Доклад Разработки «АО КазНИИэнергетики» в области малой

Доклад
Разработки «АО КазНИИэнергетики» в области малой ветро- и
гидроэнергетики.
Докладчик: Квасов Петр Андреевич
Потребление энергии, а вместе с ним и ее стоимость увеличиваются во всем мире,
и наша страна не исключение. Но ресурсы планеты начинают истощаться, и всё большую
тревогу вызывают экологические проблемы. Вот почему постоянно растет интерес к
нетрадиционным, экологически чистым источникам энергии – ветру, солнцу, волнам.
В настоящее время ни у кого уже нет сомнений в том, что использование
солнечной, ветровой и других видов энергии будет непрерывно возрастать. Теория
ветродвигателей, развивающаяся несколько десятилетий, еще далека от своего
завершения. Более того, можно сказать, что не существует достаточно точных и надежных
методов аэродинамического расчета ветроагрегатов.
Следует отметить, что темпы развития ветроэнергетики далеко не соответствуют
возможностям, достигнутым в области современного машиностроения, и, самое главное,
далеки от удовлетворения запросов потребителей. Это обусловлено несколькими
причинами. На первое место среди причин технического характера можно поставить
общий недостаток всех ветроустановок: низкий запас кинетической энергии,
приходящейся на единицу объема рабочего тела, т.е. атмосферного воздуха. Построение
единичных ветроагрегатов большой мощности представляет собой сложную инженерную
задачу. Более того, стоимость 1 кВт⋅ч энергии, производимого ветродвигателем,
существенно выше стоимости энергии, получаемой за счет сжигания жидкого топлива и
энергии атомных электростанций.
Следующим отрицательным фактором в системе использования ветровой энергии
является неравномерность ее поступления, обусловленная наличием периодов затишья.
Есть и другие моменты негативного характера. Вместе с тем применение энергии ветра
имеет много преимуществ. И прежде всего ее потенциальные запасы соизмеримы, а
теоретически превосходят суммарную мощность всех работающих электростанций.
Энергия ветра относится к числу возобновляемых. Источник данной энергии
неисчерпаем до тех пор, пока существуют солнечная радиация и атмосфера.
Важным достоинством ветроагрегатов является то, что они относятся к числу
наиболее чистых с экологической точки зрения источников энергии.
Слайд 1
Потенциальные возможности и состояние ветроэнергетики в Республике
Казахстан
Республика Казахстан по своему географическому положению находится в
ветровом поясе северного полушария и на значительной части территории Казахстана
наблюдаются достаточно сильные воздушные течения, преимущественно Северовосточного, Юго-западного направлений. В ряде районов Казахстана среднегодовая
скорость ветра составляет более 6 м/с, что делает эти районы привлекательными для
развития ветроэнергетики. В этой связи Казахстан рассматривается как одна из наиболее
подходящих стран мира для использования ветроэнергетики. По экспертным оценкам,
ветроэнергетический потенциал Казахстана оценивается как 1820 млрд. кВтч
электроэнергии в год. Хорошие ветровые районы имеются в центральной части
Казахстана, в Прикаспии, а также в ряде мест на Юге, Юго-Востоке и Юго-Западе
Казахстана (Приложение 1). ((Южной зоне (Алматинская, Джамбульская, ЮжноКазахстанская области), в Западной зоне ( Мангистауская и Атырауская области), в
Северной зоне (Акмолинская область) и Центральной зоне (Карагандинская область)).
Д.Т.Н. Кошумбаев М.Б. предлагает ветровой агрегат, включающий концентратор,
состоящий из шатра и конуса, ветровое колесо с лопастями, генератор с вертикальным
валом, вытяжную трубу. При этом в концентраторе расположены криволинейные
направляющие стенки, соединяющие между собой конус с шатром и образующие
криволинейные сужающиеся воздушные каналы, тангенциально направленные к
вытяжной трубе. Ветровое колесо выполнено в виде кожуха генератора, на внешней
стороне которого установлены криволинейные лопасти, при этом вал генератора
неподвижно закреплен одним концом в центре конуса, а другим - в верхней части
вытяжной трубы. Наружные части шатра и вытяжной трубы окрашены в черный цвет.
