Гулиев А.П.
ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЛЕВИТАЦИИ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ *
Аннотация:
в статье рассматриваются один из альтернативных источников энергии - энергия ветра. В настоящее время во многих странах существуют тысячи ветряных турбин различного назначения и конструкции. Во многих развитых странах мира совершенствуются различные типы ветрогенераторов и создаются новые типы. Поскольку ветрогенераторы на магнитной левитации не имеют сил трения, их использованию в последнее время уделяется все больше внимания
Ключевые слова:
индукционный левитатор, ветрогенератор с вертикальной осью, математическая модель, постоянная левитации
DOI: 10.24412/2712-8849-2023-360-227-235
УДК 621.317
Гулиев А.П.
докторант
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности
(г. Баку Азербайджан)
ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЛЕВИТАЦИИ
ВЕТРОГЕНЕРАТОРА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ
Аннотация: в статье рассматриваются один из альтернативных источников энергии - энергия ветра. В настоящее время во многих странах существуют тысячи ветряных турбин различного назначения и конструкции. Во многих развитых странах мира совершенствуются различные типы ветрогенераторов и создаются новые типы. Поскольку ветрогенераторы на магнитной левитации не имеют сил трения, их использованию в последнее время уделяется все больше внимания.
Ключевые слова: индукционный левитатор, ветрогенератор с вертикальной осью, математическая модель, постоянная левитации.
Альтернативная энергетика требует пересмотра политики развития и сетевой инфраструктуры. В первую очередь это касается проектов в сфере внедрения интеллектуальных сетей (smart gid) на высоком классе напряжения (ЕНЭС) и распределительных сетях. Такое комплексное развитие всех направлений энергетики позволит сделать этот процесс более устойчивым в будущем. Любая альтернатива в конечном итоге должна укладывать в базис развития энергетики на длительную перспективу [1]. Диапазон мощности современных ветряных электростанций колеблется от сотен Вт до нескольких МВт, которые вырабатываются с помощью ветряных турбин. Имеются два основных вида ветровых турбин, которые устанавливают на ветряных электростанциях: ось вращения – вертикальная; ось вращения – горизонтальная. Турбина с вертикальной осью вращения работает при невысокой скорости ветра. Данный вид не получил широкого применения, т.к. имеют малую эффективность, исключая домашние ветряные станции, которые используются на фермах.
В производственных масштабах применяются ветряные электростанции с горизонтальной осью вращения. Производительность мировой ветроэнергетики за последние 10 лет увеличилась практически в 7 раз. Но несмотря на позитивные стороны развития этой отрасли, имеются ряд причин, исходящих из эксплуатационных проблем использования ветроэнергетических установок, которые усложняют развитие данной отрасли. Устранение проблем приводит к благополучному развитию всемирной ветроэнергетической промышленности: срабатывание электрической защиты из-за резких перепадов скорости ветра, не стабильность работы генераторов из-за непостоянства напряжения в линиях электропередач; пожар опасность, риск гибели птиц под лопастями станций, удары молний, необходимость отчуждения значительных территорий (суши, воды), нарушение нормального распространения радиосигналов, вибрация на сверхнизких частотах, пагубно влияющие на животный мир, риск гибели птиц под лопастями станций, обледенение лопастей и других частей генераторов.
Ветрогенератор с вертикальной осью. Разработанный ветрогенератор адаптирован к получению стандартного электрического питания (50 Гц, 220 В) от энергии ветра. Нормированное напряжение от скорости ветра не зависит (при определенных значениях) и подходит для снабжения бытовой техники. Номинальная мощность используемого устройства составляет 600 Вт, но допускается повторная загрузка пикового значения в 2,5 раза. Установочные размеры В×Ш×Д = 2,9×3,7×3,7 м; ширина и высота лопасти составляет 1,7 м; 115 кг составляет масса (без электрооборудования); рабочий диапазон ветровой скорости 4÷35 м/с, автоматический режим работы; емкость аккумулятора 100 А∙ч. На рис. 1.1 представлена кинематическая схема ветряного генератора.
Вращающаяся часть ветрогенератора установлена на валу солнечного колеса 1 планетарного редуктора. Во время работы установки этот вал, по существу, остается неподвижным, медленно вращаясь только тогда, когда направление ветра от- клоняется за определенные пределы. Планетарный редуктор имеет три сателлита 2 с вертикальными осями. На валах установлены шестерни 2' цепных передач 5. Под действием ветра рама (водило Н) с тремя лопастями 6 вращается вокруг солнечного колеса 1 планетарного редуктора с вертикальной осью. Лопасти установки также принудительно вращаются относительно рамы, обеспечивая различную проекцию сечения лопасти на направление ветра при движении по ветру и против него. Согласованность вращения рамы и лопастей обеспечивается цепными передачами, с i=1, связывающими звездочки 2' и 3 установленные на валах сателлитов 2 и лопастей.
Рис. 1.1. Кинематическая схема ветрогенератора:
1 – солнечное колесо, 1' – червячное колесо, 2 – сателлит,
2' и 3 – звездочки, 4 – червяк, 5 – цепь, 6 – лопасть, Н – водило
С помощью болтов и гаек к нижней части корпуса планетарного редуктора радиально крепятся 3 швеллера №14 под углом 120° друг к другу. Также за счет резьбового основания установлена центральная трубчатая стойка, наверху которой установлена пластина треугольной формы. На верхнюю часть пластины крепятся швеллера, размеры, аналогично нижней части. Для того, чтобы увеличить жесткость конструкции основные швеллера соединяют с дополнительными швеллерами №5, образуя треугольники. На концах швеллеров соосно закреплены верхние, а также нижние опоры лопастей. После установки лопасти поворачиваются на угол 60 ° относительно друг друга. Звездочки на валах планетарного редуктора и на нижних опорах лопастей попарно соединены цепями цепной передачи.
На корпусе редуктора установлено мультипликаторное колесо, которое вращает шестерню электрогенератора постоянного тока напряжением 12 В. Напряжение электрического генератора эксплуатируется в целях зарядки аккумуляторной батареи. Напряжение от этой батареи преобразуется инвертором в стандартные параметры бытовой электросети (однофазный переменный ток 220 В, 50 Гц) и стабилизируется источником бесперебойного питания. При отклонении направления ветра от оптимального включается маломощный двигатель постоянного тока (12 В), который посредством червячного редуктора с большим передаточным числом (i = 80) вращает солнечное колесо планетарной передачи. Тем самым регулируя его рабочую фазу в зависимости от направления ветра.
Информация о скорости ветра и его направлении предоставляется системой контроля со специальными датчиками. По сравнению с обычной установкой, спроектированный ветрогенератор имеет ряд достоинств: небольшие вертикальные габариты; мало шумность; отсутствие затрат на строительство мачты; практическое нет переменных нагрузок на лопасти; в результате увеличивается прочность и долговечность конструкции; возможность окончательной сборки и настройки конструкции на месте использования; получение на выходе стандартных параметров частоты тока и напряжение – 50 Гц и 220 В; автоматическая адаптация к направлению ветра. Важным преимуществом является отсутствие радиопомех при использовании закрытого корпуса, поскольку этот недостаток у лопастных ветрогенераторов обычно очень существенен. Кроме этого, корпус снижает воздействие атмосферных осадков, что благополучно отражается на долговечности и надежности, особенно зимой, когда листья могут сильно и неравномерно подмерзать, что приводит к значительному дисбалансу при вращении. Вихревая ветроэнергетическая установка.
Компрессорные станции (КС) основных газопроводов с газоперекачивающими устройствами (ГПУ) относятся к первой более важной по надежности электрического снабжения категории потребителей. Учитывая тенденцию постоянного роста стоимости внешней электрической энергии и удорожания транспортировки газа, актуальной становится задача увеличения надежности и экономической эффективности электрического снабжения собственных нужд компрессорной станции. Возможен и другой способ – обеспечивание собственных нужд на компрессорных станциях, производя электроэнергию из вторичных энергоресурсов, а именно – ветра. При более низких скоростях ветра тороидальные установки могут развивать в несколько раз большую мощность, чем ветряные установки с горизонтальной осью вращения. Огромные объемы выхлопных газов выбрасываются в атмосферу выхлопными устройствами газоперекачивающих агрегатов КС.
На сегодняшний день актуальна разработка новых видов энергетических установок собственных нужд компрессорных станций на базе газоветровых генераторов смерчевого типа, вырабатывающих электроэнергию с использованием энергетического потенциала высокотемпературного потока выхлопных газов газовых турбин ГПУ, а также кинетической энергии ветра. Ветроэлектростанция с использованием магнитной ветровой турбины левитации. Ветер – нестандартный источник энергии, с помощью которого можно вырабатывать электричество преобразовывая ветровую энергию в электрическую используя ветряные турбины.
Имеются два вида ветряных турбин, один из которых представляет собой обычная ветряную турбину, а другой – ветряную турбину Maglev. Производство электрической энергии с применением технологии Maglev является более конкурентно способным. Он обладает несколькими преимуществами по сравнению с обычной ветряной турбиной и имеет определенные области применения. Магнитная подвеска или левитация, Maglev – это способ, при которой объект подвешивается над другим объектом без какой-либо поддержки, за исключением магнитных полей. Электромагнитная сила применяется для противодействия влиянию гравитационной силы. Менее 100 акров земли необходимо для установки одной ветряной турбины Maglev.
