Содержание к диссертации
Введение
1. Конструкции и исследования установок на основе возобновляемой энергии 13
1.1. Общие сведения по объекту исследований 13
1.2. Обзор конструктивных решений энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии 17
1.3. Анализ исследований концентраторов потока
и потокоформирующих элементов энергоустановок 27
1.4. Анализ методов выбора и обоснования основных параметров энергоустановок, работающих на основе возобновляемой энергии 36
1.5. Существующие методики обоснования экономической эффективности энергоустановок, работающих на основе возобновляемой энергии 40
1.6. Выводы по главе и задачи исследований 46
2. Разработка новых конструктивных решений энергоустановок с концентраторами потока 49
2.1. Пути совершенствования конструктивных решений энергоустановок 49
2.2. Повышение эффективности работы энергоустановок за счет использования концентраторов потока 54
2.3. Новые предложения по совершенствованию конструктивных решений энергоустановок с концентраторами потока 64
2.4. Разработка классификации концентраторов потока и потокоформирующих элементов 72
2.5. Выводы по главе 75
3. Описание экспериментального стенда и методики проведения исследований 78
3.1. Техническое описание экспериментального стенда 78
3.2. Исследованные модели концентраторов потока 80
3.3. Разработка методики проведения лабораторных исследований 86
3.4. Оценка погрешностей измерений и вычислений
и выбор методики исключения ошибок 94
3.5. Планирование эксперимента по влиянию концентратора потока
на характеристики энергоустановки 98
3.6. Условия моделирования 102
4. Результаты исследований и разработка методики оптимизации параметров концентраторов потока 105
4.1. Предварительные замечания 105
4.2. Влияние параметров концентратора конфузорного типа на скорости потока в зоне рабочего колеса 106
4.3. Влияние параметров диффузора 110
4.4. Влияние параметров концентратора комбинированного типа 115
4.5. Влияние рабочего колеса на характер движения потока в концентраторе 122
4.6. Методика энерго-экономической оптимизации параметров агрегата с концентратором потока 125
4.7. Эффективность использования ВЭА
с концентратором потока 130
4.8. Выводы по главе 139
Заключение 141
Библиографический список
- Обзор конструктивных решений энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии
- Повышение эффективности работы энергоустановок за счет использования концентраторов потока
- Исследованные модели концентраторов потока
- Влияние параметров концентратора конфузорного типа на скорости потока в зоне рабочего колеса
Введение к работе
В настоящее время важным направление дальнейшего развития энергетики является более широкое применение энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии. Одним из перспективных видов возобновляемой энергии является ветровая энергия.
В Российской Федерации разработаны предложения по первоочередному освоению ветровой энергии для районов побережья Северных морей, особенно Кольского полуострова, прибрежной полосы Северного Ледовитого и Тихого океанов, побережья и острова Балтийского моря, побережья Каспия, Юг Приморского 'края и некоторых других, в которых среднегодовые скорости ветра превышают величину 6 м/с. В связи с этим, важное народнохозяйственное значение приобретают научные разработки, направленные на вовлечение этого потенциала для полезного использования его различными потребителями.
Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) существуют в окружающей среде постоянно. Потенциал их огромен, однако доля их в балансе энергопотребления составляет всего 10 -14 %. На развитие энергетики с использованием ВИЭ направлена принятая государственная научно-техническая программа «Экологически чистая энергетика».
Регионы России, в том числе Самарская область, принимают активные меры по решению проблемы энергетической направленности. Об этом свидетельствуют комплексные меры по анализу, обобщению и выявлению конкретных площадок размещения энергоустановок на базе ВИЭ. Например, в Самарской области действует Постановление Администрации №-745 от 18.05.94 г. «О проведении политики энергосбережения», разрабатываются энергетические стратегии области и т.п.
Как уже отмечалось, из всех известных ВИЭ на современном этапе весьма целесообразно использовать ветровую и низкопотенциальную
гидравлическую энергию. Часто эти источники называют нетрадиционными (НВИЭ). На их применении основана работа ветровых агрегатов (ВЭА) и малых гидроэлектрических станций (ГЭС).
Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод о большой перспективности и высокой актуальности исследований возможностей широкого применения ветровой энергии в районах со средним ветропотенциалом, к которым относятся Центральные и Поволжские районы страны. Однако в настоящее время существует ряд причин, препятствующих широкому использованию энергоустановок, работающих на основе возобновляемых источниках энергии, и в частности ВЭУ. К этим причинам можно отнести: низкую удельную плотность воздушного потока; существенную зависимость величины энергии ветрового потока от природных условий, что обусловлено периодами ветровых затиший различной продолжительности; недостаточную разработанность методов по обоснованию эффективности энергоустановок подобного рода, оптимизации и выбора их основных параметров.
Во многом эффективность работы ветровых энергоустановок зависит от их конструкции и параметров основных элементов.
Общей характерной особенностью энергоустановок работающих на основе возобновляемых источниках энергии является то, что для организованного подвода и отвода водного (воздушного) потока к рабочему колесу и от него используются различного типа потоконаправляющие устройства или концентраторы потока. Концентраторы потока представляют собой конфузорные или диффузорные устройства, устанавливаемые в непосредственной близости от рабочего колеса энергоустановки. В результате их действия повышается скорость потока в зоне колеса и, следовательно, коэффициент использования энергии потока. Повышение скорости потока обеспечивает также увеличение мощности агрегата и выработки электроэнергии.
В гидроэнергетических установках, таких как ГЭС,
гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), насосные станции (НС) потоконаправляющими устройствами являются водоприемно-водовыпускные сооружения, турбинные камеры, отсасывающие (всасывающие) трубы, лопатки направляющего (выправляющего) аппарата, лопасти рабочего колеса, стабилизаторы, пазы, отводы, водовыпуски, бычки, направляющие полки (плоскости) и др. Для ВЭА такими элементами являются лопасти ветроколеса, обтекатель, гондола и башня, на которой установлено ветроколесо, а также концентраторы и различного типа направляющие ветрового потока.
В последнее время разработано большое количество предложений по применению в' конструкциях ВЭА дополнительных устройств (концентраторов потока, потокоформирующих элементов), призванных повысить эффективность использования ветровой энергии. Однако отсутствуют данные о влиянии концентраторов потока на основные энергетические характеристики ветровых энергоустановок, а так же не достаточно разработаны методики, позволяющие выбрать оптимальные параметры этих устройств.
Таким образом, актуальным являются исследования возможностей применения концентраторов потока для повышения эффективности ветровых энергоустановок применительно к районам со средним и малым ветропотенциалом. При этом наиболее целесообразно использовать концентраторы потока с оптимальными параметрами.
Цель диссертационной работы - исследования концентраторов потока ветровых энергоустановок для повышения эффективности их работы в районах со средним и малым ветропотенциалом и разработка методики обоснования основных параметров концентраторов.
Для решения основной цели работы были поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ конструктивных решений и методов исследований концентраторов потока ветровых энергоустановок;
Разработка новых конструктивных решений, совершенствующих концентраторы потока ветровых энергоустановок и повышающих эффективность их работы;
Выявление влияния параметров концентратора на характеристики потока в зоне расположения рабочего колеса ветровых энергоустановок, путем проведения экспериментальных исследований перспективных моделей;
Разработка методики выбора основных параметров концентратора потока ветровых энергоустановок;
Выявление эффективности ветровых энергоустановок, использующих оптимизированные параметры концентратора потока в районах со средним и малым ветропотенциалом.
Методы исследований. При решении поставленных в работе задач по изучению влияния параметров концентратора потока использовались теоретические и экспериментальные методы. Теоретические исследования выполнялись на основе методов гидродинамики и аэростатики с использованием математического моделирования. Экспериментальные исследования выполнялись на специально созданной модели. При обработке экспериментальных данных применялись методы теории вероятности и математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана классификация концентраторов потока энергетических
установок, работающих на основе возобновляемых источников
энергии;
разработано новое конструктивное решение концентратора потока
ветровой энергоустановки, обеспечивающее повышение
эффективности ее работы;
&
получены, на основе модельных исследований, данные о влиянии параметров концентратора на характеристики потока в зоне размещения рабочего колеса ветровой энергоустановки; разработана методика выбора основных параметров концентраторов потока ветровых энергоустановок. Личный вклад автора заключается в разработке новых технических решений концентраторов потока, направленных на повышение эффективности работы ветроэнергетических установок. Разработана методика выбора параметров концентраторов потока ВЭА, на основе которой проведены сопоставительные расчеты ВЭА малой мощности с концентратором потока и без него. Разработана классификация концентраторов потока энергоустановок.
