Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.


Ветроэнергетичекий комплекс "ВетЭК"

Номинация: Лучшее конструкторское решение
















Оценить:

Нет голосов

Автор: Руководитель проекта: Костычев Артём Васильевич. Автор идеи: Костычев Василий Иванович. Исполнители проекта: Костычев Виталий Васильевич, Костычев Василий Иванович. Информационное обеспечение проекта «ВетЭК» -Костычев Артём Васильевич, Костычев Артур Витальевич.
1ое, 2ое и 3е место: III место
Город: Комсомольск-на-Амуре

Проект «ВетЭК».

«Ветроэнергетический комплекс»

Часть 1. Назначение «ВетЭК».

  Часть 2. Состав «ВетЭК».

  Часть 3. Назначение узлов и агрегатов «ВетЭК».

  Часть 4. Устройство ветродвигателя «ВетЭК».

  Часть 5. Принцип работы ветродвигателя «ВетЭК».

  Часть 6. Рабочие процессы системы «ВетЭК».

  Часть 7. Экономическое обоснование проекта
                 «ВетЭК»

  Часть 8. Ветроэнергетика и среда обитания
                 человека (экология)

          Проект «ВетЭК»

Часть 1. Назначение «ВетЭК».

1) Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую
энергию.

2) Бесперебойное обеспечение потребителей электрической
энергией заданных параметров по мощности, напряжению
и частоте тока.

  Часть 2. Состав «ВетЭК». Рис.1.

   1) Ветродвигатель с вертикальным расположением оси.
   2) Линия электропередач.
   3) Пневмодвигатель.
   4) Обгонная муфта № 2.
   5) Генератор электрической энергии.
   6) Главный вал ветродвигателя.
   7) Обгонная муфта № 1.
   8) Повышающий редуктор.
   9) Камера подогрева сжатого воздуха.
   10) Вал привода пластин жалюзей.
   11) Электрокомпрессор.
   12) Механизм управления пластинами жалюзей.
   13) Фундамент ветродвигателя.
    14) Трубопровод сжатого воздуха.
    15) Фундамент ёмкости сжатого воздуха.
    16)  Ёмкость сжатого воздуха.


Часть 3. Назначение узлов и агрегатов «ВетЭК».

1)    Ветродвигатель с вертикальным расположением оси.
Назначение ветродвигателя – преобразование кинетической
энергии ветра в механическую энергию вращения вала
ветродвигателя.

      
      2) Повышающий редуктор.
          Назначение повышающего редуктора – увеличение скорости
           вращения вала ветродвигателя для вращения вала                
           электрогенератора.

       3) Обгонная муфта № 1.
           Назначение обгонной муфты №1 – автоматическое подключение ветродвигателя к валу электрогенератора при
           увеличении скорости ветра до величины, необходимой
           для работы электрогенератора.
          - Автоматическое отключение ветродвигателя от электрогенератора при снижении скорости ветра до величины,  не обеспечивающей устойчивую работу электрогенератора
            от ветродвигателя.

      4) Генератор электрической энергии.
          Назначение генератора электрической энергии – преобразование механической энергии вращения вала ветродвигателя  и (или) пневмодвигателя в электрическую.
        - Бесперебойное обеспечение потребителей электрической  энергией заданных параметров по мощности, напряжению и частоте тока.

      5) Пневмодвигатель.
          Назначение пневмодвигателя – преобразование энергии
          сжатого воздуха в механическую энергию вращения вала
          пневмодвигателя.
         - Передача механической энергии вращения вала пневмодвигателя через обгонную муфту №2 на вал электрогенератора.
        -  Поддержка крутящего момента на валу электрогенератора
          при слабом ветре, для обеспечения работы электрогенератора
          в номинальном режиме, совместно с ветродвигателем.
         - Обеспечение устойчивой работы электрогенератора в номинальном режиме при полном отсутствии ветра ( в штиль )

      6) Обгонная муфта №2.
          Назначение обгонной муфты №2 – автоматическое подключение пневмодвигателя к работающему электрогенератору, при
          снижении скорости ветра до величины, не обеспечивающей
         работу электрогенератора в номинальном режиме от
         ветродвигателя.
        - Отключение пневмодвигателя от генератора электрической
         энергии, при увеличении скорости ветра до величины,
         обеспечивающей работу электрогенератора в номинальном
         режиме от ветродвигателя.

     7) Электрокомпрессор.
         Назначение электрокомпрессора – преобразование электрической энергии в энергию сжатого воздуха.
       - Создание запаса сжатого воздуха, для обеспечения работы
         пневмодвигателя (электрогенератора) в условиях слабой
         скорости ветра и при отсутствии ветра, в штиль.

      8) Ёмкость сжатого воздуха.
          Назначение ёмкости сжатого воздуха – накопление сжатого
          воздуха выработанного электрокомпрессором.
         - Хранение сжатого воздуха.
         - Обеспечение сжатым воздухом пневмодвигателя при
          слабом ветре и при отсутствии ветра, в штиль.
      
      9) Камера подогрева сжатого воздуха.
          Назначение камеры подогрева сжатого воздуха:
          При расширении сжатого воздуха в пневмодвигателе,
          происходит его охлаждение, что может привести  к
          обледенению деталей пневмодвигателя и его поломке.
          Для обеспечения устойчивой работы пневмодвигателя,
          необходимо сжатый воздух на входе в пневмодвигатель
          подогревать до температуры, исключающей вероятность
          обледенения деталей ветродвигателя.
      
     10) Трубопроводы сжатого воздуха.
           Назначение  трубопроводов сжатого воздуха – подача
           сжатого воздуха от электрокомпрессора до ёмкости
           сжатого воздуха.
          - Подача сжатого воздуха от ёмкости сжатого воздуха до
            камеры подогрева сжатого воздуха.
          - Подача сжатого воздуха из камеры подогрева сжатого
            воздуха в пневмодвигатель.
    11) Система управления и защиты «ВетЭК».
         Назначение системы управления и защиты «ВетЭК» :
       - Обеспечивает устойчивую скорость вращения вала
         электрогенератора, т.е. обеспечивает качество электро-
         энергии по напряжению и частоте тока.
       - Включает пневмодвигатель в работу, при снижении скорости
         ветра до величины, не обеспечивающей работу электро-
         генератора в номинальном режиме от ветродвигателя.
       - Одновременно включает в работу камеру подогрева сжатого
         воздуха на входе в пневмодвигатель, а обгонная муфта №2
         подключает пневмодвигатель к электрогенератору.
       - Управляет мощностью пневмодвигателя при изменении
         нагрузки на потребление электроэнергии и (или) изменении
         скорости ветра, обеспечивая тем самым работу электрогене-
          ратора в оптимальном режиме по мощности, напряжению и
          частоте тока.
       - Выключает пневмодвигатель, перекрывая подачу сжатого
         воздуха,  при увеличении скорости ветра до величины,
         обеспечивающей работу электрогенератора в номинальном
         режиме от ветродвигателя.
       - Одновременно выключает систему подогрева сжатого воздуха
         в камере подогрева сжатого воздуха, а обгонная муфта №2
         отключает пневмодвигатель от электрогенератора.
       - Включает в работу электрокомпрессор при увеличении
         скорости ветра до величины, обеспечивающей ветро-
         двигателем мощность, превышающую мощность, необхо-
         димую для обеспечения всех потребителей электрической
         энергией.
        -Выключает электрокомпрессор при снижении скорости
          ветра до величины, не обеспечивающей работу электро-
          генератора в номинальном режиме от ветродвигателя.
       - Управляет приводом пластин жалюзей при значительном
         увеличении скорости ветра, сокращая тем самым поток
         ветра на лопатки рабочей турбины, обеспечивая работу
         электрогенератора в номинальном режиме.
       - Перекрывает поток ветра на лопатки рабочей турбины  во
         время урагана, предохраняя турбину от разрушения.