Диаметр цилиндра составляет 1000 футов (у основания может быть больше), а высота 1500 футов или больше. Левитируемая постоянными магнитами конструкция парит в воздухе. Несмотря на то, что применяемые материалы очень легкие, наряду с этим они придают массивность конструкции. Ветряная турбина Maglev представляет собой вертикальный цилиндр либо конус с усеченным дном, шире, чем верхняя часть. Лопасти установлены вертикально по внешнему краю цилиндра, т.к. вся конструкция левитируется постоянными магнитами, при этом отсутствует трение. Это дает возможность ветряной турбине трансформировать всю энергию ветра в электрическую, увеличивая выход и понижая затраты. Используемая магнитная подвеска расположена меж вращающим валом и неподвижным нижней частью машины, в основном занимая пространство шарикоподшипников.
Данные магнитные подшипники десятилетиями применялись в малых турбинах и насосах. Магнитные подшипники в основном нуждаются в активно управляемых электромагнитах. Турбина функционирует с помощью «полностью постоянных» магнитов, электромагниты предотвращают нужду в электричестве для пуска машины. Магнитные подшипники действуют уже некоторое время, но в подшипниках SKF применяется бесконтактная технология, что означает малые потери на трение, незначительный износ и наиболее большая надежность. Подшипник типа SKF также обеспечивает недостижимую ранее скорость вращения и устраняет необходимость в смазке.
Притом данные магнитные подшипники представляют из себя электромагнитную подвеску, а система управления нужна для управления током и снабжения постоянства сил, а также положения ротора. Полностью постоянные магниты состоят из редкоземельных различных магнитов, теряющие энергию из-за трения. Такое сочетание магнитных компонентов и понижение количества подвижных частей должно снизить затраты на техническое обслуживание, а также повысить срок службы турбины. Еще одна вещь, которую можно осуществить – это заменить жесткие вертикальные лопасти чрезвычайно легкими гибкими парусами, изготовленными из шелка или какого-либо синтетического материала, упрочненной углеродными нитями.
Для того, чтобы эти паруса могли быть развернуты в различное направление, а также, чтобы они могли уловить малейшую силу ветра, их можно контролировать с помощью компьютера. Так же с его помощью паруса можно убрать во время штормов. Турбина используется для преобразования энергии ветра в механическую энергию электричества. Термин «энергия ветра» означает процесс преобразования ветра в ценный источник энергии. Ветряная турбина рассчитана для поглощения кинетической энергии ветра и преобразования ее в чистую механическую энергию. Силу ветра можно использовать по-разному. Кинетическая энергия ветра может применяться на ферме для перекачивания воды либо измельчения зерна.
Ветряная турбина представляет собой лопасти пропеллера. За счет движения воздуха вращаются лопасти турбины. Вращение пропеллеров приводит в движение электрогенератор, который затем подает электроэнергию в дом. Для упрощения процесса, ветер вращает лопасти, что приводит вал к вращению. Сам вал объединяют с генератором для выработки электричества. По сравнению с традиционной ветряной турбиной ветряная турбина Maglev обладает рядом преимуществ. Они могут работать при скорости ветра равной до 1,5 м/с, также при скоростях более 40 м/с. В настоящее время самые большие обычные ветряные турбины в мире вырабатывают всего 5 МВт электроэнергии. Однако, одна большая ветровая турбина типа Maglev может вырабатывать 1 ГВт чистой электроэнергии, которой достаточно для питания 750000 домов.
Самым большим достоинством потребления энергии ветра в качестве источника энергии считается то, что ветер безвозмездным возобновляемым ресурсом. Что считается надежной экономией энергии на будущее. Магнитная левитация считается эффективной системой для ветроэнергетики. Для подъема объекта с земли она использует так называемы отталкивающие свойства магнитов. Достоинство того, что он парит в воздухе, является то, что он понижает трение, которое приводит к большой неэффективности обычной ветровой мельницы.
Также это повысит генерирующую мощность на 20% по сравнению с обычной ветряной турбиной и уменьшит расходы на эксплуатацию на 50%. Это понижает расходы на техническое обслуживание и продлевает срок работы генератор. Заключение: Проведено исследование вертикально-осевых ветроустановок, используемых во многих странах мира. В результате анализа установлено, что применение магнитной и индукционной левитации в вертикально-осевых ветроустановках значительно увеличивает срок службы, повышает КПД и снижает эксплуатационные расходы.
CПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Номер журнала Вестник науки №3 (60) том 3
Ссылка для цитирования:
Гулиев А.П. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЛЕВИТАЦИИ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ // Вестник науки №3 (60) том 3. С. 227 - 235. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/7575 (дата обращения: 06.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+