Принцип работы: Устройство работает следующим образом. Поток воздуха
поступает в концентратор и движется между шатром и конусом вдоль криволинейных
направляющих стенок. Под воздействием солнечной энергии шатер и труба нагреваются,
повышая температуру воздушного потока. Нагретый воздух движется по криволинейному
сужающемуся каналу, и его скорость увеличивается за счет повышения температуры и
уменьшения живого сечения. Выходное отверстие канала направлено таким образом, что
поток воздуха по касательной входит в вытяжную трубу и в нем образуется вихревое
движение. При этом воздушный поток оказывает гидродинамическое давление только на
одну из лопастей, так что на его обратный ход движение воздуха не оказывает никакого
влияния, т.е. лопасти не испытывают сопротивления. Расположение генератора в
вытяжной трубе также уменьшает живое сечение потока и увеличивает его скорость.
Энергия вихревого движения передается на криволинейные лопасти. Благодаря
направлению оси вращения вдоль потока лопасти не испытывают лобового удара
воздушным потоком и консольного напряжения, даже в случае неравномерного подхода
воздушного потока к входным отверстиям каналов концентратора и при изменении его
направления. Лопасти, вращаясь, передают крутящий момент генератору, который
преобразует механическую энергию вращения в электрическую. Поток воздуха, попадая в
концентратор, нагревается и движется по спирали к центру. Спиральное движение воздуха
обусловлено направляющими стенками и конфигурацией лопастей. Направление угловой
скорости вихря зависит от кривизны стенок. С увеличением радиуса концентратора
возрастает мощность агрегата.
Параметры: Общая высота конструкции модели составляет 5 метров, диаметр
концентратора 2 метра, а диаметр ветроколеса – 1,15 м, скорость воздуха – 7 м/с, обороты,
- 200 об/мин
Основные особенности ветрогенератора:
1. Низкая расчетная скорость ветра
2. Минимальные потери и шумовые возмущения
3. Электрическая энергия вырабатывается за счет генерации вихревого движения
воздушного потока
4. Изменение направления ветра не влияет на работу ветроагрегата
5. Высокая эффективность и надежность работы
6. Наличие теоретической и экспериментальной моделей
Предлагаемую конструкцию можно установить не только на суше, но и на
поверхности моря или океана. Эффективность данной конструкции проявляется особенно
для удаленных мест, где невозможно подача электроэнергии обычным способом.
Предлагаемое решение позволяет увеличить мощность агрегата за счет устранения
воздействия сил сопротивления и установлением лопастей на внешней стороне
генератора. При этом повышается надежность работы агрегата, ее эксплуатационные
характеристики.
К дополнительным преимуществам данной конструкции можно отнести: отсутствие
вибрации лопастей, устранение ударного воздействия на них воздушным потоком.
Ветровые генераторы с вертикальной осью вращения имеют важные преимущества
перед ветровыми генераторами с горизонтальным расположением оси. Для них отпадает
необходимость в устройствах для ориентации ветрового колеса на ветер, упрощается
конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные
напряжения в лопастях, системе механической передачи вращательных моментов и
прочих элементах ветровых установок с горизонтальной осью вращения.
Отверстия концентратора ветроустановки.
((Каркас основания концентратора позволяет разместить генератор внутри него. Для
того чтобы проводить осмотр генератора и профилактические работы необходим доступ к
нему. Для этого концентратор должен размещаться на подставке и тогда доступ к
генератору можно осуществлять снизу.
Нижняя часть вала ветроколеса имеет фланец по центру каркаса, с помощью
которого закрепляется на центральной опоре основания концентратора. Нижний конец
вала входит во внутрь цилиндра центральной опоры концентратора, что создает
дополнительную жесткость конструкции. Абсолютную жесткость соединения вала
ветроколеса с опорой концентратора придает болтовое соединение фланцев между ними.
На конусообразную поверхность концентратора привариваются криволинейные
стенки, которые вместе с верхним конусом образуют концентратор потока. По краям
стенок привариваются элементы каркаса, которые соединены между собой и покрывают
верх концентратора и вытяжной трубы.
