Разработка передвижной быстровозводимой энергоустановки на возобновляемых источниках энергии. Механическая часть



В статье раскрывается сущность разработки быстровозводимой мобильной энергоустановки, способной работать от возобновляемых источников энергии, таких как ветер, движение воды, солнечный свет, как по отдельности, так и в совокупности, и снабжать электрической энергией передвижные, удаленные от основных сетей объекты. Рассмотрены вопросы определения конфигурации и оптимизации геометрических параметров ротора энергоустановки, разработки профиля крыла, способного эффективно работать в составе ротора, разработки сборно-разборного каркаса энергоустановки.

Ключевые слова: ветрогенератор, энергоустановка, генерирующие системы, аэродинамический профиль крыла, мини гидроэлектростанция

Сегодня трудно представить современный мир без электроэнергии. Электричество стало одним из основных видов энергии использующейся человечеством. Освещение, компьютеры, телефоны, телевизоры, промышленное и бытовое оборудование все это и многое другое работает на электроэнергии. Но несмотря на это, в мире существует множество объектов, электроснабжение которых существенно затруднено, либо вовсе отсутствует, ввиду таких обстоятельств как удаленность объекта от стационарных электросетей, либо передвижной характер объекта. В настоящее время снабжение электрической энергией таких объектов осуществляется преимущественно бензиновыми, дизельными, аккумуляторными электростанциями. В ряде случаев, применение таких генерирующих устройств бывает затруднено, по причине относительно низких температур в зоне эксплуатации станций, либо препятствий, связанных с затруднением поставки топлива на генерирующие станции. Предлагаемая передвижная быстровозводимая энергоустановка, работающая от возобновляемых источников энергии, является не только экологически чистой альтернативой существующим системам энергоснабжения, но и способна эффективно решать задачи невыполнимые при использовании традиционных технологий — это автономное энергоснабжение передвижных и удаленных от электрических сетей объектов.

В мире существует целый ряд конструкций ветросолнечных станций, на базе как вертикальных, так и горизонтальных генерирующих установок, но в основной степени конструкции предполагают стационарное, жесткое крепление основания маты станции к фундаменту. Такой вид станций не мобилен.

На сегодняшний день существуют разработки каркасных станций в США, Италии, но они используют в своей работе малоэффективные, несбалансированные парусные турбины, и высокооборотные генераторы. Такие станции подвержены сильным пульсациям при больших ветровых нагрузках, с возникающей опасностью их разрушения в процессе работы.

Целью данной научно исследовательской работы является: «Разработка и испытание экспериментальной модели механической части передвижной быстровозводимой энергоустановки и рабочего элемента — ротора». Данная энергоустановка представляет собой передвижную электростанцию, способную вырабатывать электрическую энергию от ветра, воды, солнца и накапливать её в аккумуляторной системе.

В рамках данной работы рассмотрены следующие вопросы:

1. Определение конфигурации ротора турбины;
2. Определение оптимального профиля крыла и параметров ротора;
3. Разработка сборно-разборного каркаса;
4. Экспериментальные испытания энергоустановки.

Конечной целью работы являлось создание, на основе поставленных экспериментов и полученных при этом данных, рабочего образца передвижной быстровозводимой энергоустановки, работающей на энергии ветра, солнца, воды, не имеющего аналогов.

1. Определение конфигурации ротора турбины.

Разрабатываемая энергоустановка должна отвечать таким требованиям, как низкая стоимость, безопасность, бесшумность, мобильность, возможность работы как в водной среде, так и на воздухе. Были исключены варианты роторов с высокой скоростью вращения, и роторы, нуждающиеся в ориентировании на направление набегающего потока. Возникла необходимость в проведении сравнительного анализа существующих роторов, которые удовлетворяют требованиям поставленных задач и проведение выбора наиболее подходящего ротора для применения в энергоустановке. Для сравнительного анализа были выбраны наиболее эффективные роторы с вертикальной осью вращения, результаты анализа представлены в (таблице 1) [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10].

Таблица 1

Сравнительный анализ роторов

№пп	Наименование	Номин. скорость вращения	Вибрацион. нагрузки	Коэффициент эффективности ротора	Стартовый момент.	Стоимость
1	Ортогональный	180–400	высокие	0,4	средний	низкая
2	Геликойдный	180–400	низкие	0,4	низкий	высокая
3	Дарье	180–400	высокие	0,35	низкий	низкая
4	Савониуса	60–120	средние	0,15	высокий	средняя
5	Многолопастной с концентратором	400–600	низкие	0,48	средний	очень высокая

Как видно из сравнительной таблицы, наиболее эффективным ротором является многолопастной ротор с концентратором, но его материалоемкость и повышенная сложность в изготовлении очень сильно увеличивают стоимость конечного продукта. При этом, высокая скорость вращения является объектом повышенной опасности и шумового загрязнения. Для разрабатываемого нами ротора наиболее подходит ортогональный тип ротора, отличительными качествами которого являются сравнительно высокая эффективность и низкая трудоемкость в изготовлении. С целью уменьшения пульсации ротора и стабилизации крутящего момента целесообразно разделить ротор на три яруса, каждый ярус такого ротора сместить относительно другого на равный угол 60⁰ как это предлагает В. М. Лятхер [3]. (рисунок 1). С целью увеличения надежности ротора было принято решение разнести опорные ступичные узлы попарно противоположно на расстояние 2,7 м друг от друга.

Рис. 1. Рекомендуемый вариант компоновки ротора

2. Определение геометрии крыла ипараметров ротора энергоустановки.

Для эффективной работы ротора необходимо создать профиль крыла, работающий на малых скоростях ветра с числом Рейнольдса от Re=150000 до Re= 920000. За основу был взят симметричный профиль NACA.

В ходе исследования параметров профиля лопасти, с использованием компьютерного симулятора аэродинамических характеристик профилей, было определено, что подходящие характеристики имеет профиль с максимальной толщиной 20 % на 35.2 % хорды, максимальной кривизной 0 % на 0 % хорды далее по тексту — NACA0020mod (рисунок 2).

Рис. 2. Профиль лопасти NACA0020mod

На (рисунке 3) представлены графики зависимости коэффициента подъёмной силы от угла атаки при разных числах Рейнольдса (Re). Из графиков видно, что для профиля NACA0020mod оптимальный угол атаки находится в диапазоне 8–9 градусов (рисунок 3,4).

Рис. 3. Коэффициент подъемной силы Cl в зависимости от угла атаки

Рис. 4. Отношение сопротивления Cd/Cl профиля

Конструкция лопасти оптимизирована из условия минимальной массы при максимальной прочности и приемлемой технологичности изготовления. Каркас лопасти, представляет из себя, металлические нервюры, соединенные между собой алюминиевыми стрингерами, дополненные двумя стальными стержнями, расположенными вдоль линии хорды. Обшивка лопасти выполнена из композитного материала в сочетании с алюминием.

Центробежная сила, действующая на лопасть, при скорости вращения ротора 390 об/мин составляет 2095 Н.

Испытания лопасти показали, что при длине свободно опертой (на двух опорах) лопасти длинной 900мм сосредоточенная нагрузка в 2100 Н приложенная в середине пролета, вызывает только упругий прогиб в пределах трех миллиметров. Масса лопасти составляет 1,4 кг.

При конструировании ротора учитывались максимально допустимые габариты каркаса энергоустановки. В соответствии с требованиями к перевозимым грузам, оптимальные габаритные размеры каркасы должны вписаться в ширину 2,2м, высоту 2,8м, длину 3м. Исходя из размеров каркаса, проводились испытания роторов диаметром от 1 м до 2 м. Наибольшую эффективность удалось получить при использовании двух лопастей в каждом ярусе ротора при диаметре 1,8м. При высоте яруса 0,9м расчетная эффективность ротора достигла 29 % (рисунок 5). V/U=3.34, где V — линейная скорость движения лопасти м/с, U — скорость ветра м/с.

Рис. 5. Эффективность ротора

Мощность ротора из трех ярусов, при ветре 11 м/с, развороте хорды на 3–4⁰ относительно аэродинамического центра и оптимальной частоте вращения 390 об/мин достигла 1,13 кВт (рисунок 1). При ветре 12 м/с, частота вращения постоянна — 420 об/мин. При ветре более 12 м/сек, ротор предполагается затормаживать электромагнитным тормозом. При достижении ротором оборотов свыше 450 об/мин, агрегат планируется останавливать аэродинамическим тормозом. Аэродинамический тормоз исполнен по средством применения саморазрушающейся втулки и крепежного болта при креплении лопасти. В случае повышения скорости ветра свыше 27 м/с под действием центробежной силы происходит разрушение втулок крепления и лопасть разворачивается перпендикулярно набегающему потоку, что приводит к торможению ротора. Разворот лопасти происходит вокруг оси крепежного болта.

