Повышение уровня энергообеспеченности бытовых потребителей в доме фермера путем исследований и создания конкурентно-способной автономной ветроэлектрической установки малой мощности

Как и вся отечественная промышленность сельскохозяйственное производство в России переживает кризис. Одним из перспективных путей преодоления 1физиса является увеличение числа фермерских хозяйств и поддержка уже существующих. Фермерские хозяйства по сравнению с коллектив ными обладают следующими преимуществами: Выше производительность труда благодаря заинтересованности каждого работника в конечном результате труда.

• Способствуют освоению новых земель и введению в оборот брошенных из-за кризиса.

• Более независимы от государственной поддержки и кризисных явлений в экономике, так как из-за малых размеров могут быстро реагировать на изменяющуюся конъюнктуру рынка.

• Способствуют переезду образованной части населения в сельскую местность, так как фермер, как плавило, имеет высшее агрономическое образование.

Основной недостаток фермерского хозяйства в России — это низкая механизация. Этот недостаток связан с трудностями в приобретении дорогостоящей сельскохозяйствен ной техники из-за небольшого денежного оборота фермерского хозяйства. Частично эту проблему можно решить при льготном кредитовании к снижении налогов на начальном этапе развития фермерского хозяйства.

Одна из проблем, с которой сталкивается фермерское хозяйство.- это низкий уровень электрификации. Проблема снабжения тепловой энергией не является актуальной, так в большинстве случаев теплоснабжение можно осуществлять дровами. Поэтому в диссертационной работе основное внимание уделяется проблеме электрообеспечения.

Можно выделить регионы, где существуют проблемы в электроснабжении:

• Вновь осваиваемые земли, где полностью отсутствует центральная электросеть.

• Брошенные деревни и угодья, где инфраструктура энергоснабжения разрушена.

• Регионы с устаревшим и изношенным оборудованием, где из-за аварий возможны длительные перебои с электроснабжением. Регионы, где из-за плохих погодный условий (сильный ветер, снегопад и т. д.) возможны длительные перерывы с энергоснабжением. ® Острова и другие трудно доступные районы.

При небольшом электропотреблении, характерном для фермерского хозяйства, и при достаточном удалении от центральной электросети сооружение новых линий электропередач (ЛЭП) экономически невыгодно. Также в ряде случаев невыгодно ремонтировать поврежденные ЛЭП в брошенных деревнях. Таким образом, задача изыскания автономных источников электрификации фермерского хозяйства является актуальной.

Существует три основных варианта автономного энергоснабжения. Первый вариант — использование дизель-электрической или бензиноэлектричеекой станции (ДЭС или БЭС). Второй вариант — использование возобновляющихся (нетрадиционных) источников энергии. Третий вариант использование комбинированной энергоустановки, которая включает какой-либо нетрадиционный энергоисточник, работающий параллельно с БЭС (ДЭС). Преимущества возобновляющихся энергоисточников по сравнению с ДЭС (БЭС) следующие: «Экологическая чистота.

• Функционируют без потребления топлива.

• Малая шумность или полная бесшумность работы. «Автономность работы.

Вместе с тем. возобновляющиеся энергоисточники обладают следующими недостатками:

• Возможные перебои в энергоснабжении из-за непостоянства энергетических ресурсов и, как следствие, необходимость аккумулирования энергии.

• Высокая стоимость за 1 кВт установленной мощности.

Среди электроустановок, использующих возобновляющиеся энергоисточники, самое широкое распространение нашли ветроустановки (ВЭУ), фотоэлектрические панели (ФЭП) и микрогэс.

По мнению автора наиболее перспективны для энергоснабжения фермерских хозяйств ВЭУ в силу следующих причин:

• Стоимость 1кВт установленной мощности намного ниже, чем у ФЭП, и сравнима с микрогэс. Ветровые ресурсы по сравнению с солнечными распределены достаточно равномерно в течении года и в течении дня.

• По сравнению с микрогэс ВЭУ можно разместить недалеко от объекта энергоснабжения, в то время как расположение микрогэс привязано к реке. По сравнению с ФЭП производство ВЭУ не требует высокотехнологического оборудования, и поэтому большинство элементов ВЭУ можно выпускать на любом машиностроительном предприятии или изготовить собственными силами.

Наряду с достоинствами ВЭУ существуют некоторые проблемы, которые сдерживают развитие ветроэнергетики. Можно выделить следующие проблемы: Сложилось общественное мнение, что ВЭУ портят природные пейзажи. ® Ротор и генератор ВЭУ производят шум, Вибрации, производимые ВЭУ, отрицательно влияют на почвенный слой, флору, и фауну почвенного слоя.

• ВЭУ создают опасность для птиц.

• ВЭУ создают помехи для прохождения радиоволн.

Большинство из указанных проблем, в частности экологические, сопутствуют ветроэнергетическим станциям (ВЭС), которые насчитывают десятки или сотни мощных ВЭУ. Проблема искажения природных пейзажей снижается, если ВЭУ имеет хороший дизайн. Шум и вибрации, производимые ВЭУ, можно уменьшить специальными мерами при проектировании ротора и генератора.

В фермерском хозяйстве используется две группы электропотребителей. Первая группа — это относительно мощное трехфазное промышленное электрооборудование, используемое для механизации работ, вторая — относительно маломощные бытовые однофазные электроприборы, используемые в жилом доме.

К первой группе потребителей относятся: ® Оборудование механической мастерской (компрессоры, станки, сварочные аппараты). Машины для приготовления и раздачи кормов, в Доильные установки.

• Промышленные насосы. в Освещение в промышленных помещениях. ® Вентиляционные установки промышленных помещений. ® Сушильные установки.

• Машины для сортировки зерна и овощей.

• Транспортеры в зернохранилищах и овощехранилищах. Насосные установки в системе снабжения фермы холодной водой. © Сушильные установки в хранилищах.

К второй группе потребителей относятся: ® Освещение. ТВ — и аудиотехника (телевизоры, спутниковые антенны, видеомагнитофоны. магнитофоны, приемники).

• Холодильники и другие кухонные электроприборы (миксеры, небольшие электропечи, кипятильники, печи СВЧ. кофеварки, электрочайники, тостеры, и т.н.).

• Оргтехника (компьютеры, принтеры, сканеры, ксероксы, телефоны, факсы и т. п.). Ручной электроинструмент (дрели, электролобзики, электрорубанки и т. п.).

• Другие бытовые электроприборы (пылесосы, фены, утюги, стиральные машины, вентиляторы, кондиционеры, электронагреватели небольшой мощности и т. п.). Однофазное электрооборудование небольшой мощности (насосы, компрессоры, настольные станки и т. п.).

При отсутствии центрального электроснабжения промышленное оборудование может снабжаться от мощного энергоисточника, например от ДЭС. Использовать ВЭУ для энергоснабжения промышленного оборудования не целесообразно по следующим причинам. Во-первых потребление промышленного оборудования в фермерском хозяйстве имеет значительные сезонные и суточные колебания и. разрывы. Поступление энергии в свою очередь зависит от погоды. Эффективное использование энергии ветра требует дорогостоящих аккумуляторов для согласования графика потребления с графиком поступления энергии. Во-вторых, пиковая мощность промышленного оборудования достигает нескольких десятков кВт, что делает ВЭУ дорогой для фермера. Для электроснабжения жилого дома целесообразно использовать ВЭУ, так как потребление дома имеет только незначительные суточные колебания, и пиковая мощность энергопотребления не превышает нескольких кВт. В работе [8] делается заключение, что фермерские хозяйства применяют механизацию производственных процессов на основе мобильных средств (преимущественно навесное тракторное оборудование), а потребителями электроэнергии являются бытовые приборы. В работе [20] указывается, что бытовые потребности семьи составляют не более 100−200кВт час в месяц при пиковой мощности 1,5−2 кВт.

Можно отметить низкий уровень электрификации жилых домов в сельской местности. В табл. 1 [24] сравнивается электрообеспеченность бытовых условий в городе и селе.

Таблица 1.

Динамика развития электрификации быта в городе и селе.

1960 г 1965 1970 1975 1980.

Город, кВтч/чел 300 415 590 812 977.

Село, кВтч/чел 31 65 118 246 280.

Из таблицы видно, что разрыв вэлектрообеспечении хотя и сокращается, но все равно остается значительным. В наше время по сравнению с 1980 годом ситуация ухудшилась из-за увеличения разрыва в жизненном уровне городского и сельского жителя. Таким образом, ВЭУ позволит сократить разрыв энергообеспеченности городского и сельского жителя.

В отношении ВЭУ может быть два варианта. Первый вариант — использование серийной ВЭУ, которая подбирается по каталогу. Второй вариант — проектирование и организация изготовления новой ВЭУ, Для принятия решения нужно проанализировать мировой и отечественный рынок ВЭУ.

Производиться два принципиально различных типа ВЭУ — это ВЭУ сетевого назначения и автономные ВЭУ. ВЭУ сетевого назначения предназначены для работы в составе ветроэнергетических станций (ВЭС). ВЭС могут насчитывать от нескольких десятков до нескольких сотен единиц ВЭУ средней или большой мощности. ВЭС используются для промышленного производства электроэнергии и могут конкурировать с традиционными электростанциями по стоимости вырабатываемой электроэнергии. Мощность серийных сетевых ВЭУ находиться в диапазоне от 200 до 800кВт и существует тенденция к смещения интервала в большую сторону. Сетевые ВЭУ могут использоваться для автономного энергоснабжения объекта при работе ВЭУ в совместно с ДЭС.

Автономные ВЭУ используются для энергоснабжения объектов, удаленных от центральных электросетей. В таких местах автономные ВЭУ могут конкурировать с дизельными или бензиновыми электрическими станциями (ДЭС и БЭС). Мощность автономных ВЭУ обычно не превышает 30кВт. Для обеспечения гарантированного энергоснабжения может применяться ДЭС. Однако коренное отличие между ветродизельными станциями и автономными ВЭУ с резервным дизелем заключается в том, что в первом случае ДЭС работает постоянно, во втором случае ДЭС используется только для перекрытия ветровых штилей.

В настоящее время в многих странах Европы и в США развернулось широкое строительство ветроэнергетических станций. Доля энергии, производимой ВЭС, непрерывно увеличивается, например в Дании уже около 15% электроэнергии производиться ВЭС. Рынок ВЭУ сетевого назначения велик. Основными производителями сетевых ВЭУ является Дания, Германия, США и др. Цена 1кВт установленной мощности сетевых ВЭУ постоянно снижается. В настоящее время цена составляет 700−800 $ за кВт установленной мощности. Из-за наличия высоко развитой центральной электросети автономные ВЭУ в странах Запада не нашли широкого применения. Данные ВЭУ используются обычно для электроснабжения небольших частных домов, расположенных в горах или лесу. Также некоторое количество водоподъемных ВЭУ малой мощности используются в сельском хозяйстве. Рынок автономных ВЭУ малой мощности за рубежом не очень велик, поэтому цена за 1кВт установленной мощности достаточно высокая и составляет порядка 4000−6000 $. Причем более низкие значения соответствуют ВЭУ мощностью 15-ЗОкВт, более высокие соответствуют мощности 1 -2 Ki.il.

Отечественная ветроэнергетика в настоящее время переживает кризис. Научные исследования потеряли государственную поддержку, которая имела место в прежние годы. И как результат, в области ветроэнергетики наша страна сильно отстала от европейских стран и США. Многие российские предприятия и организации, в частности оборонные предприятия в рамках конверсии, предлагают различные проекты ВЭУ для всех диапазонов мощностей. Некоторые из этих организаций довели дело до испытаний опытного образца ВЭУ. Создано несколько проектов ветроэнергетических станций в России [21]. Однако в настоящее время серийного производства ВЭУ в России практически нет. Производятся небольшой серией ВЭУ мощностью меньше 1 кВт. Есть также несколько фирм, которые производят ВЭУ по иностранной лицензии. Несмотря на то. что цены на отечественные ВЭУ ниже, они уступают зарубежным аналогам по многим показателям, таким как срок службы, КПД, надежность, автономность, эстетичность и др.

По всей видимости ВЭУ сетевого назначения в ближайшее время устойчивого спроса в России не найдут по следующим причинам. Во-первых, капитальные вложения при сооружении ВЭС достаточно велики и исчисляются миллионами долларов. Во-вторых, сооружение ВЭС в регионах средними и низкими ветровыми ресурсами экономически нецелесообразно, потому что в России стоимость электроэнергии, вырабатываемой традиционными электростанциями, одна из самых низких в мире. Затраты на сооружение ВЭС в регионах с хорошими ветровыми условиями окупается в течении длительного периода (больше Шлет). В-третьих, при использовании сетевых ВЭУ для работы в составе автономных ветродизельных станций экономия топлива получается небольшой (10−15%), и поэтому затраты на сооружение ВЭУ окупаются также долго. Таким образом, в современных российских условиях инвестиции в развитее сетевой ветроэнергетики являются достаточно рискованными.

Очевидно, что в ближайшем будущем в России коммерческий успех будет ВЭУ малой мощности до 30 кВт для энергообеспечения автономных объектов. Для. этого есть следующие причины. Во-первых, имеется большое количество удаленных от центральных сетей маломощных потребителей электроэнергии. Это садоводческие участки, хутора, фермы, метеостанции, воинские части, поселения на островах и др. Некоторые из этих объектов вообще не электрифици.

К) рованы, другие снабжаются от ДЭС или БЭС. Во-вторых, затраты на сооружения ВЭУ малой мощности относительно невелики и составляю т от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч долларов. В третьих высокая цена на топливо в сочетании с трудностями его доставки в отдаленные места приводит к тому, что стоимость энергии вырабатываемой ДЭС (БЭС) оказывается высокой. Это делает ВЭУ конкурентоспособными с ДЭС и БЭС. Срок окупаемости ВЭУ по критерию экономии топлива при хороших ветровых условиях может составлять 2−3 года.

Очень важный фактор для российского рынка стоимость ВЭУ. Чтобы обеспечить устойчивый спрос, необходимо учитывать низкую покупательную способность населения. Можно сказать, что для коммерческого успеха стоимость российской ВЭУ должна быть по крайней мере в 1,5−2 раза меньше, чем у западных аналогов.

Методика выбора ВЭУ и компонентов электрической схемы по каталогу изложена в [II].

По итогам обзора рынка ВЭУ принято решение проектировать новую ВЭУ для обеспечения бытовых потребностей фермерской семьи, так как зарубежные ВЭУ дорогие, а ВЭУ отечественного производства не отличаются высокими потребительскими качествами. Для снижения стоимости ВЭУ по сравнению с зарубежными образцами при сохранении высоких параметров эффективности и качества, таких как высокий КПД. надежность, автономность, и др. в диссертации необходимо предложить новые технические решения.

В качестве аналога проектируемой ВЭУ можно привести в пример серию ВЭУ «LMW» мощностью от 0,15 до 10кВт голанской фирмы «LMW Renewables». Технические характеристики некоторых ВЭУ данной серии приведены в [11]. Среди отечественных ВЭУ в качестве аналога можно привести серию «УВЭ» мощностью от 0,2 до i .5 кВт фирмы ЦНИИ «Электроприбор». Технические характеристики некоторых ВЭУ данной серии приведены в [20]. Другая серия отечественных ВЭУ мощностью от 1 до 10кВт производиться фирмой «ЛМВ ветроэнергетика» по лицензии голанской фирмы «LMW Renewables». 'Технические характеристики данных ВЭУ соответствуют характеристикам приведенным в [11]. По опыту автора отечественные фирмы слабо владеют методами проектирования ВЭУ и полагаются на испытания экспериментальных образцов или закупают лицензию. Экспериментальные работы и покупка лицензии удорожают ВЭУ.

Таким образом, объект исследования — автономная ВЭУ малой мощности.

Цель диссертации — на основе предварительных исследований разработать и изготовить ВЭУ малой мощности для обеспечения бытовых потребителей в доме фермера и подтвердить ее эффективность.

Цель диссертации является актуальной в силу следующих причин:

• Проектируемая ВЭУ — способствует развитию фермерских хозяйств.

Проектируемая ВЭУ — способствует освоению территорий, удаленных от центральных электросетей. Проектируемая ВЭУ — экологически чистый источник электроэнергии. Проектируемая ВЭУ позволяет приблизить бытовые условия в сельской местности к городским условиям. Проектируемая ВЭУ по многим параметрам более эффективна, чем солнечная установка или микрогэс. Бытовые нагрузки в доме фермера позволяют эффективно использовать энергию, вырабатываемую ВЭУ.

• Предлагаются технические решения, которые позволят снизить стоимость ВЭУ по сравнению с зарубежными образцами при сохранении параметров качества и эффективности.

• Проектируемая ВЭУ способствует развитию отечественной ветроэнергетики, которая переживает кризис. В работе предлагаются аналитические методы проектирования ВЭУ, которые позволяют понизить стоимость проектных работ.

Новизна поставленной в диссертации цели заключается в следующем: «ВЭУ проектируется специально для обеспечения бытовых потребностей фермерской семьи. ВЭУ проектируется с учетом ветровых условий Северо-Западного региона.

Положения выносимые на защиту следующие:

1. Обоснование конструктивно-компоновочной и электрической схемы ВЭУ с учетом применения ВЭУ для энергообеспечения бытовых потребностей фермера.

2. Аналитический способ определения коэффициента торможения потока е.

3. Методика и программа расчета относительных аэродинамических характеристик.

4. Модель построения кривой мощности ВЭУ (зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра).

5. Методика и программа расчета статических характеристик буревой защиты и кривой мощности.

6. Методика и программа расчета выработки энергии ВЭУ.

7. Результаты теоретических исследований, полученных на ЭВМ с помощью разработанных программ, в то числе:

• Обоснование выбора нового эффективного профиля для ВЭУ с неповоротными лопастями. Критерий выбора угла установки лопасти для ВЭУ с неповоротными лопастями. Новый закон для выражения крутки лопасти. Рекомендации по выбору основных геометрических параметров лопастей.

• Рекомендации по выбору основных параметров буревой защиты.

• Рекомендации по выбору основных параметров электрической цепи ВЭУ, работающей на заряд АБ.

8. Методика проектирования ВЭУ малой мощности, в том числе: Определение диаметра ротора ВЭУ при помощи коэффициента использования расчетной скорости ветра. Методика определения срока окупаемости ВЭУ. 9. Методика автоматизированных испытаний ВЭУ с применением многоканальной аналого-цифровой системы и ЭВМ.

К). Результаты испытаний экспериментальной ВЭУ 1,'7кВт, в том числе экспериментальное определение характеристики момента поворота ротора.

Научная новизна заключаемся в следующем: Предложен аналитический способ определения коэффициента торможения потока е взамен графического способа. Разработана математическая модель определения кривой мощности ВЭУ. ® Определена серия профилей для ВЭУ с неповоротными лопастями по критерию повышения момента страгиваиия ротора. Теоретически обоснован критерий выбора угла установки лопасти для ВЭУ с неповоротными лопастями. Выведен и проверен новый закон для выражения крутки лопасти и определены оптимальные параметры, входящие в формулу данного закона. «Разработаны рекомендации по выбору основных параметров ВЭУ, работающей на заряд АБ, с буревой защитой выводом ротора из-под ветра по результатам моделирования на ЭВМ. Предложен метод расчета выработки электроэнергии ВЭУ, который позволяет учесть потери в кабеле. а Путем натурных испытаний ВЭУ определена характеристика момента поворота быстроходного ротора.

Методы исследования.

Теоретические исследования производятся при помощи разработанных программ. Исследование заключается в варьировании различных исходных параметров в математических моделях с целью определения влияния данных параметров на какие-либо показатели качест ва системы, такие как KI[Д, параметры надежности и т. п.

Для реализации разработанных методик решения математических моделей в диссертации принято решение использовать электронные таблицы «Excel». Преимущества использования электронных таблиц при решении системы уравнений по сравнению с составлением программы на алгоритмическом языке следующие: в Наглядность процесса расчета. Простота отладки, так кате можно легко проконтролировать промежуточные результаты пас чек?. ® Быстрота вычисления.

• Электронные таблицы позволяют легко строить графики, на которых можно отобразить результаты вычислений.

Недостатки использования таблиц следующие: © Занимает большой объем памяти на твердом диске. в Ниже точность вычисления, так как количество сечений ограничено размером файла.

Экспериментальные исследования проводятся с использованием многоканальной измерительной системы включающая в себя электрические схемы преобразования каналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и компьютер. Методика испытания включает следующие этапы: Изготовление схем преобразования каналов и установление зависимостей между значениями каналов и измеряемыми параметрами. ® Процесс испытаний, который сопровождается записью экспериментальных данных в файл.

• Математическая и статистическая обработка результатов с использованием возможностей программы «Excel» с целью получить результирующие графики.

• Анализ функционирования ветроэнергетической системы в целом на основе изучения полученных графиков и диаграмм.

Внедрение результатов работы заключается в следующем: «Создана экспериментальная ВЭУ 1,7кВт. которая использовалась в учхозе «Пушкинское» для заряда стартерных аккумуляторных батарей. ® Создана лабораторная установка, включающая многоканальную аналого-цифровую измерительную систему, которая используется в учебном процессе СПбГАУ,.

• Методы расчета и результаты исследований, разработанные в диссертации, внедрены в методики проектирования, использующиеся во ВНЙИГ им. Б. Е. Веденеева.

Практическая ценность работы заключается в следующем: ® Создана методика проектирования ВЭУ малой мощности до ЮкВт.

• Обоснована конкурентоспособность малых ВЭУ по сравнению с маломощными ДЭС (БЭС). Разработаны программы для расчета относительных аэродинамических характеристик ротора, статических характеристик буревой защиты, кривой мощности, выработки электроэнергии. В результате исследований разработаны рекомендации по выбору параметров ротора, буревой защиты и электрической цепи ВЭУ.

Апробация работы.

Материалы основных разделов работы докладывались на следующих конференциях:

• Семинаре «Проблемы развития и использования малой и возобновляемой энергетики в России». IV международная специализированная выставка «Энергетика и электротехника — 97». Ленэкспо. Санкт-Петербург, 1997. Научной icoi [ференции молодых ученых «Роль научного обеспечения в реформировании АПК». СПбГАУ. Санкт-Петербург, 2000. © Международная научно-практическая конференции «Современные проблемы опытного дела». Агрофизический институт. Санкт-Петербург, 1999. ® Ежегодная научная конференция профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ. СПбГАУ. Санкт-Петербург 1998, 1999.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Обоснованы параметры электрической схемы ВЭУ, включающей АБ и инвертор. которая позволяет обеспечить бытовые потребители в доме фермера качественным стандартным напряжением 220 В 50Гц, снизить вероятность возникновения перебоев в электроснабжении, уменьшить установленную мощность ВЭУ при заданном энергопотреблении.

2. Буревая защита выводом ротора из-под ветра с наклонной осью флюгера и смещением генератора в сторону от оси поворотного устройства позволяет упростить конструкцию, повысить надежность и автономность механической части ВЭУ.

3. В результате аналитических исследований разработана математическая модель определения всех основных параметров и характеристик ВЭУ с учетом функционирования буревой защиты.

4. Доказана предпочтительность профиля FX63−137 для ВЭУ с неповоротными лопастями, который позволяет значительно повысить КПД и момент страгива-ния ротора по сравнению с профилем «Эсперо», который широко используется в отечественной ветроэнергетике.

5. Найден закон, который хорошо аппроксимирует оптимальную крутку лопасти. и определен новый критерий выбора угла установки лопасти для ВЭУ с неповоротными лопастями. Использование критерия позволяет повысить КПД и момент страгивания ротора.

6. В результате компьютерного эксперимента с использованием разработанных программ получены рекомендации по выбору основных геометрических параметров ротора, буревой защиты и электрической цепи ВЭУ. Использование данных рекомендаций, позволяетзначительно упростить проектирование ВЭУ любых типоразмеров.

7. Оптимизировано значение расчетной скорости ветра на уровне бмс при использовании ВЭУ в ветровых условиях Северо-Запада, которое обеспечивает значение коэффициента использования расчетной мощности от 45 до 70% при изменении среднегодовой скорости ветра от 4 до 5,5м/с.

8. Доказана конкурентоспособность и экономическая эффективность спроектированной в соответствии с разработанной методикой ВЭУ по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами, а также с маломощными ДЭС и БЭС.

9. В ходе испытаний подтверждены расчетные параметры и характеристики экспериментальной ВЭУ. которая была изготовлена по результатам проектирования.