Разработка быстроходного теплогенерирующего агрегата для ветроэнергетических установок малой мощности

Разработка быстроходного теплогенерирующего агрегата для ветроэнергетических установок малой мощности

Н.И. Волков, д-р. техн.наук, проф.; А.А. Папченко, асп.

Сумский государственный университет

Проблема использования экологически чистых возобновляемых источников энергии в настоящее время является весьма актуальной. Наиболее распространенным, перспективным и экономически оправданным направлением признано использование энергии ветра. Многие страны мира, в том числе и Украина, ставят перед собой цели по значительному увеличению доли производимой электроэнергии за счет использования энергии ветра. При этом можно говорить о двух условных направлениях:

1 создании ветроэнергетических установок (ВЭУ) мощностью свыше 50кВт;

2 создании маломощных ветроэнергетических установок мощностью до 50 кВт.

Работа по первому направлению ведется довольно активно, в настоящее время продолжается строительство 4 ветровых электростанций: Восточно-Крымской, Донузлавской, Черноморской, Аджигольской в районах со стабильно высокими скоростями ветра.

В то же время создание маломощных ВЭУ в большинстве регионов Украины связано с рядом проблем, к которым можно отнести:

- непостоянство скоростей ветра во времени, что требует наличия систем аккумулирования или резервирования энергии;

- сравнительно невысокие скорости ветра, при которых использование быстроходных ветродвигателей является малоэффективным.

Таким образом, развитие малой ветроэнергетики связано, в первую очередь, с созданием ветродвигателей, которые позволили бы использовать ветер с малыми скоростями, характерными для многих регионов Украины. В результате более чем десятилетней работы лабораторией ветроэнергетики Сумского государственного университета были созданы ортогональные ветроколеса с лопастями крылового незамкнутого типа. Характерной особенностью данных ветродвигателей является то, что они вступают в работу при сравнительно невысоких скоростях ветра V = 3 - 4 м/с и могут эффективно использоваться в регионах с невысоким ветровым потенциалом [1].

Кроме того, в малой энергетике имеют место проблемы получения качественной электроэнергии, а также использование высокоэффективных аккумулирующих систем, что требует дополнительных затрат и соответственно сказывается на стоимости ВЭУ и себестоимости вырабатываемой электроэнергии.

Прямое использование ветровой энергии без преобразования ее в электрическую в целом ряде случаев оказывается предпочтительным.

В данной статье рассмотрен следующий способ использования ветровой энергии. Энергия ветра посредством ветроколеса преобразуется в механическую энергию вращающегося вала, которая посредством теплогенерирующего агрегата (ТГА) превращается в тепловую энергию. Следует отметить, что потребности в горячей воде довольно велики. Она может использоваться как индивидуальными потребителями, так и фермерскими хозяйствами в целом (например, на животноводческих фермах с численностью голов КРС около 150 требуется ежедневно более 500 л горячей воды). Кроме этого, ТГА может использоваться для обогрева жилых и производственных помещений, теплиц. Не менее эффективным является использование теплогенератора для приготовления продуктов питания животных (приготовление соевого молока, кормовых добавок), где требуется не только дробление продукта, но и его подогрев.

Теплогенератор представляет собой машину гидродинамического принципа действия, в которой превращение механической энергии происходит за счет разгона жидкости лопастями подвижного колеса и последующего торможения на статорных колесах. Схема теплогенератора приведена на рисунке 1.

Теплогенератор состоит из цилиндрического корпуса, на который устанавливаются две торцовые крышки. В крышках устанавливаются два радиально-упорных подшипника ротора, а также манжетные уплотнения, которые исключают утечку рабочей жидкости из полости ТГА. В корпусе неподвижно установлены два статорных колеса, каждое из которых содержит по 4 лопатки. Ротор ТГА представляет собой вал, на котором устанавливаются три подвижных колеса, между которыми предусмотрены дистанционные втулки.

Для выполнения теоретического расчета параметров машины данного типа в [2] была предложена математическая модель рабочего процесса теплогенератора. На основании данной модели были сделаны теоретические расчеты, а также создан исследовательский стенд, на котором были получены экспериментальные характеристики ТГА [3] при невысоких частотах вращения n < 200 об/мин.

С использованием предложенной методики были выполнены расчеты, проведены конструкторские работы и изготовлен экспериментальный образец ТГА. Экспериментальные результаты были получены на исследовательском стенде, где ТГА приводился во вращение с помощью двигателя постоянного тока [2]. В результате был создан тихоходный теплогенератор (n ? 200 об/мин), привод которого может осуществляться напрямую от ветроколеса без промежуточных преобразующих устройств.

При увеличении мощности системы ветродвигатель-теплогенератор соответственно происходит увеличение габаритов ТГА. В этом случае имеет смысл с помощью преобразующего устройства (мультипликатора) повысить частоту вращения вала ТГА с целью уменьшения габаритных размеров при той же потребляемой мощности. Кроме того, подтверждение теоретических расчетов при более высоких частотах вращения (до 1500 об/мин) необходимо и для варианта использования ТГА с приводом от асинхронного двигателя переменного тока.

Учитывая полученную согласно принятой математической модели кубическую зависимость потребляемой теплогенератором мощности

,

где с - плотность рабочей жидкости, кг/м3; b - ширина лопасти рабочего колеса, мм; n - частота вращения ротора ТГА, об/мин; R - радиус конца лопастей рабочего колеса, мм; i - число лопастей на рабочем колесе;
k - число рабочих колес ТГА,

сделан вывод о том, что габаритные размеры ТГА можно существенно уменьшить при повышении частоты вращения ротора (что, в свою очередь, определяет снижение себестоимости установки в целом).

На основании результатов экспериментов тихоходного ТГА были получены коэффициенты распределения потребляемой мощности в зависимости от условия работы подвижных колес, значения которых приведены в таблице 1. Коэффициент показывает часть мощности, потребляемой одиночно установленным рабочим колесом по отношению к теоретической мощности, потребляемой теплогенератором с тремя рабочими колесами.

Таблица 1 - Коэффициенты распределения мощности

Рисунок 2 - Теоретические характеристики быстроходного ТГА при различных диаметрах рабочих колес

Используя полученные коэффициенты, можно получить теоретическую характеристику (рисунок 2) для быстроходного ТГА, оценить значения потребляемых мощностей и определиться с геометрическими размерами рабочих органов, которые позволили бы провести полную серию экспериментов при более высоких частотах вращения для следующих условий испытаний: количество рабочих колес - 1; наружный диаметр рабочего колеса - 340 и 200 мм; диаметр втулки - 70 мм; ширина лопасти - 50 мм; количество лопастей рабочего колеса - 4 шт; расположение рабочего колеса - между двумя статорными колесами, частота вращения - до 1500 об/мин.

Учитывая то, что основным назначением ТГА является превращение механической энергии ветроколеса в тепловую энергию жидкости, выбор теплогенератора следует производить исходя из потребного количества горячей воды и необходимой температуры подогрева жидкости. С этой целью была получена зависимость (рисунок 3), которая показывает необходимую величину мощности P` для подогрева определенного количества воды на 1эС в течение часа. Тогда мощность, необходимую для подогрева массы m воды на величину температуры, можно получить следующим образом:

.

Полученные результаты дают возможность оценить эффективность создания быстроходного теплогенератора, а также подобрать необходимые параметры ТГА под заданные условия работы.

Summary

The article is devoted to prediction of performance curves of high-speed heat generation unit that is designed for conversion of mechanical energy of a wind engine of low power into heat energy of the heat carrier. Theoretical model and empirical factors obtained while conducting the experimental research of a low-speed heat generation unit.

Список литературы

1. Волков Н.И. Расчет аэродинамических характеристик ортогональных ветродвигателей: Монография. - Деп. в ГНТБ Украины 04.12.1996, №2345. - Ук96. - 197 с.

2. Волков М.І. Розрахунок параметрів теплового апарата теплоакумулюючого вітроагрегату/ Вестник НТУУ «КПИ»: Машиностроение . - К. - 1999. - Вып. 34. - С. 3-6.

3. Волков Н.И., Каплун И.П., Папченко А.А. Теплогенерирующий аппарат для ветроэнергетической установки малой мощности/ Вестник НТУУ «КПИ»: Машиностроение . - К., 2002. - Вып. 42.