра и повышении тепло- и электрической мощности установки при ее компактной, прочной и несложной в обслуживании конструкции.
Это обеспечено выпукло-вогнутой формой лопасти с ветрогасящей структурой по выпуклой поверхности, аналогичной структуре мяча для игры в гольф. Экранирование от встречного ветра инерционных грузов и оси вращения ветродвигателя, а также установка теплогенератора "ЮСМАР" в замкнутую гидроэнергетическую цепь (контур) эффективно преобразовывают вращение ветродвигателя в тепловую и электрическую энергию (Nomec Pert. Golf. Olimpia. Praha, 1988).
При этом под теплогенератором "ЮСМАР" (Неаt generator YUSMAR) понимается агрегат, основанный на скоростном прогоне жидкости в вихревой трубе и последующем резком торможении ее, что приводит к повышению температуры жидкости. Под ветрогасящей структурой имеется в виду ячеистое покрытие, как механически закрепленное на выпуклой поверхности лопасти, так и образованное гофрированием или нанесением в виде гофр и ячеек слоя из материала, обладающего пластичными свойствами.
Схема поясняется рисунками, где изображены:
- на рис.20.2 - ветроэнергетическая установка (общий вид сбоку),
- на рис. 20.3 - поперечное сечение пары лопастей, укрепленных на оси вращения;
- на рис. 20.4 - схема энергетических связей.20.2. Устройство роторно - квантовой ветроэнергостанции
Ветроэнергетическая установка, схема которой приведена на рис. 20.2 и 20.3 образована ветродвигателем 1, кинематически связанным с ним механическим приводом 2, блоком аккумулирования и преобразования энергии 3 и блоком управления 4.
Ветродвигатель 1 состоит из вертикальной оси вращения 5, установленной в подшипниках на опоре 6 и кинематически связанной с механическим приводом 2. оси 5 жестко закреплена пара лопастей 7, протяженных по вертикали и образующих своим поперечным сечением (вид в плане) s - образную конфигурацию, при этом вогнутая поверхность одной лопасти сопряжена с выпуклой поверхностью другой лопасти предкрылками 8, экранирующими ось 5 от ветра и иного атмосферного воздействия. На конечных относительно оси 5 кромках лопастей 7 смонтированы инерционные грузы 9 в виде штанг, экранированных от встречного ветра закрылками 10.
Рис. 20.2. Схема роторно-квантовой ветростанции.По всей выпуклой поверхности лопастей 7 образована ветрогасящая структура 11, например, в виде закрепленного механически на лопасти 7 покрытия из полиэтилена толщиной 1,5-10 мм с ячейками 12x12 мм, шагом ячеек 20-25 мм и степенью вытяжки 4-5. Верхний конец оси 5 охвачен подшипником крестообразной рамы 12с шатровыми упорами 13 и зацепами 14 для растяжек-тросов 15, имеющих якоря средства регулирования 17 натяжения тросов 15. Таким образом, ветродвигатель1 удерживается в вертикальном положении опорой 6 и рамой 12, фиксированной ' рез подшипник на оси 5 растяжками - троссами 15.
Механический привод 2 со своими узлами торможения вращающей регулирования выходной скорости вращения может быть выполнен в нескольких вариантах,
Рис. 20.3. Схема поперечного сечения лопастей роторно-квантовой ветростанции.