Суммарный крутящий момент на оси ротора при ветре 12 м/с и частоте вращения 420 об/мин изменяется в пределах нормы — 33–34Нм. Практически не меняется продольная (359–368 Н) и поперечная (93–111 Н) силы, действующие в опорах ротора. Каждой скорости ветра отвечает четкий максимум и разгонная частота вращения (рисунок 6) [1].

Рис. 6. Суммарный крутящий момент (Нм) и мощность

На данном этапе работы было выявлено, что максимальная эффективность ортогональных турбин увеличивается с уменьшением числа лопастей при сохранении оптимального затенения. Однако, с уменьшением числа лопастей, увеличивается пульсация крутящего момента и всех сил, действующих на ротор. Это противоречие преодолевается созданием многоярусных сбалансированных роторов.

3. Разработка сборно-разборного каркаса из профильной трубы.

В рамках данного этапа работы, исследования были направлены на выбор оптимального материала, конфигурации и конструктивного решения сборно-разборного каркаса. Ввиду того, что энергоустановка должна отвечать таким требованиям, как низкая стоимость, безопасность, прочность, мобильность, возможность работы как в водной среде, так и на воздухе, в качестве основного материала использовался дюрале алюминий АД16.

Для изготовления каркаса энергоустановки было решено применить профильную трубу АД16 40х40х1,5мм. Данный материал подходит по прочностным характеристикам и выдерживает как статические, так и динамические нагрузки, действующие на каркас энергоустановки. Учитывая габаритные размеры ротора 2700х1800мм. Был изготовлен каркас, имеющий геодезическую структуру в форме восьмигранной призмы с габаритными размерами 2000х2000х3500мм (рисунок 7). Форму восьмигранной призмы не сложно изготовить, такая форма каркаса обеспечивает устойчивое положение энергоустановки в процессе работы. Так же возможно изготовление каркаса любой другой формы (Цилиндр, куб, многогранная призма).

Рис. 7. Каркас с ротором в сборе

В результате работ, был изготовлен каркас ротора. Каркас состоит из основных трех несущих разборных восьмигранников (рисунок 7, 1). Диаметр вписанной окружности которого составляет 2 м. В основании каркаса восьмигранника размещаются крестовины (рисунок 7, 2). Для эффективного распределения нагрузки на основание энергоустановки, крестовины изготовлены в виде пирамиды, в центре которых расположены опорные узлы. Верхний опорный узел состоит из ступицы с самоцентрирующимся радиальным подшипником (рисунок 7, 3), нижний опорный узел состоит из ступицы, с радиально-упорным подшипником (рисунок 7, 4) Крестовины соединяются с восьмигранниками с помощью болтовых соединений (рисунок 7, 5). В центре каркаса монтируется съемный вал ротора (рисунок 7, 6). Вал крепится к опорным узлам с помощью фланцевого соединения. Три несущих восьмигранника обвязываются между собой тягами (рисунок 7, 7), которые также крепятся с помощью болтовых соединений и в совокупности с восьмигранниками, образуют целостную восьмиугольную призму, по центру которой смонтирован вал ротора. На роторе ветростанции имеется 4 фланца (рисунок 7, 8), на которые крепятся траверсы (рисунок 7, 9). На каждую параллельно смонтированную траверсу закрепляется лопасть (рисунок 7, 10). С целью максимального использования мощности аэродинамического профиля крыла, на траверсе имеются посадочные места для изменения угла атаки профиля крыла. Угол атаки профиля крыла меняется в пределах от 4 до 16 градусов (рисунок 7, 11). Траверсы изготовлены таким образом, что имеют возможность сборки как трехъярусной станции со сбалансированным ротором, так и одноярусной станции на увеличенное крыло 2,7 м. Это сделано с целью использования станции как в зонах с малыми ветрами, так и в зонах с повышенными ветрами.

4. Экспериментальные испытания энергоустановки.