Приведенные в диссертационной работе результаты исследований были получены при разработке и решении задач по отдельным темам, заданиям и проблемам, в которых автор принимал участие в качестве соисполнителя и ответственного исполнителя.
Практическая ценность работы состоит в обосновании перспективности использования ветровых энергоустановок в районах с малым и средним ветропотенциалом; реализации разработанной методики выбора параметров концентраторов потока в расчетах энерго-экономической эффективности ветровых установок; результаты исследований могут быть использованы при разработки практических рекомендаций по обоснованию основных параметров гидравлических энергоустановок, использующих энергию течения.
Использование разработанных технических средств, методов и рекомендаций автора по тематике исследований позволит обеспечить повышение конкурентоспособности энергоустановок на основе возобновляемой энергии и, тем самым улучшить экологическую обстановку в районах не относящихся к первоочередным по освоению ветровой энергии.
Реализация работы. Результаты исследований внедрены в разделах инвестиционного проекта ветроэлектростанции малой мощности в городе
9 Похвистнево Самарской области. Результаты использованы ОАО «Волгаэнергопроект-Самара» при уточнении пропускной способности временного водовода через сооружения Ириклинской ГЭС, а также шлюза -регулятора буферного гидроузла на реке Урал. Новые технические решения по элементам проточного тракта гидроэнергетических установок, приведенные в диссертационной работе приняты к рассмотрению и реализации при усовершенствовании водопроводящего тракта на ОАО «Жигулевская ГЭС». Кроме этого, результаты работы использованы при чтении лекций и проведении практических занятий со студентами 4 и 5 курсов специальностей 290400 - Гидротехническое строительство, 330200 - Инженерная защита окружающей ' среды по дисциплинам «Использование возобновляемых источников энергии» и «Нетрадиционные источники энергии», а также при подготовке методических указаний по указанным курсам, в дипломном проектировании и выполнении курсового проектирования.
Соответствующие акты и справки имеются.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на областных, вузовских, российских и международных научно-технических конференциях, симпозиумах и совещаниях. Среди них следующие:
- научно-практическая конференция аспирантов, молодых ученых РАН и
высшей школы «Социально-экономическое развитие и экологическая
безопасность регионов России (на примере Северо-Запада)» (Санкт-Петербург,
1998 г., 2000 г.);
30-я научно-техническая конференция профессорско-
преподавательского состава, научных работников и аспирантов с участием представителей проектных, строительных и производственных организаций (Пенза, 1999 г.);
- VI и VIII Международные конгрессы «Экология и здоровье человека»
(Самара, 1999 г., 2002 г.);
Международная научно-техническая конференция «Технология энергосбережения, строительство и эксплуатация инженерных систем» (С.Петербург, 2000 г.);
- 57-я научно-техническая конференция, посвященная 70-летию НГАСУ
(Новосибирск, 2000 г.);
- IV Международный симпозиум молодых ученых, аспирантов и
студентов «Техника и технология экологически чистых производств» (Москва,
2000 г.);
- V, VIII Международный конгресс «Окружающая среда для нас и
будущих поколений: экология, бизнес и экологическое образование» (Самара-
Астрахань, 2000 г., 2003 г.);
Международная научно-техническая конференция «Научные проблемы нетрадиционной возобновляемой энергетики» (Самара, 2000 г.);
Всероссийское Совещание гидроэнергетиков по вопросам повышения эффективности строительства и эксплуатации гидроэнергетических объектов (Самара, 2000 г.);
Международная научно-техническая конференция «Проблемы экологии на пути к устойчивому развитию регионов» (Вологда, 2001 г.)