Рис. 20.4. Схема энергетических связей роторно-квантовой ветростанции.например в виде зубчатой или фрикционной передачи (узла), планетарного механизма, но во всех случаях он должен соответствовать функциональному назначению - передавать с минимальными потерями энергию ветродвигателя 1 на блок 3 аккумулирования и преобразования этой энергии (см. рис.20.4), который включает в себя насос 18, кинематически связанный с приводом 2 и имеющий входной патрубок 19 для отсасывания рабочей жидкости из теплового аккумулятора 20 через гидромагистраль 21 замкнутого контура и напорный патрубок 22 для подачи под давлением рабочей жидкости в полость (на вход) теплогенератора "ЮСМАР" 23 и через него на турбину (не показана) гидропривода 24 электрического генератора 25. Тепловой аккумулятор 20, теплогенератор 23, турбина гидропривода 24, являющиеся, как и насос 18, составляющими блока 3, образуют по гидромагистрали 22с насосом 18 и его патрубками 19 и 22 замкнутый гидравлический контур, по которому циркулирует рабочая жидкость. Для периодического пополнения рабочей жидкости к замкнутой гидромагистрали 21 подсоединен бак 26. В блок 3 также входит зарядное устройство 27, электроаккумуляторы 28 и преобразователь тока 29, которые с электрическим генератором 25 образуют последовательную электрическую цепь с выходом на потребителя электрической энергии. В тепловой аккумулятор 20 встроен теплообменник 30, например, в виде змеевика со своей магистралью 31 и циркуляционным насосом 32 для перекачивания жидкости через теплообменник 30 и далее к потребителю.
Блок управления 4 объединяет в себе средства ручного и программируемого воздействия через исполнительные элементы на механический привод 2 и агрегаты, составляющие блок 3. Конструктивно блок 4 представляет собой пульт с набором управляющих рукояток и кнопок, связанных с исполнительными элементами (не показаны), а для работы в автоматическом режиме предусмотрена мини-ЭВМ или иной аналогичного назначения агрегат, адаптированный к конкретным исполнительным элементам.
Предлагаемая установка компактна по своему исполнению, но исходя из заданной расчетной мощности, размах и вертикальная протяженность лопастей 7 (см. рис. 20.2) для различных мощностей будут разными. Разными при этом по массе и занимаемой площади будут и опора 6, и рама 12 с шатровыми упорами 13. Но в любом случае установка мобильна, и ее эксплуатацию начинают с монтажа ветродвигателя 1, вертикальности оси 5 которого добиваются воздействием на регуляторы 17 натяжения тросов 15, предварительно навешенных на зацепы 14 и закрепленных якорями 16 в грунте. Затем осуществляют монтаж всех блоков в единую энергетическую схему.20.3. Принцип работы роторно-квантовой ветростанции
Смонтированная роторно-квантовая ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
При взаимодействии ветродвигателя 1 с ветром в силу физической закономерности давление на вогнутую поверхность лопасти 6 всегда больше давления на выпуклую поверхность, поэтому даже при скорости ветра менее 4,0 м/сек для такой пары лопастей всегда существует момент вращения, достаточный для начала работы без дополнительного внешнего стартового воздействия. Уменьшению противодействующего вращению ветродвигателя 1 момента содействуют не только выпукло-вогнутая поверхность лопасти 6, но и предкрылки 8, способствующие преобразованию встречного ветра в попутный за счет "стекания" его с выпуклой поверхности одной лопасти 6 на вогнутую - рабочую поверхность другой парной лопасти 6.
Когда скорость вращения лопастей 6 ниже заданной, блок 4 управления через свои исполнительные элементы регламентирует кратковременную работу ветродвигателя 1 в режиме холостого хода, а при выходе скорости вращения в рабочий режим включает в работу механический привод 2, упорядоченно передающий это вращение на насос 18 блока 3, где механическая энергия ветродвигателя 1 преобразуется в движение рабочей жидкости по замкнутому контуру, образованному связующей магистралью 21. Через напорный патрубок 22 рабочая жидкость под давлением поступает в корпус вихревого теплогенератора 23, где ее движение и нагрев осуществляются по принципу, описанному выше в разделе 8.4. Через выходное сопло теплогенератора эта высокоэнергетическая нагретая жидкость выбрасывается на гидротурбину, кинематически связанную с гидроприводом 24 электрического генератора 25, энергия которого поступает потребителю, предварительно пройдя через электрическую цепь, образованную зарядным устройством 27, набором электрических аккумуляторов 28 и преобразователем тока 29. Горячая рабочая жидкость, миновав гидротурбину, из корпуса теплогенератора 23 по магистрали 21 поступает в тепловой аккумулятор 20, где нагревает циркулирующую в теплообменнике 30 воду или иную жидкую среду, и вновь всасывается насосом 18 через входной патрубок 19, замыкая цикл своего движения. Нагретая в теплообменнике 30 жидкость через свою магистраль 31 перекачивается циркуляционным насосом 32 потребителю.
Ветроэнергетическая установка может работать практически с любым энергопотребляющим механизмом, индивидуально и в совокупности с другими энерговырабатывающими объектами, а также только для выработки тепловой или только электрической энергии, или как механический привод к различным агрегатам. Она автономна, не требует внешней энергетической дотации, мобильна, прочна и может использоваться в различных климатических и атмосферных условиях: при угрозе ураганных ветров ее ветродвигатель 1 может быть быстро демонтирован, а при работе в автоматическом режиме при скоростях ветра, превышающих критические, заданные по программе, он стопорится в положении наибольшей обтекаемости - в боковой проекции лопастей 7 к ветру, образуя в этом случае эллипс с низкой парусностью.20.4. Примеры расчета опор и фундаментов для роторно-квантовой ветроэнергетической установки
Методика расчета выполнена доктором технических наук академиком РАЕН В. И. Бургу.
Определяем площадь поверхности ветростанции:
Ветровая нагрузка.
Пульсирующая ветровая нагрузка.
Полная ветровая нагрузка.
Гололедная нагрузка.
Нагрузка от гололеда на трос на уровне фундамента.
Общая нагрузка в трос на уровне фундамента.
Определяем толщину троса.
Принимаем
В качестве фундамента для растяжек принимаем квадратную в основании пирамиду высотой 3 м. Стороны квадрата равны 3 м (рис. 20.5).
Объем бетона
Вес бетона
Устойчивость не обеспечена.
Рис. 20.5. Схема анкерных призм роторно-квантовой
ветроэнергетической установки "Березка" мощностью 800 кВт.Однако над пирамидой действует грунт весом
Тогда общий вес фундаманта вместе с грунтом
Устойчивость обеспечена.Расчет центрального фундамента ВЭУ - 800 кВт.
Вес ВЭУ- 800 кВт = 10000 Н.
Вес гололеда = 10000 Н.Принимаем общий вес 100000 Н; уn = 1,15.
Принимаем расчетное сопротивление грунта R0 = 0,1 мПа.
Бетон В 15 с Rbt = 0,75 мПа; Rbn = 11,0 мПа; R6 = 8,5 мПа;
Арматуру А-2 с Rs = 280 мПа.
Принимаем глубину заложения фундамента Н = 1,20м.
Стороны фундамента а = b = 1 = 1м.
Принимаем а = b = 1,2м.
Давление грунтаПроверяем условия прочности на действие О.
P=‹ 1.5* Rbt*ho69.4 -1 ‹ 1.5*750*1.13 = 1271 kN.
Максимальный изгибающий момент
Площадь сечения арматуры
Принимаем сетку с 14 стержнями
в обоих направлениях площадью
Шаг стержней
Принимаем S = 90 мм.
Процент армированияНа рисунке 20.6. показана схема основного фундамента РКВЭС.
Такой же фундамент принимаем и под другие ветроэнергетические установки мощностью 200-400 кВт.
Рис. 20.6. Схема фундамента роторно-квантовой ветроэнергетической установки
"Березка" мощностью 800 кВт.
Наш сайт является помещением библиотеки. На основании Федерального закона Российской федерации "Об авторском и смежных правах" (в ред. Федеральных законов от 19.07.1995 N 110-ФЗ, от 20.07.2004 N 72-ФЗ) копирование, сохранение на жестком диске или иной способ сохранения произведений размещенных на данной библиотеке категорически запрешен. Все материалы представлены исключительно в ознакомительных целях.
Copyright © UniversalInternetLibrary.ru