Для проведения испытаний был изготовлен прототип механической части энергоустановки. Энергоустановка была установлена на поддон, без дополнительного крепления к земле. Испытания проводились на открытом пространстве с естественным ветром. На протяжении 6 месяцев собирались следующие данные: уровень вибраций, скорость ветра, температура, частота вращения ротора, скорость ветра при которой ротор трогается и выходит на номинальные обороты, оценка состояния крепежных узлов и элементов энергоустановки.

В результате проведения испытаний было определенно:

1. Ротор трогается при скорости ветра в диапазоне от 2 до 2,5м/с.
2. Ротор выходит на номинальные обороты 390 об/мин при скорости ветра 10 м/с.
3. При скорости ветра 15 м/с (максимальный испытательный ветер) частота вращения ротора не превышает 420 об/мин.
4. При максимальном ветре 15м/с каркас стоит устойчиво без колебаний, вибрации на каркасе прототипа настолько незначительны, что ими можно пренебречь.
5. При образовании обледенения на лопастях ротора возникают вибрации связанные с разбалансировкой ротора, что приводит к повышению нагрузки на ступичные узлы.
6. Спустя 6 месяцев работы в условиях средней полосы России никаких повреждений и деформация узлов и несущих конструкций прототипа не выявлено.

Вывод.

В результате проведения НИР была разработана механическая часть энергоустановки, состоящая из трехъярусного ортогонального сбалансированного ротора мощностью 1,13 кВт с модифицированным аэродинамическим профилем лопасти заключенного в каркасе, в виде восьмигранной геодезической призмы. Ротор оборудован противобуревой защитой. Габаритные размеры энергоустановки обеспечивают выработку энергии в требуемом диапазоне и соответствуют требованиям к перевозимым грузам, что позволяет беспрепятственно транспортировать энергоустановку на территории России. Ротор способен работать как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, легко транспортируется. Результаты испытаний показывают целесообразность использования разработанного каркаса и ротора в составе передвижной быстровозводимой энергоустановки.

Сборка ротора может производится бригадой из двух человек, без применения спецтехники. Так же, энергоустановку возможно транспортировать в собранном состоянии, установив ее в горизонтальное положение и произведя блокировку вращения ротора. Для того что бы запустить энергоустановку в работу, достаточно установить ее в вертикальное положение и разблокировать ротор. Для установки не требуется фундамент, либо дополнительно крепление энергоустановки. Испытания показали, что при номинальной скорости ветра энергоустановка стоит устойчиво, уровень вибраций минимален.

Для завершения разработки передвижной быстровозводимой энергоустановки необходимо решить следующие задачи:

1. Создание безредукторного тихоходного двухскоростного электрогенератора, согласованного по вырабатываемой мощности и крутящему моменту с ротором энергоустановки, на всем диапазоне частот вращения вала отбора мощности.
2. Создание электронной системы удаленного контроля, диагностики и управления установкой.
3. Создание эффективной системы аккумулирования произведенной энергии.

Литература:

1. Лятхер В. М. Возобновляемая энергетика. Эффективные решения. М.: 2011.
2. Лятхер В. М. Ветроагрегаты нового поколения, Энергия Экономика Техника Экология 2009 № 8 С. 30–33; № 9 С. 14–21.
3. Лятхер В. М. Ортогональный энергетический агрегат. Патент РФ № 2380566. Приоритет 22.10.2008. БИ № 3, 27.01.2010.
4. Киселёв Б. Ю., Киселёв Г. Ю., Боева Л. В. Обзор основных типов ветрогенераторов и перспективы развития ветроэнергетики в России // Молодой ученый. — 2016. — № 20. — С. 153–155.
5. Альтернативные источники энергии. [Электронный ресурс] URL: http://www.alternatesource.ru.html (дата обращения 03.09.2016).
6. Альтернативная энергетика [Электронный ресурс] URL:http://anyenergy.ru.html (дата обращения 03.09.2016).
7. Ветроустановки. [Электронный ресурс] URL: http://www.wetroenergetika.ru.html (дата обращения 03.09.2016).
8. Колосов П. Б. Ветрогирлянды. / П. Б. Колосов // Сайт «Малая энергетика» – М. 2006.
9. [Электронный ресурс] URL:http://vetrodvig.ru.html (дата обращения 15.05.2014).
10. [Электронный ресурс] URL:http://machinepedia.org.html (дата обращения 15.05.2014).