- Международная научно-техническая конференция «Современные
проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных,
пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» (Самара,
2002 г.);
- Международная научно-техническая конференция «Гидротехника и
гидроэнергетика: проблемы строительства, эксплуатации, экологии и
подготовки специалистов» (Самара-Волгоград, 2002 г.);
- 55, 56, 57, 58, 59, 60 и 61-я научно-технические конференции (Самара,
1998-2004 гг.).
Публикации. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 25 работах, включая 3 патента на изобретение. По результатам исследований выпущено 3 отчета о НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 98 страниц печатного текста, 38 рисунков и 3 таблицы.
В первой главе приводятся общие сведения по объекту исследований; дается обзор конструктивных решений энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии; приводится краткий обзор исследований потокоформир'ующих элементов и концентраторов потока энергоустановок подобного типа; рассматриваются существующие методики обоснования экономической эффективности энергоустановок, а также анализируются методы выбора и обоснования основных параметров энергоустановок, использующих энергию течения.
Во второй главе рассматриваются пути совершенствования конструктивных решений энергоустановок, исследуются влияния концентраторов и потоконаправляющих элементов на эффективность работы энергоустановок, использующих возобновляемые виды энергии; рассматриваются новые предложения по совершенствованию конструктивных решений энергоустановок с концентраторами потока при непосредственном участии автора, а также приводится разработанная классификация концентраторов потока.
Третья глава посвящена описанию экспериментальных установок и методики проведения исследований. В главе приводятся техническое описание экспериментального стенда; рассматриваются, в рамках проведения эксперимента, конфузорная, дифузорная и комбинированная модели концентраторов потока; приводится методика проведения лабораторных исследований; определяется оценка погрешностей измерений и вычислений, а
также приводится пункт по планированию эксперимента и выбору условий моделирования.
В четвертой главе анализируются результаты экспериментальных исследований по влиянию параметров концентратора конфузорного, диффузорного и комбинированного типа на характеристики потока в зоне рабочего колеса; рассматриваются результаты исследований по влиянию рабочего колеса на характер движения потока в концентраторе; приводится методика выбора основных параметров концентраторов потока ветроэнергетических установок; приводятся результаты сопоставительных расчетов по определению эффективности работы ветроэнергоагрегата малой мощности с концентратором потока и без него.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы по выполненной работе.
Автор глубоко признателен и благодарен коллективу сотрудников кафедры Природоохранного и гидротехнического строительства Самарского государственного архитектурно-строительного университета и коллективу сотрудников кафедры Возобновляющихся источников энергии и гидроэнергетики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.
Обзор конструктивных решений энергоустановок на основе возобновляемых видов энергии
Как отмечалось в предыдущей главе, в настоящее время наиболее широко используются гидравлическая и ветровая энергии соответственно на гидравлических и ветровых энергетических установках. Общей характерной особенностью этих установок является то, что для организации подвода и отвода энергетического водного или воздушного потока к рабочему колесу и от него используются различного типа концентраторы потока.
В гидроэнергетических установках, таких как ГЭС, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), насосные станции (НС) концентраторами потока являются водоприемно-водовыпускные сооружения, турбинные камеры, отсасывающие (всасывающие) трубы, лопатки направляющего (выправляющего) аппарата, лопасти рабочего колеса, стабилизаторы, пазы, отводы, водовыпуски, бычки, направляющие полки (плоскости) и др. Для ветроэнергетических агрегатов такими элементами являются лопасти ветроколеса, обтекатель, гондола и башня, на которой установлено ветроколесо, а также концентраторы и различного типа направляющие ветрового потока.
Роль концентраторов потока в энергоустановках велика. С одной стороны, они в значительной степени определяют стоимость всей установки. В частности, некоторые из них принадлежат рабочему органу и непосредственно участвуют в преобразовании энергии потока в механическую энергию вращения вали. Другие, из-за своих размеров, являются определяющими для общих габаритов энергоустановки. С другой стороны, такие устройства, их формы и геометрические параметры оказывают наиглавнейшее влияние на энергетические характеристики установки.