Такой же кривизны лопасти привариваются на конусное основание ветроколеса и
ветроколесо в сборе помещается внутри концентратора. Таким образом, чтобы осмотреть
ветроколесо необходимо снять вытяжную трубу с верхним конусом концентратора.
С другой стороны размещение вращающегося элемента – ветроколеса – внутри
концентратора позволяет обеспечить безопасность людей, птиц и животных от
воздействия лопастей. Важным моментом является устранение звуковых помех.
Для исследования работы вихревой ветротурбины необходимо к нему подсоединить
генератор. Для проведения испытаний изучаемой конструкции ветротурбины в
последующем будет применяться генератор постоянного тока расчетной мощностью 5
кВт, с частотой вращения ротора 200 оборотов в минуту (рисунок 102).))
Гидротурбина
Гидропотенциал Казахстана оценивается примерно в 170 ТВт (млн. мВт) в год, на
сегодня из них вырабатываются лишь 7-8 ТВт в год, т.е. менее 5%.
Применение мини-ГЭС более широкое, т.к. их можно устанавливать на
магистральных каналах и трубопроводах, а также на горных реках с малыми расходами. В
этом случае расходы на их строительство минимальны, т.к. все оборудование
изготавливается в заводских условиях, и размещаются в выбранном створе без
воздействия на окружающую среду или на параметры водоподводящих и водоподающих
сооружении.
Особенностью предлагаемой конструкции является турбина, которая выполнена
из цилиндрической трубы, внутри которой расположены пластины с возможностью
плавного обтекания потоком. Каждая из пластин продольной кромкой одного ребра
прикреплена к внутренней стороне трубы, а продольной кромкой другого ребра соединена
с другими пластинами вдоль оси трубы. При этом ротор генератора размещен сверху на
внешней стороне трубы и расположен в неподвижном цилиндре статора генератора. Труба
установлена на напорном участке водовода и соединена с ним подшипниками.
В прямоточной конструкции устранена вибрация турбины и исключено консольное
крепление вала вследствие выполнения турбины из полой цилиндрической трубы.
Консольное крепление пластин отсутствует, в связи с чем исключается их вибрация и
вибрационная нагрузка. Поток, попадая в трубу-турбину, плавно обтекает пластины и
приводит в движение турбину, на которой установлен ротор. Движение ротора
обуславливает появление тока в обмотках генератора. Нахождение генератора вне
напорной части водовода облегчает его монтаж и возможные ремонтные работы.
Составные части в предлагаемой конструкции прямоточной турбины кроме
криволинейных пластин, находятся вне напорного водовода, что обеспечивает
определенные удобства при его эксплуатации, упрощение конструкции и надежность его
работы. Трубу-турбину можно устанавливать в любом месте магистрального канала или
напорного водовода, а скорость его вращения можно регулировать не только расходом и
скоростью потока, но и степенью кривизны пластин.
Пластины трубы-турбины обеспечивают плавный вход потока, воспринимают его
воздействие, придают вращение турбине и управляют скоростью его вращения турбины.
Консольное положение лопастей устранено в данном случае соединением пластин вдоль
оси турбины, а увеличение длины пластин не вызывает увеличение консоли и,
соответственно, отсутствует крутящий момент и напряжения в местах крепления пластин.
Так как нет консольного напряжения, то толщина пластин может быть очень малой
величины, что не будет влиять на пропускную способность турбины. Применение
предлагаемой трубы-турбины упрощает конструкцию и обеспечивает надежность его
работы.
Турбина работает следующим образом. Поток, двигаясь по подводящему водоводу 1,
поступают в турбину 3. Воздействуя на пластины 4 турбины, поток вращает турбину
вокруг её оси относительно водовода. Вращение турбины возможно из-за ее соединения с
неподвижным водоводом с помощью подшипников 2. Из турбины поток поступает в
отводящий водовод 7.
