Повышение экологичности и минимизация влияния на окружающую среду ветроэнергетических установок

Библиографическое описание статьи для цитирования:
Вавилов В. Е., Дуракова В. С. Повышение экологичности и минимизация влияния на окружающую среду ветроэнергетических установок // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2015. – № 2 (февраль). – С. 81–85. – URL: http://e-koncept.ru/2015/15041.htm.
Аннотация. В статье представлена оригинальная конструкция ветроэнергетической установки, которая минимизирует влияние на окружающую среду и позволяет повысить экономическую безопасность систем альтернативной энергетики.
Раздел: Комплексное изучение человека; психология; социальные проблемы медицины и экологии человека
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
УДК001Вавилов Вячеслав Евгеньевич,кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры электромеханики ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет», г. УфаS2_88@mail.ru

Дуракова Виктория Сергеевна,магистрант1го года обучения ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфаwikad@mail.ru

Повышение экологичности и минимизация влияния на окружающую среду ветроэнергетических установок

Аннотация.В статье представлена оригинальная конструкция ветроэнергетической установки, которая минимизирует влияние на окружающую среду и позволяет повысить экономическую безопасность систем альтернативной энергетики.Ключевые слова:колебательная ветроустановка, альтернативная энергетика, повышение экологичности.Раздел:(4) экономика.

Ограниченность традиционных энергетических ресурсов на фоне возрастающих потребностей в электроэнергии определяет перспективы использования возобновляемых энергетических ресурсов (далее –ВЭР): энергии ветра, морских приливов и т.д.Применение ВЭР позволяет минимизировать опасности,связанные с добычей и использованием полезных ископаемых, уменьшить воздействия энергетических установок на экологию, здоровье человека и климат. Такие страны, как США, Канада, Англия, Германия и Япония,постоянно повышают долю использования ВЭР в общем энергопотреблении в целях снижения зависимости экономики от импорта нефти и газа. Важной практической задачей при развитии альтернативной энергетики является разработка электромеханических преобразователей энергии (далее –ЭМПЭ),позволяющих значительно повысить эффективность использования ВЭРпри минимизации их негативного воздействия на окружающую среду, в частности на птиц.Особого вниманиядля решения задачальтернативной энергетики и повышения экологической безопасности заслуживают колебательные ЭМПЭ,которые позволяют использоватьокружающую нас механическую энергию вибраций, толчков. Авторами предлагается применение колебательных ЭМПЭ в ветряных электростанциях, см. рис.1, что имеет ряд преимуществ перед вращающимися ЭМПЭ: упрощение конструкции ветряной электростанции, отсутствие редуктора и минимизация потерь энергии.Приэтомпосредством таких ветроагрегатов возможна выработка электроэнергии не только для мелких бытовых нужд, но и для обеспеченияпитания целых городов или промышленных предприятий.

Как было выявлено из сравнительного анализа[1], колебательные ЭМПЭобладают низким КПД, что ограничивает их применение на практике.Низкий КПД обусловленкроме причин,присущих генераторам с возвратнопоступательным движением,тем, что известные конструкции воспринимают колебания только в одном направлении, что приводит к потерям полезной механической энергии от колебаний в других направлениях. Для устранения данных недостатков и возможности реализации проекта авторами предлагается оригинальное техническое решение (получен патент на изобретение, поданы еще две заявки на изобретения) [1] трехкоординатного колебательного ЭМПЭ (ТКЭП), рис.2.УДК001

Рис. 1. Использование колебательных ЭМПЭ в качестве ветрогенератора (слева) и трехмерная модель установки (справа)



Рис. 2:а) структурная схема автономного источника энергии на основе ТКЭП, где ЭПР –элемент преобразования и распределения, Н –нагрузка, ЭН –накопительный элемент; б) трехкоординатный электромеханический преобразователь колебательного движения

Подвижная часть предлагаемого технического решения выполнена в виде двухполюсных постоянных магнитов, закрепленных на упругих стержнях. Неподвижная часть состоит из катушек, размещенных по периметру корпуса. Это позволяет ЭМПЭ обеспечивать преобразование энергии возмущений внешней среды любого направления (например, вибраций) в электрическую энергию.Для разработки таких ЭМПЭ, а следовательно,и повышения КПД установок альтернативной энергетики необходимо создать математическую модель и решить следующие задачи:разработать обобщенную многодисциплинарную математическую модель, отражающую взаимосвязь электромагнитных, механических и тепловых параметров оригинальной конструкции ТКЭП; УДК001разработать математический аппарат,описывающий частные случаи эксплуатации ТКЭП;разработать имитационную модель динамических процессов ТКЭП в программном пакете MatlabSimulink;проанализировать и оптимизировать конструкцию активной части ТКЭП.При разработке обобщенной математической модели ТКЭП за основу принимается математическая модель для колебательного ЭМПЭ с одной степенью свободы и линейным индуктором, представленная в [2]:,(1)где –индуктивность; –сила тока; –расстояние, пройденное активной частью ТКЭП за период колебаний; –внешние силы; –сопротивление обмотки; –напряжение на обмотках; , –конструктивные коэффициенты; –МДС постоянного магнита; –геометрические параметры постоянного магнита; .

Рис. 3.Расчетная схема ТКЭП

Ввиду громоздкости аналитических расчетов используются следующие допущения, введение которых вносит незначительные погрешности [3; 4]:1)магнитная проницаемость немагнитного рабочего зазора ЭМПЭ равна проницаемости вакуума , магнитная проницаемость постоянных магнитов ;2)потоки рассеяния не учитываются;3)тангенциальная составляющая магнитного поля не учитывается ввиду того, что она практически не участвует в преобразовании механической энергии в электрическую;4)между соседними активными элементами ТКЭП отсутствуют взаимодействия магнитного поля;5)режим работы ТКЭП кратковременный, а следовательно,тепловыделения в обмотках минимальны;УДК0016)стержни абсолютно упругие, то есть отклонения от нулевого положения отсутствуют.При приведении (1) к уравнениям, описывающим физическиепроцессы в ТКЭП, необходимо определить МДС постоянного магнита [5], которая принимается в виде: ,(2)где –индукция в воздушном зазоре.С учетом тогочто активный элемент ТКЭП имеет сферическую форму, рис.3, МДС ТКЭП определяется в виде [6]:,(3)Движению активной части ТКЭП препятствует сила сопротивления воздуха, которую можно рассмотреть как силу вязкого трения, изменяющуюся в зависимости от температуры [7;8], рис.3:,(4)При применении ТКЭП в качестве генератора электрической энергиивнешняя сила прикладывается перпендикулярно одному из упругих стержней. Тогда, допуская, что провисание стержней отсутствует, внешняя сила раскладывается на две составляющие. Для силы,приложенной перпендикулярно к стержню по оси z, результирующая сила определяется в виде:,(5) Для силы,приложенной перпендикулярно к стержню по оси x, результирующая сила определяется в виде:,(6) Для силы,приложенной перпендикулярно к стержню по оси y, результирующая сила определяется в виде:,(7) Тогда,с учетом выражений (7)–(9) и введенияоператора дифференцирования , обобщенная математическая модель ТКЭП определяется в виде:

, (8)Для прикладных инженерных задач решениесистемы нелинейных дифференциальных уравнений (11)является трудоемким процессом. В связи с этим данные уравнения реализованы ввидеимитационной модели посредством программного пакета MatlabSimulink[9].УДК001Имитационная модель представлена на рис. 4. Входнымпараметромразработанной имитационной модели является внешняя сила, прикладываемая перпендикулярно осиz. Выходным параметром является сила тока в обмотках ТКЭП в направлении оси xи z. При этом считаются заданными геометрические размеры ТКЭП, характеристики активных материалов, величина внешней силы и максимальная амплитуда напряжения.

Рис. 4.Имитационная модель ТКЭП

Применение разработанной имитационной модели позволяет значительно сократить временные затраты,связанные с проектированием ТКЭП, а также дает возможностьоптимизировать геометрические параметры ТКЭП при различных конструктивныхвариациях. Также разработанная имитационная модель обладает возможностью модернизации,направленной на повышение ее точности, например учета влияния реакции якоря ТКЭП, упругих сил возникающих в стержнях и т.д.Для анализа практического применения разработанной имитационной модели авторами были произведены численные расчеты ТКЭП с геометрическими параметрами активной части: D=0.06 м,d 0.005 м, м, w=500 витков, внешняя сила 20Н, рис.3.

Результаты численных расчетов представлены на рис.5. Анализ данных численного расчета показал, что при приложении внешней силы перпендекулярно оси zв обмотке соответствующей данной оси за 0,04смаксимальная амплитуда силы тока достигает значения 0,68 А, рис.5а, после чего она снижается до 0,5 А, рис.5б, ТКЭП работает в установившемся режиме. При этом по оси хтакже возникают колебанияи в обмотке соответствующей данной оси возникает сила тока с амплитудой 0,45 А;за время,равное 2 с,амплитуда силы тока снижается до 0,35 А, рис.5в.

УДК001

а)

б)

в)

Рис. 5:а) сила тока в катушке по оси z, время движения 0,2 с; б) сила тока в катушке по оси z, время движения 20 с; в) сила тока в катушке по оси x, время движения 20 сТаким образом, разработанная имитационная компьютерная модель позволяет оценивать выходные характеристики ТКЭП в зависимости от вариаций начальных условий.

Ссылки на источники1.Пат. 2402142 РФ, H02 K35/02. Генератор / Ф.Р.Исмагилов, И.Х.Хайруллин, Р.Р.Саттаров, Л.Н. Риянов // БИ. –2010. –№ 21.2.ХитерерМ.Я., Овчинников И.Е. Синхронные электрические машины возвратнопоступательного движения. –СПб.: КОРОНАпринт, 2008. –368 с.3.АнгоА. Математика для электрои радиоинженеров / под ред. К.С. Шифрина. –2е изд., стер. –М.: Наука, 1967.–779с.4.ХайруллинИ.Х., Риянов Л.Н., Вавилов В.Е. Трехкоординатный колебательный электромеханический преобразователь энергии // Современные проблемы науки и образования. –2012. –№5.–URL: http://www.scienceeducation.ru/1057245(дата обращения: 23.10.2012).5.Герасин А.А., Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е. Анализ осевой составляющей силы отталкивания в многокольцевых магнитных подшипниках с осевым направлением намагниченности // Сборка в машиностроении, приборостроении.–2012.–№10. –С.14–18.6.Герасин А.А., Исмагилов Ф.Р., Хайруллин И.Х., Вавилов В.Е., Охотников М.В. Математическая модель системы электромагнитного управления гибридным магнитным подшипником// Вестник машиностроения.–2013. –№1. –С. 30–34.УДК0017.Перель Л.Я. Подшипники качения: расчет, проектирование и обслуживание опор: справочник. –М.: Машиностроение, 1992.–606с.8.Шабанов А.Ю., Зайцев А.Б., Кудинов С.И.Новый метод определения высокотемпературной кинематической вязкости моторных масел// Двигателестроение. –2009. –№2(236). –С.53–54.9.ГерманГалкин С.Г. Matlab&Siulink. Проектирование мехатронных систем на ПК: учеб.пособие для вузов. –СПб.: КОРОНАВек, 2008. –368 с.

VyacheslavVavilov,

Candidate of Engineering Sciences, Senior Lecturer at the chair of Electromechanics, Ufa State Aviation Technical University, Ufa S2_88@mail.ruVictoria Durakova,

Master Student, Ufa State Aviation Technical University, Ufa wikad@mail.ruIncrease of ecological compatibility and minimization of environmental impact of wind turbinesAbstract.The paper presents an original design of the wind power turbine, which minimizes the impact on the environment and improves the economic security of alternative energy systems.Key words:vibrational wind turbine, alternative energy, improving environmental performance.References1.Ismagilov, F. R.,Hajrullin, I. H.,Sattarov, R. R. & Rijanov, L. N. (2010) “Pat. 2402142 RF, H 02 K 35/02. Generator”,BI,№ 21(in Russian).2.Hiterer, M. Ja. &Ovchinnikov,I. E. (2008) Sinhronnye jelektricheskie mashiny vozvratnopostupatel'nogo dvizhenija,KORONA print, St. Peterburg,368 p. (in Russian).3.Ango,A. & Shifrin, K. S. (ed.) (1967) Matematika dlja jelektroi radioinzhenerov, 2e izd., ster,Nauka, Moscow,779 p. (in Russian).4.Hajrullin,I. H., Rijanov,L. N.&Vavilov,V. E. (2012) “Trehkoordinatnyj kolebatel'nyj jelektromehanicheskij preobrazovatel' jenergii”,Sovremennye problemy nauki i obrazovanija,№ 5. Available at: http://www.scienceeducation.ru/1057245 (data obrashhenija: 23.10.2012)(in Russian).5.Gerasin,A. A., Ismagilov, F. R., Hajrullin, I. H. &Vavilov,V. E. (2012) “Analiz osevoj sostavljajushhej sily ottalkivanija v mnogokol'cevyh magnitnyh podshipnikah s osevym napravleniem namagnichennosti”,Sborka v mashinostroenii, priborostroenii,№ 10,pp.14–18(in Russian).6.Gerasin,A. A., Ismagilov, F. R., Hajrullin,I. H., Vavilov, V. E. &Ohotnikov,M. V. (2013) “Matematicheskaja model' sistemy jelektromagnitnogo upravlenija gibriny anitny oshiniko”,Vestnik mashinostroenija,№ 1,pp.30–34(in Russian).7.Perel',L. Ja. (1992) Podshipniki kachenija: raschet, proektirovanie i obsluzhivanie opor: spravochnik,Mashinostroenie, Moscow,606 p. (in Russian).8.Shabanov,A. Ju., Zajcev,A. B., Kudinov,S. I. (2009) “Novyj metod opredelenija vysokotemperaturnoj kinematicheskoj vjazkosti motornyh masel”,Dvigatelestroenie,№ 2(236),pp.53–54(in Russian).9.GermanGalkin,S. G. (2008) Matlab&Simulink. Proektirovanie mehatronnyh sistem na PK: ucheb. posobie dlja vuzov,KORONAVek, St. Peterburg,368 p.(in Russian).

Рекомендовано к публикации:

Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала Концепт»