    12)Система смазки «ВетЭК».
          Назначение системы смазки «ВетЭК».
         - Смазка шестерён и подшипников редуктора.
         - Смазка подшипников качения вала ветродвигателя.
         - Смазка подшипников скольжения вала жалюзей.
         - Смазка подшипников электрогенератора.
         - Смазка деталей и узлов пневмодвигателя.
         - Смазка деталей и узлов электрокомпрессора.


  Часть 4. Устройство ветродвигателя «ВетЭК».

  В комплект ветродвигателя с вертикальным расположением оси
  входят – рис.2.

             1) Кровля ветродвигателя.
             2) Крышка верхнего подшипника.
             3) Верхний опорный подшипник качения главного вала
                 ветродвигателя.
             4) Верхняя опорная платформа ветродвигателя.
             5) Верхний вал жалюзей.
             6) Подвижная пластина жалюзей.
             7) Верхняя опорная стойка ветродвигателя.
             8) Лопатка рабочей турбины.
             9) Направляющая лопатка.
            10) Верхний главный вал ветродвигателя.
            11) Промежуточная опорная платформа ветродвигателя.
                   Для удобства смены изношенного промежуточного
                   опорно-упорного подшипника, предлагаю разборную
                   конструкцию опорной платформы.
             12) Несущий диск рабочей турбины.
             13) Крышка промежуточного подшипника.
             14) Промежуточный опорно-упорный подшипник качения
                    главного вала ветродвигателя.
             15) Промежуточный главный вал ветродвигателя.
                    Для удобства смены изношенного промежуточного
                    опорно-упорного подшипника, предлагаю разборную
                     конструкцию промежуточного главного вала ветро-
                    двигателя.
          16) Промежуточная опорная стойка ветродвигателя.
          17) Промежуточный вал жалюзей.
          18) Опорная шайба пластин жалюзей.
          19) Подшипник скольжения вала жалюзей.
          20) Диск жёсткости лопаток рабочей турбины.
          21) Шпонка главного вала ветродвигателя.
          22) Диск жёсткости направляющих лопаток.
          23) Нижняя опорная платформа ветродвигателя.
          24) Нижняя опорная стойка ветродвигателя.
          25) Вал привода пластин жалюзей.
          26) Нижний главный вал ветродвигателя.
          27) Повышающий редуктор.
          28) Механизм управления пластинами жалюзей.


  Часть 5. Принцип работы ветродвигателя «ВетЭК».

Предлагаю на рассмотрение два вида ветродвигателей: -

А)  Ветродвигатель, использующий для преобразования кинетичес-
      кой энергии ветра в механическую энергию вращения вала,
      ПОДЪЁМНУЮ СИЛУ – lift – машину. Рис. 2 -3.
      Лопатки рабочей турбины в lift – машине выполнены с аэроди-
      намическим профилем крыла самолёта. Рис. 3.
      На несущем диске рабочей турбины лопатки закреплены таким
      образом, чтобы находясь во время вращения турбины в центре
      потока ветра, набегающего на ветродвигатель, угол атаки
      лопатки способствовал обеспечению максимального усилия
      на вращение вала ветродвигателя.

      ПРЕИМУЩЕСТВА ПРЕДЛОЖЕННОГО ВИДА
      ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ.

1) Ветродвигатель с вертикальным расположением оси не требует
     ориентации на ветер.
2) Ветродвигатель, использующий для преобразования кинетичес-
     кой энергии ветра в механическую энергию вращения вала –
     подъёмную силу, lift – машина, имеет максимальное значение
     коэффициента Бетца – Жуковского = 0,593, соответственно
    более высокий  К.П.Д. установки.

ПРИНЦИПИАЛЬНЫМИ НЕДОСТАТКАМИ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ
РАСПОЛОЖЕНИЕМ ОСИ ЯВЛЯЮТСЯ:-

1) Как показали последние результаты испытаний ветроэнергети-
    ческих установок типа ДАРЬЕ и Н-ротора, главной слабостью
     является подпятник – подшипник главного вала ветродвигателя.
Именно благодаря его разрушению прекращены попытки сооруже-
ния мощных В.Э.У. с вертикальной осью.
Поэтому в проекте «ВетЭК» предлагаю многоступенчатую конст-
рукцию ветродвигателя. Рис.2-4. Такая конструкция ветродвигателя
позволяет: - Значительно снизить нагрузку на подпятник - подшип-
ник главного вала ветродвигателя. А самое главное – это позволяет
существенно повысить единичную мощность ветродвигателя!!!

2) Пульсация крутящего момента, приводящая к пульсациям мощности и других параметров электрогенератора.
Для решения этой проблемы предлагаю:
2-1)  На входе потока ветра в рабочую турбину установить подвиж-
ные направляющие пластины – жалюзи. Рис.3-5. В результате поток ветра воздействует на лопатки рабочей турбины по всему её
диаметру, что снизит опасность возникновения автоколебательных
процессов. Кроме того, жалюзи будут выполнять функции управления и защиты ветродвигателя, сокращая поток ветра для
обеспечения оптимальной работы ветродвигателя в условиях
сильного ветра и, перекрывая доступ ветра к лопаткам турбины
во время урагана.
2-2) На выходе потока ветра из лопаток рабочей турбины предлагаю установить направляющие лопатки. Рис.3-5.
Благодаря установке направляющих лопаток воздушный поток,
при выходе из полости рабочей турбины и ветродвигателя, не будет
создавать сопротивления лопаткам рабочей турбины при их движении против ветра,  это снизит знакопеременные нагрузки на
лопатки рабочей турбины, а значит турбина будет меньше подвергаться усталостным разрушениям.


3) Относительно большая материалоёмкость конструкции.
Так как эффективный крутящий момент для вращения рабочей турбины создают 3 – 5 лопаток, расположенных в данное мгновение в центре набегающего потока ветра. Остальные лопатки
рабочей турбины выполняют роль статистов. Благодаря установке
направляющих лопаток на выходе из турбины, лопатки рабочей турбины не создают сопротивления вращению турбины при своём движении против ветра, но и участия в создании крутящего момента для вращения турбины не принимают.
В этом смысле горизонтально – осевые  ветродвигатели  пропеллерного типа заметно выигрывают, у них одновременно работают все имеющиеся лопасти. Лопастей «статистов» нет.
Этот, не такой уж существенный недостаток, компенсируется
простотой и дешевизной деталей ветродвигателя.

4) Возмущение потока ветра в пластинах жалюзей на входе в турбину, что несколько снизит К.П.Д. установки. Но и этот недостаток легко компенсируется возможностью значительно увеличивать размеры ветродвигателя «ВетЭК» в сравнении с другими видами В.Э.У, у которых увеличение единичной мощности или уже достигло своего предела на сегодняшний день, или не возможно в принципе.
Размеры ветродвигателя «ВетЭК» по высоте (количеству ступеней) и по диаметру рабочей турбины в ( lift-машине), ограничены лишь прочностью материалов: - Опорных стоек, опорных платформ, несущих дисков рабочих турбин, промежуточных опорно-упорнных подшипников ветродвигателя и, могут быть достаточно большими, а значит, достаточно большой может быть и единичная мощность «ВетЭК».
Проблема надёжности и долговечности опорно-упорных подшипников главного вала ветродвигателя решается путём сдерживания размера отдельно взятой ступени (её массы), за счёт увеличения количества ступеней в ветродвигателе.

В)  Ветродвигатель, использующий для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения вала – силу сопротивления (drag - машина)  Рис.4-5.
Лопатки рабочей турбины в drag – машине выполнены с профилем  лопатки  паровой турбины. Рис.5.

В связи с тем, что линейная скорость движения лопаток рабочей турбины в такой установке не может быть больше скорости ветра, ветродвигатель, использующий силу сопротивления для превращения кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения вала, - тихоходная машина.
Кроме того, при одинаковом сечении набегающего потока ветра у ветродвигателей, использующих силу сопротивления, значение коэффициента мощности = 0,22, почти в три раза меньше чем у ветродвигателей, использующих подъёмную силу = 0,593. А значит значительно меньше К.П.Д. установки.
И всё же не смотря на такие  недостатки и эта, предложенная мной конструкция ветродвигателя «ВетЭК» найдёт своё применение там, где не нужна большая мощность и исключена, или сильно затруднена, возможность регулярного технического обслуживания оборудования «ВетЭК».