Параметры:
Обороты – 1200 об/мин
Расход воды – 20 л/с
Напор – 20 м
Мощность – 5-20 кВт
Диаметр трубы – 150 мм
Длина турбины – 1000 мм
Преимущества гидротурбины:
1. Предлагаемая конструкция не нуждается в дамбе и плотине, из реки вода
самотеком поступает в трубу, которая подает воду на гидротурбину;
2. За счет уникального устройства лопастей гидротурбины обороты достигают более
1000 оборотов в минуту;
3. Лопасти закреплены по всей длине гидротурбины, поэтому консольное
напряжение отсутствует;
4. Равномерный подвод воды на лопасти гидротурбины исключает вибрационные
нагрузки;
5. Устранение консольного напряжения позволяет применять тонкие лопасти, что
снижает вес турбины и его стоимость.
Новая конструкция малой ГЭС может быть применена на малых и средних реках
Казахстана без ущерба экологии и населенным пунктам, расположенных вблизи русел
рек. Мобильный вариант малой ГЭС предназначен фермерам и отгонным пунктам
сельскохозяйственных предприятий, деятельность которых имеет сезонный характер.
Стационарный вариант предназначен для применения малых населенных пунктов и
отдаленных аулов.
Предлагаемая конструкция гидротурбины может применяться не только в
магистральных каналах, малых реках, но также в напорных и безнапорных трубопроводах.
Социально-экономический эффект – улучшение экологии в местах размещения
малых ГЭС, отсутствует затопление верхнего бьефа, не воздействует на флору и фауну;
Потенциальные потребители: отделенные горные регионы, фермерские хозяйства,
инфраструктурные объекты туристической отрасли, отдаленные аулы, дачные поселки
для электрификации населенных пунктов.
Актуальность и научная новизна
С точки зрения экологии наименьший вред приносят малые и мини- ГЭС, которые
минимизируют зоны затопления за счет использования системы каскадов. Но более
выгодным в этом отношении являются прямоточные гидротурбины, которые работают без
затопления территории и создания напора воды. Их можно устанавливать в
магистральных каналах и трубопроводах, замоноличенном створе реки.
Ассортимент продукции: малые ГЭС могут быть различной мощности: от 1 кВт до
20 кВт. Они могут различаться по способу применения: речной, канальный,
магистральный.
((Обоснование места реализации проекта
Алматинская область имеет множество малых горных рек, на которых выгодно
строительство малых безнапорных ГЭС.
Поэтому для снижения энергопотерь, связанных с транспортировкой электроэнергии
до удаленных потребителей, экономический выгодно строительство малых ГЭС. В
среднем энергопотери составляют 15 %, строительство линии передач составляет $20 000
на 1 км линии на 10 кВ.))
((Себестоимость производства малых ГЭС составляет в нашем случае $2 000 за 1
кВт мощности. Таким образом, затраты на строительство линии передач выгоднее
направить на строительство малых ГЭС.))
На рисунке 3.6 приведена конструкция гидроагрегата, где 1 – подводящий водовод; 2
– подшипник; 3 – турбина в виде полой трубы; 4 – криволинейные пластины,
описываемые логарифмической зависимостью; 5 – ротор генератора; 6 – статор
генератора; 7 – отводящий водовод.
Прямоточная гидротурбина (Предпатент № 13064).
Подводящий 1 и отводящий 7 водоводы соединяются с турбиной 3 посредством
подшипников 2. Пластины 4 одной кромкой ребра закреплены на внутренней стороне
турбины 3, а кромкой другого ребра соединены между собой вдоль оси турбины. На
турбине с внешней стороны установлен ротор 5 генератора. Статор 6 представляет собой
неподвижный цилиндр, внутри которого расположен ротор.
((Технические риски связаны с работой подшипников и размещением генератора.
Эти вопросы будут решены НИОКР. Размеры турбины будут уточнены в результате
математического и экспериментального моделирования физических процессов, связанных
с движением воды в гидротурбине с криволинейными пластинами.))
Предлагаемая конструкция имеет высокие характеристики по надежности работы
станции. Управление станцией производится в автоматическом режиме. Легко
транспортируется и за короткое время устанавливается на месте эксплуатации.