Разработка солнечно-ветровых энергетических установок для отдаленных животноводческих стоянок в Республике Калмыкия

Введение . Экономическая конъюнктура в России складывается благоприятным образом для развития альтернативной энергетики, более широкого использования и сбыта автономных источников питания. Тарифы в России на электроэнергию очень сильно выросли и продолжают расти, что создает высокий спрос на ветро-генераторы и солнечные элементы питания.

Кроме этого, регион Южного федерального округа имеет высокий удельный вес сельского населения, а значит высокий уровень спроса на автономные элементы питания.

Юг России, частью которого является Калмыкия, отличается также превышением среднероссийского уровня по интенсивности ветра и солнечному потенциалу, количеству солнечных и ветровых дней в году.

Обзор проблематики. В настоящее время Республика Калмыкия не имеет действующих электрических генерирующих мощностей. Электроснабжение республики осуществляется за счет электроэнергии, закупаемой на Федеральном оптовом рынке электроэнергии и мощности. Тарифы на электроэнергию для конечных потребителей в Республике Калмыкия выше в сравнении с регионами Южного федерального округа. Основными причинами высоких цен на электроэнергию являются отсутствие крупных промышленных потребителей, низкая плотность населения и разбросанность населенных пунктов по территории республики, что обуславливает большую протяженность линий электропередачи и большие затраты по их содержанию.

Республика Калмыкия обладает огромными ресурсами энергии на возобновляемых источниках (ВИЭ): годовой потенциал оценивается в следующих величинах: солнечная энергия – 12,9 млрд т.у.т. (105 млн ГВт·ч), ветровая – 2,8 млрд т.у.т. (23 млн ГВт·ч), биомасса – 497 млн т.у.т.( 4 ГВт·ч) [1].

Высокий естественный потенциал ветровой энергии связан с расположением Калмыкии в естественной «аэродинамической трубе»: в Предкавказье, между Каспийским и Чёрным морем, открытыми степными просторами, возвышенным рельефом в западной части республики. Средние скорости ветра в Калмыкии на высоте 10 метров – 4,5–5 м/с, на высоте 50 метров – 6 м/с (рисунок 1).

Большие ресурсы солнечной энергии обусловлены сравнительно низкоширотным положением Калмыкии и преобладанием солнечной погоды. Продолжительность солнечного сияния составляет 2180–2250 часов в году, средняя солнечная энергия на 1 м2 горизонтальной поверхности – 3,5–4 кВт в сутки, или более 1300 кВт в год.

Валовой потенциал перекрывает текущее потребление в Республике Калмыкия в десятки тысяч раз и составляет 80% всего текущего производства и потребления электроэнергии в России [1].

Таким образом, потребность Калмыкии в энергии и, как следствие в решении ряда социально-экономических и геоэкологических проблем, может быть удовлетворена за счет использования ВИЭ, и в этом смысле Калмыкия может стать одним из эталонных с экологической точки зрения регионов не только России, но и мира.

Развитие энергетики на основе ВИЭ в Калмыкии может идти по двум направлениям [2]:

– реализация крупных проектов, в частности ветропарков;

– обеспечение множества дисперсных потребителей (животноводческие стоянки, небольшие населенные пункты, личные хозяйства) автономными солнечными батареями, вет-рогенераторами, биогазовыми установками.

Последнее из вышеуказанных направлений является приоритетным в научно-исследовательской деятельности инженерно-технологического факультета и молодёжного научного производственного центра «Конструктор» ФГБОУ ВО «Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова» [3].

А – среднегодовая скорость ветра 4,2–4,9 м/с; Б – среднегодовая скорость ветра 4,9–5,6 м/с;

В – среднегодовая скорость ветра 5,6–6,2 м/с; Г – среднегодовая скорость ветра 6,2 м/с и более Рисунок 1 – Карта-схема районирования Калмыкии по ветровым ресурсам

Методика экспериментальных исследований. Авторским коллективом, состоящим из студентов и сотрудников, проводится активная работа по всем направлениям возобновляемой энергетики: разработка ресурсосберегающих технологий при эксплуатации ДВС, разработка и изготовление ветроэнергетических установок, применение солнечных устройств для подъема воды из колодцев и скважин [4].

Применение маломощной автономной энергетики с установленной мощностью оборудования от 0,2 до 5 киловатт довольно эффективно, и сроки его окупаемости могут составлять от 1 года до 5 лет.

Рисунок 2 – Структурная схема солнечно-ветрового энергетического комплекса

В вышеприведённой схеме (рисунок 2) важнейшей составной частью является ветровая энергетическая установка (ВЭУ). В рамках реализации программы в 2015 году на базе

ФГБОУ ВО «Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова» был разработан, спроектирован и изготовлен опытный образец ВЭУ (рисунок 3).

Рисунок 3 – Экспериментальный образец вертикально-осевого ВЭУ КалмГУ

После изготовления и перебазировки были проведены полевые конструкторские испытания. Для выполнения условий безопасности было изготовлено многофункциональное ограждение, исключающее случайное попадание людей, животных, птиц в рабочие зоны ВЭУ, пересмотрена изначальная схема установки рабочего вала ветродвигателя на одну подшипниковую опору.

В ходе тестовых испытаний была получена обширная информационная база, основанная на многочисленных экспериментах с применением высокоточного измерительного комплекса и наблюдений.

Отмечено, что в конструкциях вертикальных ВЭУ есть один существенный недостаток – во время их работы перед препятствием (лопастным элементом ротора) образуется воздушная подушка, взаимодействуя с которой новые порции ветра расходуются по сторонам (это отмечено во время пыльных бурь) и не менее 30– 40% энергии ветра уходит и не принимает участия в давлении на лопасти.