Часть 6. Рабочие процессы системы «ВетэК».

Рассмотрим рабочие процессы системы «ВетЭК» в зависимости от скорости ветра.

1) Штиль – лёгкий ветер: 0 – 2 м/сек.
    Ветродвигатель стоит. Работу электрогенератора обеспечивает     пневмодвигатель.

2) Слабый ветер: 2 – 6 м/сек.
    Ветродвигатель работает. Обгонная муфта №1 подключает ветродвигатель к электрогенератору. Мощности ветродвигателя не достаточно для обеспечения работы электрогенератора в номинальном режиме. Пневмодвигатель продолжает работать с меньшей нагрузкой совместно с ветродвигателем.

3) Умеренный ветер: 6 – 8 м/сек.
    Ветродвигатель обеспечивает работу электрогенератора в номинальном режиме. Обгонная муфта №2  отключает пневмодвигатель от электрогенератора. При этом система управления и защиты «ВетЭК» выключает пневмодвигатель, перекрыв подачу сжатого воздуха, одновременно выключает систему подогрева сжатого воздуха в камере подогрева сжатого воздуха.

4) Свежий – сильный – крепкий – очень крепкий ветер: 8 – 20 м/сек.
    Мощность ветродвигателя превышает мощность потребителей электрической энергии. Система управления и защиты «ВетЭК» включает в работу электрокомпрессоры. Пневмодвигатель отключен. Идёт заполнение ёмкости сжатым воздухом.

5) Шторм – сильный шторм – жёсткий шторм: 20 – 34 м/сек.
    Электрогенератор работает от ветродвигателя. Пневмодвигатель отключен. Электрокомпрессоры работают на полную мощность. Система управления и защиты «ВетЭК» включает в работу механизм управления пластинами жалюзей. Пластины жалюзей сокращают поток ветра на лопатки рабочей турбины, обеспечивая тем самым работу ветродвигателя в номинальном режиме.

6) Ураган: Более – 34 м/сек.
    Пластины жалюзей плотно закрыты. Ветродвигатель не работает. В зависимости от состояния линий электропередач, электрогенератор или стоит, или работает от пневмодвигателя, если на проводах линий электропередач нет поваленных деревьев.

7) Мокрый, налипающий на конструкции снег, который в климате   «северов» моментально превращается в прочный лёд.
Пластины жалюзей плотно закрыты. Ветродвигатель не работает.
В зависимости от состояния линий электропередач,
электрогенератор или стоит, или работает от пневмодвигателя, если провода не оборваны налипшим на провода мокрым снегом.
Для решения этой проблемы предлагаю на каждую пластину жалюзей  закрепить вибратор с переменной частотой вибрации.
По окончании снегопада вибраторы включаются, стряхивают с пластин жалюзей лёд и выключаются. Ветродвигатель, если есть ветер приступает к работе. Это безусловно несколько увеличит цену ветродвигателя, но надёжно сохранит его от разрушения.



Часть 7. Экономическое обоснование проекта «ВетЭК».

1) Простота конструкции. Отсутствие уникальных деталей и узлов, таких как – лопасти винта (размером с футбольное поле!), механизм В.Р.Ш, механизм ориентирования установки на ветер, подшипник вала винта и прочие уникальные, дорогостоящие изделия. А в «ВетЭК» большая часть деталей и узлов типовые, стандартные изделия. Изготовление остальных деталей и узлов легко поставить на поток. А это значительно снижает стоимость конструкции.

2) В «ВетЭК», смонтированных в непосредственной близости от линий электропередач единой энергетической системы, можно и нужно отказаться от – компрессора, пневмодвигателя, ёмкости для хранения сжатого воздуха. Это значительно снизит стоимость установки, а так же эксплуатационные расходы на выработку электроэнергии.

3) В «ВетЭК» с частичной автономией, в которых для подогрева сжатого воздуха на входе в ветродвигатель используются углеводородные энергоносители – газ, дизельное топливо, мазут  и т.д. – в разы снижается их расход, а соответственно снижается себестоимость выработанной электроэнергии.