Концентраторами потока в гидроэнергетических установках являются потокоформирующие элементы в виде водоприемников и водовыпусков. Водоприемники и водовыпуски ГЭС, ГАЭС, НС по конструкции и выполняемым функциям имеют много общего. Они представляют собой головные или выходные сооружения водопроводящих трактов. В них поток воды переходит из безнапорного течения в напорное или наоборот. В конструктивном отношении эти сооружения являются весьма сложными устройствами с большим количеством взаимосвязанных элементов.
Как видно из рис. 1.1., водоприемник-водовыпуск ГАЭС включает аванкамеру, водоприемно-водовыпускное отверстие, паз для затвора, напорный водовод и защитную стенку, шарнирно прикрепленную нижней гранью к дну водоприемника. При работе ГАЭС в турбинном режиме защитная стенка находится в нише, занимая нижнее положение. Вода из аванкамеры плавно поступает в водоприемно-водовыпускное отверстие и далее в напорный водовод. При включении насосного режима, вода начинает поступать в аванкамеру и обтекает снизу и сверху стенку. Возникает подъемная сила, которая действует на стенку, несколько поднимая ее, и поворачивает относительно шарнира против часовой стрелки. Выходящий поток воды будет отклоняться вверх стенкой, что обеспечит малые скорости течения в аванкамеру за этой стенкой. Рассмотренная конструкция водоприемника-водовыпуска обеспечивает автоматическую работу защитной стенки и уменьшает потери напора в турбинном режиме, за счет чего повышается его эффективность.
Однако Данное техническое решение водоприемника-водовыпуска имеет достаточно большую длину аванкамеры, вследствие, увеличена материалоемкость конструкции, что приводит к удорожанию всей энергоустановки в целом.
Далее на рис. 1.2. представлена конструкция водоприемника с потокоформирующим элементом, а именно, с направляющим козырьком за забральной стенкой [40]. При такой конструкции водоприемника, поток за стенкой расширяется и увеличивает рабочую высоту сороудерживающей решетки. В результате этого, средняя скорость потока на решетке, а следовательно, и потери энергии, существенно уменьшаются. Кроме этого, устраняется объемная зона водоворота в водоприемной камере между бычками водоприемника над транзитным потоком. Такое решение потокоформирующего элемента существенно повышает эффективность энергоустановки.
В связи с вышеизложенным, концентраторы потока оказывают значительное влияние на потери энергии (напора) потока, а, следовательно, на мощность энергетической установки и выработку или потребление электроэнергии.
Повышение эффективности работы энергоустановок за счет использования концентраторов потока
Как отмечалось ранее, существенно повысить эффективность работы энергоустановок можно за счет использования концентраторов и потокоформирующих элементов.
Анализ конструктивных решений гидроэнергетических установок, показал, что использование новых технических решений потокоформирующих элементов значительно улучшает энергетические показатели таких установок.
В частности, для повышения эффективности работы ГАЭС предлагается использовать следующую конструкцию водоприемника-водовыпуска (рис. 2.2). Данное водоприемное устройство позволяет изменять форму поперечного сечения водоприемной камеры и устранять угловые зоны, наиболее неблагоприятные с энергогидравлической точки зрения. Этим обеспечивается снижение потерь напора в водоприемнике-водовыпуске ГАЭС [36].
Если конструкцию использовать в низовом водоприемнике ГАЭС, непосредственно примыкающем к рабочему колесу, то дополнительно к сказанному можно обеспечить повышение КПД агрегата и снижение пульсации давления из-за более плавного подвода воды к рабочему колесу. Недостатком конструкции водоприемника-водовыпуска ГАЭС является то, что в известном устройстве повышенные потери энергии на преодоление потоком достаточно большой длины водоприемно-водовыпускной камеры.
Следующая конструкция водоприемного устройства гидротехнического сооружения [37] не только обеспечивает направление водного потока, но и формирует различную раструбность водоприемной камеры. Схема устройства приведена на рис. 2.3.
Как следует из рисунка, кроме изменения раструбности в этой конструкции, возможно, обеспечить различную форму водоприемной камеры. Это весьма важно для обеспечения оптимального очертания водоприемника при его работе в разных режимах и при различных уровнях воды в водохранилище.
Недостатком данной конструкции является то, что верхняя и нижняя грани входного оголовка напорного водовода, состоят из большого количества подвижных частей, а это значительно уменьшает надежность работы и срок эксплуатации всей конструкции.
Влияние концентраторов потока весьма эффективно проявляет себя не только в пределах потокопроводящего тракта, но и вне его.
В частности, конструкция водоприемника-водовыпуска ГАЭС [38], предусматривает установку стенки около водоприемного отверстия. При работе ГАЭС в насосном режиме в результате воздействия этой стенки поток воды отбрасывается в верхние слои водохранилища (рис. 2.4). Этим существенно уменьшается длина аванкамеры, подвергающаяся воздействию больших скоростей потока. Создание благоприятного режима в аванкамере приведет к уменьшению затрат на крепление дна аванкамеры, и следовательно, к повышению эффективности водоприемного устройства. При изменении режима работы, стенка автоматически укладывается на дно, уменьшая тем самым сопротивление потоку в турбинном режиме. К недостаткам этой конструкции так же можно отнести наличие подвижных частей, что сказывается на уменьшении надежности работы и срока службы всей установки.
Сифонный водовыпуск [41] и всасывающе-отсасывающая труба [86] так же являются концентраторами потока гидроэнергетических установок. Конструктивные решения, которых приведены на рис. 2.5,а и 2.5,6.
Сущность этих технических решений заключается в том, что они способны автоматически изменять угол раструбности при переходе от турбинного режима в насосный и наоборот. При этом не требуется следящих систем и сложного оборудования. Изменение геометрических параметров производится автоматически под действием изменения направления водного потока.
Данные конструкции водовыпускных устройств, в частности, коленчатого типа (рис. 2.5,6) содержат подвижные элементы в качестве шарнирно соединенных между собой секций, которые в процессе эксплуатации отсасывающей трубы снижают надежность всей конструкции. Помимо этого, существует вероятность отказа в работе подвижных секций потолка, что приведет к резкому ухудшению гидравлического режима отводящего потока и увеличению потерь.
Весьма существенно повысить эффективность ветроэнергетических установок позволяет применение концентраторов воздушного потока. Это обусловлено тем, что для быстроходных ВЭА необходимы значительные величины скоростей ветра для обеспечения их работы (4 и более м/с), поскольку в них для вращения ветротурбины используется эффект подъемной силы, возникающей при обтекании потоком профилированных лопастей. При этом максимальный коэффициент использования энергии ветра, достигнутый в современных условиях, может составлять 35-40 %.
Концентраторы потока представляют собой конфузорные, диффузорные или комбинированные устройства, устанавливаемые в непосредственной близости от ветротурбины. В результате их действия повышается скорость ветра в зоне ветроколеса и, следовательно, коэффициент использования энергии ветрового потока. Повышение скорости воздуха обеспечивает также увеличение мощности агрегата и выработки электроэнергии.
Типичным примером этого является ветродвигатель, показанный на рис. 2.6. Он имеет входной конфузор и выходной диффузор, непосредственно примыкающие в ветроколесу. Поток воздуха, истекающий через клинообразные лотки, эжектируется в ВЭУ внешним потоком. Наличие концентратора и эжектирования существенно увеличивают коэффициент использования энергии ветра [32]. Однако в данной конструкции концентратора конфузорная и диффузорная части неподвижны, что сказывается на эффективности работы конструкции
Исследованные модели концентраторов потока
Многоплановые лабораторные исследования по выявлению влияния геометрических параметров концентратора на распределение скоростей потока и на характеристики потока в зоне расположения рабочего колеса в концентраторе, выполнялись на экспериментальном стенде лаборатории кафедры Природоохранных и гидротехнических сооружений Самарского государственного архитектурно-строительного университета. В качестве экспериментального стенда был использован гидравлический стенд лаборатории.
Основными элементами гидравлического стенда, схема которого приводится на рис. 3.1, являются: гидравлический лоток 1, состоящий из трех участков - подводящего 2, рабочего (экспериментального) 3, отводящего 4; напорный бассейн 5, накопительный бак 6, водосливной бак 7, водосборной бак 8, система трубопроводов 9, насос 10, расходомер 11, вентиль 12 и регулятор частоты вращения 13.
Гидравлический лоток, выполненный из оргстекла, в рабочей зоне которого размещаются исследуемые модели, имеет высоту 0,04 м, ширину 1,2 м и длину 3,4 м. Причем, верхняя сторона рабочего участка выполнена съемной, для обеспечения установки и необходимого расположения исследуемой модели. Размеры рабочего участка составляют: ширина 1,0 м, а длина соответствует ширине гидравлического лотка и равна 1,2 м.
В начале лотка размещается накопительный бак высотой 0,5 м с разделительной стенкой внутри, а в конце лотка устанавливается водосливной бак высотой 0,4 м с одной стороны и 0,25 м с другой (водосливной) стороны. Излишки воды из водосливного бака сливаются самотечно в водосборный бак вместимостью 1,8 куб.м. При работе стенда вода из водосборного бака подается центробежным насосом производительностью до 30 л/с в подводящий трубопровод диаметром 80 мм и далее по системе трубопроводов в напорный бассейн вместимостью 1,0 куб.м. Из напорного бассейна вода поступает через расходомер в накопительный бак, затем в гидравлический лоток, в котором установлена модель, откуда подается в водосборный бак, а затем - снова в напорный бассейн.
Для обеспечения подачи необходимого расхода воды в напорный бассейн используется электрический регулятор частоты вращения. Подробное описание экспериментального гидравлического стенда приводится в работе [60].
Конструкция модели концентратора потока устанавливалась в рабочей зоне и монтировалась под съемной панелью гидравлического лотка. Модель предусматривала возможность изменять угол раструбности и относительную длину концентратора. Таким образом, в экспериментах можно было изменять угол диффузорности и конфузорности концентратора, а так же относительную длину концентратора. Такая мобильность модели позволяла изучить большое количество модифицированных конструкций концентраторов потока и быстро получить их энергогидравлические характеристики.
На гидравлическом стенде были проведены исследования четырех основных моделей концентратора потока: 1) конфузорного типа; 2) диффузорного типа; 3) комбинированного типа; 4) конфузорного типа с рабочим колесом.
В общем, виде модель концентратора потока представляет собой горизонтальную створку, размещаемую в рабочей (экспериментальной) зоне гидравлического лотка по ходу движения потока. Расположение зависит от типа концентратора (конфузорного или диффузорного). Модель концентратора комбинированного типа выполнена в виде ломаной створки трапецеидальной формы. Модель концентратора конфузорного типа с рабочим колесом аналогична первой модели, только в выходном сечении расположена сетка имитирующая рабочее колесо ветроагрегата. Элементы модели концентратора потока изготовлены из оргстекла. Высота модели соответствует высоте гидравлического лотка и составляет 0,04 м. Исследование концентратора потока проводилось по одну сторону конструкции модели относительно оси симметрии 0-0 установки, так как картина течения по другую сторону оси симметрии идентична. Общая схема концентратора потока конфузорного типа представлена на рис. 3.2.
Модель концентратора потока конфузорного типа одним концом жестко фиксировалась в рабочей зоне стенда (точка А), а другим концом перемещалась по кривой, в зависимости от исследуемого угла раструбности конфузора. Угол раструбности конфузора J3 к горизонтальной плоскости принимался равным 0, 10, 20, 30, 40, 50. Створка концентратора конфузорного типа была выполнена съемной, ее относительная длина для разных серий опытов принимала значения г = — =2; 4; 6; 8, где DK =5 см - половина диаметра DK выходного сечения конфузора. Для DK = 10 см, относительная длина конфузора составила Г = 1; 2; 3; 4. Схема модели приводится на рис. 3.3. Модель концентратора потока диффузорного типа жестко фиксировалась в точке В. Угол раструбности диффузора а принимался равным 0, 10, 20, 30, 40, 50. Относительная длина створки диффузора для разных серий опытов принималась !д = — = 2; 4; 6; 8, где Dd =5 см - половина диаметра входного сечения диффузора. Для Dd = 10 см, относительная длина диффузора составила Ї" = 1; 2; 3; 4. Схема модели приводится на рис. 3.4.