В связи с этим суммарный КПД, или коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) ветроколеса у вертикальных энергетических установок достаточно низкий и составляет всего 15–25%. Это означает, что такие низкие энергетические характеристики повлекут за собой низкие экономические показатели ВЭУ.

Необходимо было найти другое оригинальное техническое решение с перспективой серийного производства недорогого и в то же время эффективного устройства энергоблока для синхронной работы с солнечной батареей.

Накопленный авторским коллективом конструкторский опыт и лабораторная установка, оснащенная высокоточным измерительным комплексом, помогли разработать инновационную принципиальную аэродинамическую схему, кардинально меняющую взаимодействие рабочего воздушного потока и лопастных элементов ротора, а также эффективного оттока отработанного воздуха.

Известно, что мощность ВЭУ определяется, прежде всего, ветровыми условиями, в которых она работает:

Р=1/2 рξлглм S V·3, где р =1,225 кг/м3 – удельная плотность воздуха при температуре 18 ºС;

ξ – коэффициент преобразования энергии ветра, теоретическое значение которого по теории Н.Е. Жуковского составляет 0,593;

"П г – КПД генератора, обычно составляет 0,95;

л м – КПД мультипликатора, обычно составляет 0,95;

S – площадь, ометаемая ветроколесом, м2;

V – скорость ветра, м/с (зависит как от места размещения ВЭУ, так и от высоты оси вращения над уровнем поверхности земли).

В предлагаемой инновационной схеме (рисунок 4) за счет совершенствования соплового входного аппарата удалось увеличить плотность воздушного потока на 7%.

Воздушный поток, проходя через входное сопло, сжимается вследствие конструктивной особенности пропорционально соотношению наружной площади входа и внутренней площади.

Это приводит в совокупности к увеличению аэродинамической силы и увеличению силового воздействия на лопастные элементы ротора 1 ветродвигателя.

Ротор ветродвигателя состоит из вертикального вала 2 и прикреплённых к нему лопастных элементов, причем верхний диаметр выпускного воздуховода 5 меньше на 30% выпускного, что способствует увеличению скорости воздушного потока внутри ветродвигателя.

Выпускной воздуховод 5 обеспечивает эффективный отток отработанного воздуха в турбине из-за того, что его выходное отверстие находится с подветренной стороны и вокруг него образуется область разряженного воздуха, что приводит к ускоренному движению ветрового потока и уменьшает начальную скорость работы ветродвигателя (от 1,5 м/с).

• 1    – ротор ветродвигателя; 2 – вал ветродвигателя; 3 – подвижный корпус ветродвигателя;

• 4 – воздухозаборник; 5 – выпускная труба эжекторного типа; 6 – стабилизатор подвижного корпуса ветродвигателя; 7 – подшипниковая опора; 8 – блок-каркас; 9 – гидравлическая система тормозов;

• 10 – редуктор; 11 – генератор; 12 – соединительная муфта; 13 – корпус мачты; 14 – основание Рисунок 4 – Принципиальная схема усовершенствованной ВЭУ

  Результаты исследования и их обсуждение. Научная новизна разработки подтверждена патентом Российской Федерации № 157835 от 19 ноября 2015 года «Энергетическая установка с выпускным воздуховодом».

Проведенный анализ энергопотребления фермерских хозяйств показывает, что для их электроснабжения достаточно солнечно-ветровых электростанций единичной мощностью 500 Вт. При этом месячная выработка составит 200–400 кВт·ч. Дело в том, что ветроэлектростанции работают на заряд аккумуляторных батарей, и в вечернее время, когда энергопотребление максимальное, с аккумуляторов снимается энергия, запасенная в дневное время от вет-роустановки и солнечных модулей [5].

При широкомасштабном внедрении солнечных и солнечно-ветровых энергоустановок различных типов они могут обеспечить до 15–20% общего энергопотребления коммунального сектора в республике.

Разработке конкретных мероприятий программ для каждого района и конкретного объекта на его территории должен предшествовать анализ состояния обеспечения их топливноэнергетическими ресурсами, должна прогнозироваться потребность в энергоресурсах и должно учитываться наличие природных и сырьевых ресурсов.

С учетом этого на данном этапе предлагаются следующие направления деятельности, которые на дальнейших этапах должны быть детализированы и расширены:

• 1.    Комплексный анализ солнечно-ветровой климатической ситуации, изучение особенностей энергопотребления районов и объектов на их территории, разработка стратегии и тактики внедрения солнечных, солнечноветровых и комплексных энергоустановок.

• 2.    Разработка и широкое внедрение бытовых солнечных водонагревательных установок.

• 3.    Разработка проекта, организация производства и поставка потребителям экологически чистой энергетической установки для сельских объектов, в первую очередь для сельских школ, малых и средних предприятий с целью обеспечения их горячей водой и электроэнергией за счет энергии солнца и ветра.

• 4.    Разработка проектов и установок по использованию возобновляемых источников энергообеспечения отдельных производственных и жилых объектов в городских населенных пунктах.

• 5.    Разработка проекта строительства солнечно-ветровых, тепло- и электроэнергетических станций для централизованного энергообеспечения отдельных поселков или городских микрорайонов.

Процесс использования альтернативных источников энергии тормозится малым количеством профессионально подготовленных специалистов и менеджеров в области охраны окружающей среды при производстве и потреблении энергии. Необходимо организовать подготовку специалистов в области экологически безопасной энергетики, ее популяризацию. Подготовка специалистов в области экологически безопасной энергетики является одним из важнейших и приоритетных направлений развития вуза.