4) В «ВетЭК» с полной, 100% автономией, в которых для подогрева сжатого воздуха на входе в ветродвигатель используется электроэнергия, выработанная электрогенератором «ВетЭК» - вообще бесценны в местах, куда доставка углеводородных энергоносителей связана с огромными трудностями. Это бескрайние просторы Сибири, Дальнего Востока, «бесконечное» побережье морей Тихого и Северного Ледовитого океанов, а так же многочисленные острова этих морей.

5) Для аккумулирования энергии, использование сжатого воздуха,  вместо предлагаемых ранее другими авторами - дизельных установок, так же способствует снижению стоимости конструкции, а так же себестоимости электроэнергии.
Особенно, использование сжатого воздуха для аккумулирования энергии, выгодно для территорий, расположенных на берегах морей и океанов, вблизи заброшенных шахт.
В корпусе одной подводной лодки (списанной), закреплённой в море на глубине более 300 метров, энергии сжатого воздуха достаточно, чтобы «ВетЭК» обеспечивал г. Охотск электрической энергией в режиме пневмодвигателя в течение месяца.
Кроме того у пневматических двигателей в отличии от дизельных значительно больше моторесурс. Так в 1978 году в немецком Хюнторфе был запущен в эксплуатацию первый в мире коммерческий пневмоаккумулятор. За тридцать лет эксплуатации станции в Хюнторфе, единственной поломкой было разрушение устья труб. А в американском Макинтоше станция мощностью
110 МВт, построенная в 1991 году на базе бывшего газохранилища, работает без нареканий до сих пор.  

6) В целях повышения эффективности «ВетЭК», по согласованию с заказчиком желательно  использовать кровлю и пластины жалюзей для монтажа солнечных батарей. Как правило, ветер стихает в солнечные, а усиливается в пасмурные дни. Таким образом получим дополнительный источник электрической энергии, который совместно с сжатым воздухом, значительно повысит автономность «ВетЭК». Это несколько увеличит стоимость установки, но наверняка окупится за счёт увеличения долговечности, а главное надёжности и гарантии бесперебойной работы системы «ВетЭК». Особенно это важно при работе «ВетЭК» в автономном режиме.


Часть 8. Ветроэнергетика и среда обитания человека (экология)

Негативные факторы влияния «ВетЭК» на среду обитания человека и их оценка.
Прежде всего, следует иметь в виду, что ветроэнергетика имеет локальное влияние на окружающую среду. Это означает, что никакие аварийные ситуации на ветростанции не могут привести к гибели значительного количества людей и не могут иметь катастрофических последствий для среды обитания человека, в отличие от атомных электростанций и гидростанций с высокими плотинами.
  
1) Эрозия почвы.
Это явление может возникнуть из – за разрушения верхнего почвенного слоя при сооружении фундамента «ВетЭК», проведении строительно-монтажных работ, строительстве дорог. При проектировании «ВетЭК» следует проводить оценку опасности эрозии почвы и, при наличии такой опасности, необходимо предусматривать соответствующие мероприятия, в том числе применение специальной техники, специальные способы прокладки дорог и т.д. и т.п.

2) Гибель птиц.
Возможность гибели птиц при столкновении с ветродвигателями очевидна. По результатам многочисленных исследований, проводимых по заданию Американской и Европейской ветроэнергетичеких ассоциаций, сделан следующий глобальный вывод: - «Как бы в будущем ни развивалась ветроэнергетика, гибель птиц от ветроустановок не достигнет 1% числа погибших птиц от других источников жизнедеятельности человека, – (охота, домашние кошки, линии электропередач, пестициды и т.д.)

3) Вторжение в ландшафт.
Появление ветроустановок в привычном природном ландшафте нарушает зрительную память жителей и вызывает у некоторых из них протесты. Однако опыт стран, с развитой ветроэнергетикой показывает, что подавляющее большинство людей одобряют развитие ветроэнергетики и готовы мириться с вторжением ветроустановок в привычный пейзаж.