Влияние параметров концентратора конфузорного типа на скорости потока в зоне рабочего колеса
Наиболее целесообразно осуществлять энерго-экономическую оптимизацию параметров ветроэнергетического агрегата, использующего кинетическую энергию течения ветра и имеющего концентратор потока, на ПЭВМ с применением математической модели.
Под математической моделью будем понимать совокупность логически связанных математических зависимостей, которые адекватно отражают взаимосвязь целевой функции и параметров ветроагрегата, использующего энергию потока, включая геометрические параметры, как самого агрегата, так и применяемого концентратора.
В соответствии с основными принципами технико-экономических расчетов критерий оптимальности должен соответствовать рангу оптимизированных параметров.
В качестве целевой функции может быть принято условие где ЭЭг- энерго-экономический эффект; /- количество расходных составляющих по стоимости ветроэнергоагрегата с концентратором потока; Q-количество доходных составляющих по стоимости ветроэнергоагрегата с концентратором потока; /- рассматриваемый период времени; Т- расчетный / т _ период времени; Х!2 дисконтированная стоимость суммы всех расходных составляющих за расчетный период времени; D- дисконтированная ;=i (=1 стоимость суммы всех доходных составляющих за расчетный период времени. Обозначив параметры ветроэнергоагрегата с концентратором потока, как компоненты вектора X, выражение (4.1) можно переписать в виде: При этом на параметры х, ветроэнергоагрегата с концентратором потока полагаются следующие ограничения. Во-первых, это ограничение на интервал изменения параметра лг,тш х, х,тах. (4.3)
Сюда относятся ограничения на длину концентратора потока, на диаметр рабочего колеса ветроагрегата, на диаметр входного или выходного сечения концентратора и т.д.
Во-вторых, это ограничение на область совместного изменения параметров , рк(х) 0, к = 1,2,...,К. (4.4) Это ограничение вытекает из требований на характеристики различных режимов работы ветроэнергоагрегата.
Таким образом, задача выбора оптимальных параметров ветроагрегата с концентратором потока состоит в удовлетворении критерия (4.1) или (4.2) при ограничениях (4.3, 4.4).
В первую сумму критерия (4.1) целесообразно включить: 2-І 2-І А + К + ЭА + ЭК 1=1 1=1 где СА - стоимость агрегата с учетом его доставки и монтажа; Ск - то же, концентратора; СЭА - годовые эксплуатационные расходы, относящиеся к агрегату; Сэк - то же, по концентратору потока. Стоимость агрегата зависит от многих параметров, основным из которых является его мощность. Однако фирмы-изготовители агрегатов уже на предварительном этапе вполне определенно могут представить сведения о стоимостном ряде выпускаемых агрегатов. Затраты на устройство концентратора потока в общем виде могут быть определены как где Д к - диаметр рабочего колеса энергетического агрегата а — угол раструбности входной конфузорной части концентратора агрегата, р - угол диффузорности выходной части, L — длина концентратора.
Вторую сумму критерия (4.1) составляют: ±±Ъ=дэ+Дд, (4 7) 7=1 Г=1 где Дэ - годовой доход от реализации электроэнергии, Дд - другие виды доходов, например, от реализации ценных бумаг, учета амортизационных отчислений и т.п. Дэ=т.Э, (4.8) где т - тариф на отпуск 1 кВт.ч электроэнергии; Э - выработка электроэнергии: Э = \Ndt, (4.9) где N - основной энергетический параметр агрегата - мощность, величина которой подсчитывается как Vі (4.10) X = CN 7lM tl3JI W p , где CN - коэффициент использования энергии потока (водного, воздушного), зависящий от типа, формы и геометрических характеристик рабочего колеса энергоустановки; TJU - механический КПД; г]эя электрический КПД; W - площадь поверхности сбора энергии течения; р-плотность потока; V - скорость потока в зоне рабочего колеса.
Если тип и основные размеры агрегата определены или заданы заранее (в частности, размеры рабочего колеса, количество лопастей и т.п.), то, как следует из вышесказанного, его мощность будет определяться скоростью потока в зоне рабочего колеса. В свою очередь, скорость потока в зоне рабочего колеса определяется скоростью потока V0 вне агрегата и, как показали выполненные экспериментальные исследования, зависит от геометрических параметров концентратора потока:
