УДК 621.548 (Караганда, КарГТУ)
(Караганда, КарГТУ)
ВЫБОР ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА ДЛЯ ВЕТРЯНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С ПАРУСНЫМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ОРГАНОМ
В настоящее время в ряде стран основное внимание уделяется ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) средней и большой мощности в составе сетей распределения и передачи электроэнергии. Однако мировой рынок малых ВЭУ также динамично развивается за счет массовых потребителей, к которым относятся объекты малоэтажного строительства, фермерские хозяйства, системы удаленного мониторинга, дорожные осветительные системы и другие автономные потребители электрической энергии. В связи с этим актуальной научно-технической задачей является эффективное использование ветрового потенциала, которая заключается не только в улучшении аэродинамических характеристик ВЭУ, но и в увеличении производительности ВЭУ в целом.
Следовательно, повышение коэффициента использования энергии ветра во всех режимах эксплуатации ветроэнергетических установок с помощью совершенствования способов управления мощностью является актуальным.
Говоря о потенциале Казахстана, надо сказать, что по своему географическому положению республика находится в ветровом поясе северного полушария и на значительной части территории страны наблюдаются достаточно сильные воздушные течения, преимущественно Северо-восточного, Юго-западного направлений.
На данный момент на рынке ветроэнергетики существуют 2 вида ветровых электростанций: с горизонтальной осью — привычный всем пропеллер, и станции с вертикальной осью вращения. Вторые, несмотря на то, что электрогенератор у них находится под мачтой, и нет необходимости ориентировать конструкцию на ветер — менее популярны. Дело в том, что для их работы требуются более сильные ветра и внешний источник для запуска.
Одни из самых легких конструкций ветряных электростанций — мощностью до 300 Вт. Такая переносная ветровая электростанция легко умещается в багажнике автомобиля, устанавливается одним человеком за считанные минуты и способна обеспечить зарядку мобильных устройств, обеспечить освещение и возможность посмотреть телевизор. Такую ветровую электростанцию можно взять с собой в дорогу или установить на даче. Излишки энергии аккумулируются и используются в периоды затишья или когда энергии нужно больше, чем дает ветер.
Ветряная электростанция с парусным рабочим органом имеет чувствительное устройство (рабочий орган) в виде паруса, захватывающего пространственные движения воздушной массы. С помощью параллельного манипулятора с шестью степенями свободы движение паруса преобразуется в электрическую энергию. Особенность электростанции в том, что она имеет систему автоматического управления парусностью.
Преимущества использования ветровых электростанций с парусным рабочим органом:
Ветровые электростанции с парусным рабочим органом имеют большой диапазон функционирования: они работают при скорости ветра от 1 до 20 м/с. Увеличение диапазона функционирования достигается автоматическим изменением парусности рабочего органа. Так, например, при слабом ветре парусность увеличивается, а при сильном ветре – уменьшается. Ветровые электростанции с парусным рабочим органом имеют высокий коэффициент использования энергии ветра, равный от 0.7 до 0.9. Это объясняется использованием кинетической энергии всех пространственных движений воздушной массы, отсутствием потерь в неэффективных преобразующих устройствах. Ветровая электростанция с парусным рабочим органом работает при любых направлениях ветра, т. е. не требует дополнительных устройств для изменения направления оси турбин и лопастей. Рабочий орган ветровой электростанции обладает малой инерционностью.Для генерирования электрической энергии могут использоваться различные электрические машины. Выбор электрогенератора требуемой мощности, требований надёжности в эксплуатации, низкой стоимости и высокого коэффициента полезного действия является актуальным для решения проблем ветровой энергетики.
В устройстве в качестве рабочего тела используется парус тороидальной формы с аэродинмическим профилем сечения и упругой полой полостью. Путем изменения обьема полости возможно изменять площадь поверхности обтекаемой воздухом. Соединение шток-цилиндр имеет устройства демфирования (в цилиндре), которое возвращает шток в исходное положение. Данная модель ветряной электростанций изображена на рис. 1.
Научная новизна проекта по ВЭС заключается в том, что предлагается новая технология преобразовании энергии ветра, основанная на преобразовании кинетической энергии пространственного движения воздушной массы при ветре, в поступательные механические движения. Для реализации этой технологии предлагается использовать манипуляторный преобразователь.
(а) (б)
Рис. 1 (а) действующая лабораторная модель ВЭУ;
(б) кинематическая схема шестиподвижного робота SHOLKOR.
Был создан действующий прототип шестиподвижного платформенного робота с кинематической схемой, показанной на рис. 2. Этот робот, оснащен датчиками давления 3, магнитострикционными датчиками перемещения 2, тензометрическими датчиками 1. Исполнительными устройствами гидравлической системы являются нагнетательные 4 и сливные 5 электромагнитные клапана. Гидросистема питается от гидронасоса 6.
Как показано на кинематической схеме, нижняя платформа 1 представляет треугольник со сторонами a1,b1,c1, а верхняя платформа 3 – треугольник со сторонами a2,b2,c2. Эти платформы соединяются с помощью шести кинематических цепей (соединительных звеньев), состоящих из двух звеньев: 3-31, 4-41, 5-51,, 6-61, 7-71, 5-51, 8-81, соединенных поступательной кинематической парой.
Научной новизной этой части проекта является применение системы автоматического регулирования парусности паруса ВЭС. Принцип изменения парусности основан на том, что парус представляет упругое тело тороидальной формы с аэродинамическим профилем с полостью, наполненной газом. Путем нагнетания газа или его выброса регулируются объем и площадь поверхности паруса, соприкасающиеся с воздушным потоком, при этом изменяется парусность. В настоящее время аналога регулирования парусности в ВЭС не обнаружено.
