Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок




НазваниеМетодология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок
страница1/4
Дата01.10.2012
Размер0.64 Mb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4


Российская академия сельскохозяйственных наук

Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт

электрификации сельского хозяйства


На правах рукописи


Соломин Евгений Викторович


методологиЯ РазработкИ и СОздания

вертикально–осевых

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 «Южно–Уральский 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 «____»___________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, 1–й Вешняковский проезд, 2. Факс: (499)170–51–01, E–mail: viesh@dol.ru. Отзывы на автореферат просим высылать по указанному адресу.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ РАСХН.

Автореферат разослан «___» ____________ 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 XX–XXI 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 научно–исследовательских работ оборонного комплекса России, осуществляемой Международным научно–техническим центром, г. Москва (2004–2010 гг.), трижды – Минобрнауки РФ, г. Москва (2009–2011 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 вертикально–осевых 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: вертикально–осевые ветроэнергетические установки с вновь разработанным модифицированным ротором Дарье.

Предмет исследования: эксплуатационные и конструктивные параметры вертикально–осевой 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 вертикально–осевых 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 вертикально–осевых ВЭУ с целью снижения шума и вибраций.

Создано, испытано, внедрено и находится в опытной и коммерческой эксплуатации более 50 вертикально–осевых ветроэнергетических установок (ВО ВЭУ) с 3, 4 и 6–лопастными 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 «Южно–Уральский 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. Сан–Франциско (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 предприятий–производителей комплектующих (ООО «ГРЦ–Вертикаль», ОАО «Государственный Ракетный Центр, КБ им. Макеева», ОАО «КумАПП», Empire Magnetics, Inc. (США), WindSail, Inc. (США) и др.).

На базе ООО «ГРЦ–Вертикаль» создано опытное производство ВЭУ–3 (номинальная мощность 3 кВт). За 2009–2011 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: ВЭУ–0.1 (0,1 кВт, 2 шт), ВЭУ–1 (1 кВт, 4 шт), ВЭУ–3(4) (3 кВт, 1 шт), ВЭУ–3(6) (3 кВт, 5 шт), ВЭУ–5(6) (5 кВт, 1 шт), ВЭУ–30(6) (30 кВт, 1 шт).

Рекомендации и проекты изменений ряда ГОСТ и стандартов организаций по ветроэнергетике переданы в ЗАО «НПЦ 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 научно–практических 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.; 21–ом научном форуме Международного научно–технологического 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 Южно–Уральского 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 научно–технической редакции «ACTA Press» (Калгари, Канада), экспертом 7-ой Рамочной Программы Евросоюза и т.д.

Личный 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 ноу–хау.

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 горизонтально–осевых 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 80–х годов XX века. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикально–осевые 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 вертикально–осевая 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 «
  1   2   3   4

Похожие:

Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок iconМетодические указания проведение изыскательских работ по оценке ветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок рд 52. 04. 275-89
Методические указания предназначены для организаций, занимающихся разработкой и размещением ветроэнергетических установок, специалистов...
Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок iconКодекс установившейся практики
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, энергетика возобновляемая нетрадиционная, ветроэнергетическая станция, безопасность...
Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок iconПри выполнении заданий части а обведите номер, который соответствует номеру выбранного вами ответа
Мяч бросали с балкона три раза с одинаковой по модулю начальной скоростью. Первый раз бросили вертикально вверх, во второй раз- горизонтально,...
Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок iconПостановление от 12 мая 2010 г. N 34 о региональном сегменте единой вертикально интегрированной государственной автоматизированной системы "управление"
Постановлением Правительства Российской Федерации от 25. 12. 2009 n 1088 "О единой вертикально интегрированной государственной автоматизированной...
Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок iconМетодология управления социальными процессами в научных и образовательных системах на основе когнитивных и динамических моделей
Охватывает все важнейшие этапы организационных действий, объединяя их в единую систему, что снижает неопределенность в решении задачи...
Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок iconСписок оборудования зао «Завод «Киров-Энергомаш» для реализации на 11. 06. 2010г
Станок радиально-сверлильныйСтанок токарно-винторезный с чпустанок токарно-винторезный с чпустанок вертикально фрезерный с поворотной...
Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок icon1) Факультет разработки угольных месторождений и подземного строительства (рпм)
Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов (ГЭ)
Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок iconАцюковский В. А. Общая эфиродинамика
Аркавенко Л. Н. Методические основы создания и использования системы приборов и установок для факультативного курса «Химия в промышленности»:...
Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок iconС воздухом рассматриваются вопросы создания систем организации горения с низким уровнем эмиссии no
Первый межведомственный научно-технический семинар по проблемам низкоэмиссионных камер сгорания газотурбинных установок
Методология разработкИ и создания вертикально-осевых ветроэнергетических установок iconМетодология создания локальной системы позиционирования подразделений пожарной охраны мчс россии на основе ретрансляции сигналов глобальной навигационной системы глонасс

Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница