ОСНОВИ КОНСТРУЮВАННЯ ЕНЕРГОУСТАНОВОК З ВІДНОВЛЮВАНИМИ ДЖЕРЕЛАМИ ЕНЕРГІЇ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

 

С.О. Кудря, В.М. Головко

 

 

ОСНОВИ КОНСТРУЮВАННЯ ЕНЕРГОУСТАНОВОК З ВІДНОВЛЮВАНИМИ ДЖЕРЕЛАМИ ЕНЕРГІЇ

 

 

Київ 2009

 

 

УДК 621.313 Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів, які навчаються за спеціальністю «Нетрадиційні джерела енергії».

(лист № 1/11-7657 від 11.08. 2010)

 

Рецензенти: д-р техн. наук Яковлєв О.І. (Національний аерокосмічний університет)

д-р техн. наук Сафонов В.М. (Національний університет ядерної енергії та промисловості)

д-р техн. наук Рудаков В.В. (Національний технічний університет»Харківський політехнічний інститут»)

 

Кудря С.О., Головко В.М.

Основи конструювання енергоустановок з відновлюваними джерелами енергії – Київ: НТУУ «КПІ», 2011 – 202с.

ISBN

 

У навчальному посібнику поданий матеріал, що відповідає навчальній програмі для підготовки фахівців за спеціальністю 7.090504 “Нетрадиційні джерела енергії”. Інформаційний об’єм даної роботи містить основні положення щодо конструювання вітроенергетичних, сонячних установок, малих гідроелектростанцій, біогазових та геотермальних установок.

 

 

	ЗМІСТ
	ПЕРЕДМОВА…………………………………………………………..…
	ВСТУП..........................................................................................................
	ПРИНЦИПИ КОНСТРУЮВАННЯ............................................................
1.1	Мета та задачі конструювання……………………………………………
1.2	Економічні засади конструювання……………………………………….
1.3	Поняття корисної віддачі та довговічності………………………………
1.4	Експлуатаційна надійність………………………………………………..
1.5	Уніфікація виробничих рішень…………………………………………...
1.6	Утворення номенклатури та рядів об’єктів виробництва………………
1.7	Загальні правила та методичні положення конструювання…………….
	КОНСТРУЮВАННЯ ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК.............
2.1	Загальна побудова систем вітроенергетичних установок..................…..
2.2	Вихідні положення до розрахунку вітроенергетичних установок……..
2.3	Аеродинамічний розрахунок ротора вітроустановки…………………...
2.4	Визначення навантажень на елементи систем регулювання вітроустановок……………………………………………………………..
2.5	Опори вітроустановок……………………………………………………..
2.6	Схеми генерування електричної енергії вітроустановками.....................
2.7	Приклади розрахунку та контрольні питання…………………………...
	КОНСТРУЮВАННЯ СОНЯЧНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК
3.1	Загальні підходи до побудови теплових сонячних енергетичних установок.......................................................................................................
3.2	Розрахунок фотоелектричних перетворювачів (сонячних батарей)…...
3.3	Приклади розрахунку та контрольні питання…………………………...
	КОНСТРУЮВАННЯ МАЛИХ ГІДРОЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ........….......
4.1	Основні схеми та склад споруд малих гідроелектростанцій...................
4.1.1	Схеми пригребельних гідроелектростанцій……………………………..
4.1.2	Дериваційні схеми гідроелектростанцій....................................................
4.1.3	Гребельно-дериваційні (мішані) схеми гідроелектростанцій…………..
4.1.4	Основні стадії проектування малих гідроелектростанцій………………
4.2	Гідрологічні та гідроенергетичні розрахунки при конструюванні малих гідроелектростанцій………………………………………………..
4.2.1	Основні показники гідрологічних розрахунків………………………….
4.2.2	Методи оцінки норми стоку………………………………………………
4.2.3	Визначення об’єму водосховища........................................................…....
4.2.4	Гідроенергетичні розрахунки..............................................................……
4.3	Турбіни малих гідроелектостанцій......................................................…...
4.3.1	Активні турбіни……………………………………………………………
4.3.2	Реактивні турбіни………………………………………………………….
4.4	Електрообладнання малих гідроелектростанцій………………………...
4.4.1	Вибір потужності генератора електростанції……………………………
4.4.2	Синхронні генератори……………………………………………………..
4.4.3	Асинхронні генератори……………………………………………………
4.4.4	Автоматизація гідроелектростанцій……………………………………...
4.5	Приклади розрахунку та контрольні питання…………………………...
	КОНСТРУЮВАННЯ БІОГАЗОВИХ УСТАНОВОК…………………...
5.1	Технологічна схема біогазової установки……………………………….
5.1.1	Збирання та підготовка вхідної сировини………………………………..
5.1.2	Метанове бродіння………………………………………………………...
5.1.3	Розподіл продуктів ферментації (бродіння).........................................….
5.1.4	Використання продуктів ферментації...................................................….
5.2	Розрахунок основних блоків технологічного обладнання біогазових установок.......................................................................................................
5.2.1	Обладнання підготовки вхідної маси.........................................................
5.2.2	Визначення основних параметрі метантенку............................................
5.2.3	Визначення основних параметрів газгольдера…………………………..
5.2.4	Розрахунок кількості теплоти в установці……………………………….
5.2.5	Визначення вихідних показників установки…………………………….
5.3	Приклади розрахунку та контрольні питання…………………………...
	КОНСТРУЮВАННЯ ГЕОТЕРМАЛЬНИХ УСТАНОВОК......................
6.1	Структурні схеми геотермальних установок.............................................
6.1.1	Принципові схеми систем геотермального теплопостачання…………..
6.1.2	Розрахунок об’єму добутку термальної води для забезпечення теплового навантаження системи з догріванням від пікової котельні.................................................................................................……
6.1.3	Кількість видобувних та поглинальних свердловин.......................……..
6.2	Розрахунок теплообмінного обладнання геотермальних установок…...
6.2.1	Розрахунок потужності насоса для закачування теплоносія в поглинаючу свердловину…………………………………………………
6.3	Приклади розрахунку та контрольні питання……...................................
	СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ……………………………………......................
	ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЗЧИК…………………………………………….

 

ПЕРЕДМОВА

 

Навчальний посібник “Основи конструювання енергоустановок з відновлюваними джерелами енергії” призначений для студентів вищих навчальних закладів, які проходять підготовку за спеціальністю 7.090500 “Нетрадиційні джерела енергії”.

Вивчення курсу як загально-технічної дисципліни спрямоване на формування спеціаліста, який має достатні знання для загальної компоновки установок, що використовують енергію відновлюваних джерел та уміння провести розрахунок параметрів основних вузлів, а також здатен ефективно застосовувати отримані знання при проведенні дослідних, технологічних та експлуатаційних робіт з вищеназваними агрегатами.

Дисципліна “Основи конструювання енергоустановок з відновлюваними джерелами енергії” належить до циклу професійної та практичної підготовки бакалавра і базується на інформації, що отримана студентами при вивченні на попередніх курсах з таких дисциплін як, “Вища математика”, “Фізика”, “Інженерна графіка”, “Теоретичні основи електротехніки”, “Теоретична механіка”, “Фізика і техніка нетрадиційних джерел енергії”.

Метою вивчення дисципліни є формування у студентів чіткого розуміння основ конструювання установок, що використовують відновлювані джерела енергії. Отримані знання дадуть студентам зрозуміти та вирішити задачі при впровадженні та експлуатації вищевказаних установок у виробництві.

В процесі вивчення дисципліни студенти повинні здобути знання із:

– термінології, що належить до основних понять дисципліни;

– методів опису процесів, що розглядаються при конструюванні установок відновлюваних джерел енергії;

– основ застосування відновлюваних джерел енергії при різних типах технологічного навантаження;

– володіти стандартизованою термінологією, що використовується при конструюванні установок відновлюваних джерел енергії;

– користуватися довідковою літературою, володіти навичками пошуку необхідної інформації в бібліотеках та в мережах електронних засобів;

– визначати, розраховувати основні параметри установок та агрегатів відновлюваних джерел енергії;

– володіти основними математичного та фізичного моделювання процесів, що виникають в установках із використання відновлюваних джерел енергії.

 

 

ВСТУП

 

Використання енергії відновлюваних джерел (ВДЕ) як альтернативи традиційним енергоносіям останнім часом стає все більш актуальним. Незаперечні переваги їх застосування - невичерпність і екологічна чистота, а також необхідність забезпечення енергетичної безпеки країн, зменшення обсягів шкідливих викидів і збереження запасів енергоресурсів для майбутніх поколінь, обумовили бурхливий розвиток відновлюваної енергетики як цілком конкурентноздатної галузі енергетики.

Паливно-енергетичні ресурси – сукупність всіх природних і перетворених видів палива та енергії, що використовуються в національному господарстві та об’єднують традиційні і нетрадиційні їх види.

Відновлювані джерела енергії (ВДЕ)– це потоки енергії, що постійно або періодично діють в природі. В цілому всі енергетичні потоки ВДЕ поділяються на дві основні групи – пряма енергія сонячного випромінювання та її вторинні прояви в вигляді енергії вітру, гідроенергії, теплової енергії оточуючого середовища, енергії біомаси та інше. Загалом ВДЕ класифікують наступним чином:

· промениста енергія Сонця;

· енергія вітру;

· гідроенергія течій води, хвиль, припливів;

· теплова енергія оточуючого середовища (Землі, повітря, морів та океанів);

· енергія біомаси;

· геотермальна енергія.

Енергетичні ресурси Землі за даними Світової енергетичної Ради класифіковані на 16 видів, що об’єднують окремі групи, взаємопов’язані між собою:

– за рівнем і масштабами освоєння: «традиційні - нетрадиційні»;

– за природою енергоутворення: «відновлювані - невідновлювані».

Невідновлювані традиційні: 1. Вугілля (включаючи лігніт).

2. Сира нафта і природний газовий конденсат.

3. Важкі нафти, пальні сланці, бітум.

4. Природний газ.

5. Ядерна енергія.

Відновлювані традиційні: 6. Торф.

7. Дрова.

8. Гідроенергія.

9. Енергія мускульної сили тварин та людей.

Відновлювані нетрадиційні: 10. Біомаса (за винятком дров).

11. Сонячна енергія.

12. Геотермальна енергія.

13. Вітрова енергія.

14. Енергія припливів.

15. Енергія хвиль.

16. Теплова енергія океану.

Недоліком ВДЕ є дискретність енергетичних потоків – періодичність надходження та змінність енергетичного потенціалу, що до останнього часу спричиняло значні ускладнення в багатьох випадках їх використання і не відповідало сучасним вимогам щодо енергопостачання споживачів. Сучасні технології і обладнання, а також прийоми раціонального використання ВДЕ, основані на комплексному використанні різних видів ВДЕ та акумуляторів енергії, фактично ліквідували перешкоди щодо їх широкомасштабного впровадження і обумовили бурхливий розвиток енергетики на основі ВДЕ в світі.

Якість відновлюваних джерел енергії.Зазвичай під якістю джерел енергії як відновлюваних, так і невідновлюваних мають на увазі частку енергії джерела, яка може бути перетворена на механічну роботу. Наприклад, електрична енергія має високу якість, оскільки за допомогою електродвигуна більше 95% її можна перетворити на механічну роботу. Якість теплової енергії, що виділяється при спалюванні палива на традиційних теплоелектростанціях, або видобутої з гарячих надр Землі, досить низька, оскільки тільки близько 30 % теплоти згорання палива або ентальпії гарячої води і пари з надр Землі перетворюється в кінцевому результаті на механічну роботу. За цією ознакою відновлювані джерела енергії можна розділити на три групи:

1 – відновлювані джерела механічної енергії, основними з яких є гідроенергія, вітрова енергія, енергія хвиль та припливів. В цілому якість цих джерел висока і зазвичай їх використовують для виробництва електроенергії. Коефіцієнт використання вітрової енергії складає до 30 %, гідроенергії - 60 %, хвильової і припливної енергії - 75%;

2 – теплові відновлювані джерела енергії, основними з яких є пряма енергія Сонця, енергія біопалива. Максимальна частка теплоти таких джерел, яка може бути перетворена на механічну роботу, визначається другим законом термодинаміки. На практиці перетворити на роботу вдається приблизно половину теплоти, що допускається другим законом термодинаміки. Для сучасних парових турбін, наприклад, ця величина не перевищує 35 %;

3 – відновлювані джерела енергії на основі фотонних процесів, до яких належать джерела, що використовують фотосинтез і фотоелектричні явища. Досягти високої ефективності перетворення енергії у всьому спектрі сонячного випромінювання дуже важко, і на практиці ККД фотоперетворювачів поки не перевищує 25 %.

Відновлювані і традиційні (викопні копалини) джерела енергії істотно відрізняються за характерною для них початковою щільністю потоків енергії. Для відновлюваних джерел початкова щільність енергії, як правило, не перевищує 1кВт/м² (наприклад, щільність енергії сонячного випромінювання, енергії вітру при швидкості близько 10 м/с); для невідновлюваних джерел енергії її значення на декілька порядків вище. Наприклад, теплове навантаження в трубах парових котлів складає приблизно 200 кВт/м² і вище, а в теплообмінниках ядерних реакторів — декілька мегават на 1м² . Через таку значну відмінність щільності потоків енергії виникають суттєві відмінності в експлуатації енергоустановок на невідновлюваних і відновлюваних джерелах – традиційні енергоустановки є ефективними при великій одиничній потужності установки, проте розподіл енергії серед споживачів вимагає високих витрат, а енергоустановки на основі відновлюваних джерел енергії ефективні при малій одиничній потужності, але необхідні великі витрати для підвищення потужності при об'єднанні таких установок в єдину енергосистему.

Відновлювані джерела енергії мають принципові відмінності, тому їх ефективне використання є можливим на основі науково розроблених принципів перетворення енергії ВДЕ у види, що потрібні споживачам. В оточуючому середовищі завжди існують потоки відновлюваної енергії, тому в процесі розвитку відновлюваної енергетики необхідно орієнтуватися на місцеві енергоресурси, вибираючи найбільш ефективні з них. Важливим заходом ефективного використання ВДЕ є комплексний підхід у плануванні енергетики на основі відновлюваних енергоресурсів.Відновлювані джерела енергії є невід'ємною частиною навколишнього середовища, тому як їх вивчення, так і використання не може обмежуватися рамками однієї наукової дисципліни або завдання. Часто дослідження охоплюють область від промислової біотехнології до електроніки і процесів управління. Використання ВДЕ повинно бути багатоваріантним і комплексним, що дозволить прискорити економічний розвиток регіонів. Наприклад, хорошою базою для використання ВДЕ можуть слугувати агропромислові комплекси, де відходи тваринництва і рослинництва є сировиною для отримання біогазу, а також рідкого і твердого палива, виробництва добрив.

Для ефективного планування енергетики на відновлюваних ресурсах необхідно, по-перше, систематичне дослідження навколишнього середовища, аналогічне дослідженням геологічного характеру при пошуках нафти або газу, по-друге, вивчення потреб конкретного регіону в енергії для промислового, сільськогосподарського виробництва і побутових потреб. Зокрема, необхідно знати структуру споживачів енергії, щоб вибирати джерело енергії з кращими економічними показниками.

Найбільш масштабним на сьогодні є використання гідроенергії та енергії вітру. Досить широко та успішно функціонує велика гідроенергетика, проводиться робота з відновлення занедбаних і будівництва нових об'єктів малої гідроенергетики, особливо у важкодоступних для підведення ліній електропередач районах. Спалювання біомаси для отримання теплової енергії із застосуванням сучасного устаткування стає все більш поширеним. Практично у всіх регіонах світу існують можливості для експлуатації вітроенергетичного обладнання з метою виробництва електроенергії і виконання механічної роботи та створення і розширення біоенергетичного сектору для одержання біогазу. Геотермальна енергія має значний потенціал в окремих регіонах світу і може успішно використовуватися для опалення і гарячого водопостачання, а також для виробництва електроенергії. Енергія сонячної радіації може ефективно використовуватись для гарячого водопостачання і опалення; фотоелектрика в промислових масштабах усе ще малодоступна - прогрес може бути тільки у випадку різкого технологічного росту, що забезпечить значне зниження цін на фотоелектричні станції. Найбільш поширеним є використання сонячних фотоелементів для живлення електроприладів – калькуляторів, годинників, тощо вартісні показники електроенергії від ВДЕ, виробленої на різних видах електростанцій, вже зараз знаходяться в середньому на рівні традиційних електростанцій; із загального ряду випадає фотоенергетика, де вартість електроенергії в 4-5 разів вища; спостерігається стійке зниження вартості електроенергії від ВДЕ, в тому числі і на фотоелементах, яка, відповідно прогнозів, наблизиться до вартості електроенергії від інших видів через 5-10 років

В таблиці 1 наведені граничні значення питомої вартості електроенергії, виробленої на традиційних електростанціях і на електростанціях на основі ВДЕ.

Таблиця 1 — Граничні значення вартості 1 кВт×год. електроенергії, виробленої на різних типах електростанцій.

Енергоустановки і енергосистеми	Вартість 1 кВт×год. електроенергії, цент США/ кВт×год.
мінімальна	максимальна
Мікро- і малі ГЕС	3,0	4,0
Газотурбінні станції з комбінованим циклом	3,7	5,0
ВЕС	4,0	5,0
Атомні станції	4,0	8,0
Газ сміттєзвалищ	4,5	8,0
Тверді побутові відходи	4,5	7,0
Геотермальні станції	5,0	6,0
ТЕС на газі	5,0	6,5
ТЕС на вугіллі	5,2	8,0
ТЕС на відходах деревини	6,0	7,0
Екологічно чисті ТЕС	7,0	9,0
Сонячні термодинамічні станції	8,0	10,0
Газифікація біомаси	8,0	9,0
Фотоелектричні станції	20,0	28,0

Використання енергії відновлюваних джерел в світі має найбільш давні традиції – ще кілька століть назад основою енергетики було використання вітрових і водяних агрегатів та мускульної енергії тварин. На кінець ХІХ століття в Російській імперії сумарна потужність вітрових та водяних млинів дорівнювала приблизно двом блокам Чорнобильської АЕС. Важливим джерелом для отримання теплової енергії була біомаса – дрова, торф, використання яких до цього часу в сільській місцевості України не втратило свою актуальність.

Середина ХХ століття характеризується майже повною відмовою від ВДЕ. Однак енергетична криза 70-х років минулого століття, що поставила людство перед загрозою вичерпання викопних енергетичних ресурсів, та Чорнобильська катастрофа 1986 року, яка показала реальну загрозу існуванню цивілізації, корінним чином змінили підходи до використання первинних джерел енергії. Почала формуватися науково-технічна база нової галузі, яка отримала назву «відновлювана енергетика».

Використання енергії відновлюваних джерел у даний час є одним із пріоритетних напрямів розвитку світової енергетики, що обумовлено необхідністю:

· усунення енергетичної нестабільності країн, пов'язаної з енергетичними кризами;

· зменшення обсягів шкідливих викидів, що утворюються в процесі використання традиційних енергоносіїв;

· збереження запасів енергоресурсів для майбутніх поколінь;

· збільшення витрат органічної сировини для неенергетичних потреб.

Строки окупності капітальних вкладень в енергетику в середньому складає 8...10 років. При цьому на спорудження теплоелектростанції необхідно 6...8 років, великих гідростанцій і атомних станцій – 10...12 років. Вітроенергетична станція за кордоном споруджується за 5-6 місяців, починаючи з підписання контракту, термін її окупності – 8...10 років. У централізованих енергосистемах прийнятний строк окупності (5...10 років) визначається питомими капітальними вкладеннями 800-1000 дол./кВт і менше, терміном використання встановленої потужності – 2200 і більше годин у рік. Для автономних енергосистем ці показники складають, відповідно, 2000 дол./кВт і 1500 годин у рік

Переведення одиниць виміру енергоносіїв в умовне паливо – переведення одиниць виміру витрат котельно-пічного палива (вугілля та вуглепродукти, нафта та нафтопродукти, природний газ), інших видів (торф, торфобрикети, дрова, коксовий газ, доменний газ, нафтозаводський газ, феросплавний газ тощо) в умовне паливо проводиться на основі еквівалентних коефіцієнтів, які враховують калорійність в ккал/кг або кДж/кг одиниці палива за всіма його видами.

 

Таблиця 2 – Назви чисел і префікси

Чис-ло	Префікси	Скорочене позначення	Назва aранко- американська	Назва англо-німецька
	Українсь-кою мовою	Англійсь-кою мовою	Українсь-кою мовою	Англійсь-кою мовою	Українсь-кою мовою	Англійсь-кою мовою	Українсь-кою мовою	Англійською мовою
	дека	deca	да	da	десять	One ten	десять	One ten
102	гекто	hecto	г	h	сто	One hundred	сто	One hundred
103	кіло	kilo	к	к	тисяча	One thousund	тисяча	One thousund
106	мега	mega	м	M	мільйон	One million	мільйон	One million
109	гига	giga	г	G	більйон	One billon	мільярд	One thousand million
1012	тера	tera	Т	Т	трильйон	One trillion	більйон	One billion
1015	пета	peta	П	P	квадриль-йон	One quadrillion	Тисяча більйонів	One thousand billion
1018	екса	еха	Е	Е	квінтильйон	One quintillion	трильйон	One trillion
1021					секстильйон	One sextillion	Тисяча трильйонів	One thousand trillion
1024					септильйон	One septillion	Квад- рильйон	One quadrillion

Таблиця 3 – Співвідношення одиниць енергії

	кДж	кГ∙м	ккал	кВт×год.	кг у.п. (при виробленні електричної енергії))	кг у.п. (при виробленні теплової енергії
1 кДж		0,102	2,39∙10-4	2,78∙10-7	9,74∙10-11	3,41∙10-11
1 кГ∙м	9,81		2,34∙10-3	2,72∙10-6	9,57∙10-10	3,33∙10-10
1 ккал				1,16.10-3	4,08∙10-7	1,43∙10-7
1 кВт∙год	3,6∙106	3,67 105			3,51∙10-4	1,23∙10-4
1 т у.п. (ел.)	10,2∙109	1,045∙109	2,45∙106			0,35
1 т у.п. (теп.)	29,3∙109	3∙109	7∙106		2,853

 

Умовне паливо (у.п.) – одиниця обліку органічного палива, що використовується для співставлення різних видів палива та його сумарного обліку. Таким паливом вважають паливо, нижча теплотворна здатність якого приблизно дорівнює 29310 кДж/кг. Кожне паливо має свій коефіцієнт еквівалентного переводу в умовне Е_п, який визначається за співвідношенням:

Е_п=Q_н/29310,

де Q_н – нижча теплотворна здатність палива, що використовується, кДж/кг.

Вугільний еквівалент (в.е.) – одиниця обліку органічного палива.

1 кг в.е.=1 кг у.п. (1 кг в.е. має нижчу теплоту згорання 7000 ккал, що становить 29310 кДж)

Нафтовий еквівалент (н.е.) – одиниця обліку органічного палива.

1 кг н.е. має нижчу теплоту згорання 10000 ккал, що становить 41868 кДж.

1 кг в.е. = 1 кг у.п. = 0,7 кг н.е. = 7000 ккал = 29307,5 кДж = 29,31 МДж,

1 кг н.е. = 1,4286 кг у.п. = 1,4286 кг в.е. = 10000 ккал = 41,868 МДж.

Згідно з Національною енергетичною програмою України, прийнято, що на вироблення 1 кВт∙год. енергії на традиційних станціях витрачається 0,3514 кг у.п.

Для вітроенергетичних установок та малих ГЕС прийнято 1 кг у.п. =2,849 кВт∙год. Однак для геліоустановок та інших об’єктів альтернативної енергетики прийнято 1 кг у.п.=8,13 кВт∙год. .

 

 

1 ПРИНЦИПИ КОНСТРУЮВАННЯ.

 

1.1 Мета та задачі конструювання.

Процес конструювання має за кінцеву мету створення виробу, як результат інтелектуальної діяльності, що раціонально об'єднує виробничі, техніко-економічні та експлуатаційні вимоги. Тобто створена машина, установка, агрегат повинні мати потрібну продуктивність, безвідмовність роботи протягом нормативного часу, мінімальні питомі масогабаритні та енергомісткі параметри, простими та безпечними при експлуатації і ремонті, бути ергономічними.

В той же час, кожний елемент виробу повинен мати свої окремі якісні показники, що залежать від покладених на них функціональних вимог. Так, наприклад, в перетворювачах енергії (механічної в електричну, електричну постійного струму в змінний) головним є досягнення максимального ККД, підтримання нормативного рівня вихідних показників (відхилення величини напруги, частоти, форми кривої струму і т.д.), у вимірювальних системах – чутливість, точність, стабільність показників.

В загальному випадку вирішення питань конструювання установок з відновлюваними джерелами енергії визначається відображенням бінарного відношення множин:

 

f : A ´ B ® C ,

 

де А – множина потреб за енергозабезпеченням об’єкта (виробничого, побутового), що характеризується коефіцієнтом графіка навантаження, ємністю акумулюючого пристрою, потужністю резервного джерела живлення;

В – множина величин ресурсу відновлюваних джерел енергії, в залежності від географічного місцезнаходження об’єкта (широта місцевості, річними показниками того, чи іншого виду відновлюваної енергії та тривалістю періоду їх використання).

Пересічення даних множин (А і В) визначає множину конструктивних параметрів технічних засобів з відновлюваними джерелами енергії – С, що характеризується геометричними параметрами в залежності від коефіцієнтів ефективності за аеродинамічними, теплоенергетичними, ергономічними показниками.

При цьому множина С повинна бути кінцевою за виконання умови:

 

,

де y£y_Н – умова виконання критерію енергоекономічної оцінки.

Таким чином, вирішення питання конструювання систем з відновлюваними джерелами складає у визначенні взаємно однозначного відображення бінарного відношення при обмеженні умовами енергоекономічної оцінки.

 

1.2 Економічні засади конструювання.

Невід’ємною частиною процесу конструювання є економічний фактор, що в умовах ринкових відносин враховує співіснування різних форм власності – приватної, колективної, державної. У зв’язку з цим, визначення економічної ефективності створеної установки повинно базуватись на тому, що майбутні капіталовкладення на її реалізацію містять такі принципові положення:

– основними критеріями ефективності капітальних вкладень є показники, що ґрунтуються на оцінці прибутку та рентабельності;

– норматив ефективності дорівнює нормі дисконтування (приведення різночасних економічних показників до початку розрахункового періоду – тобто до року, що передує початку реалізації проекту), що приймається в залежності від конкретних умов і відповідає процентній ставці банку на довготермінові вклади;

– обсяги капітальних вкладень і річних витрат виробництва визначаються, як правило, за діючими цінами, тарифами та нормативами (при розрахунках на віддалену перспективу – за прогнозними оцінками);

– розрахунковий період приймається, як правило, рівним тривалості будівництва плюс 15 років, що відповідає термінові служби основного обладнання;

– амортизаційні відрахування на реновацію визначаються з урахуванням їх дисконтування, тобто за формулою складних процентів;

– при виконанні розрахунків слід враховувати інфляцію, а також невизначеність початкової інформації та обумовлений цим ризик.

Головною задачею економічної оцінки є не зниження вартості установки, а визначення економічної ефективності корисної віддачі її за весь період експлуатації (вартість інколи є незначною складовою даної величини).

Одним із основних показників ефективності вкладень є інтегральний дисконтований чистий прибуток (П_дс), що дорівнює дисконтованій сумі всіх доходів і витрат за розрахунковий період:

 

,

 

де D_t – вартість реалізованої продукції та інші доходи за рік t;

З_t – річні витрати, що є сумою капітальних вкладень та експлуатаційних витрат (без амортизаційних відрахувань на реновацію) в році t;

Е – норматив дисконтування.

При нормативному значенні інтегрального прибутку, рентабельність вкладень в об’єкт перевищує мінімальну норму прибутку, тобто інвестиції є вигідними; негативне значення свідчить про неприйнятність проекту. Нульове значення вказує на мінімально допустиму норму прибутку, тобто банківську процентну ставку.

 

1.3 Поняття корисної віддачі та довговічності.

Корисна віддача залежить від продуктивності установок, тобто від числа операцій, що нею виконується за одиницю часу. Якщо конструкція машини спроектована без відхилень від існуючих методичних положень, то збільшення віддачі залежить від умов експлуатації установки. Причому робочі органи установки слід розраховувати на максимальний об’єм операцій у відповідності із закладеними в ній кінематичними, потужнісними та надійнісними показниками.

Слід врахувати, що установки з відновлюваними джерелами, як правило, працюють в умовах безперервної дії атмосферних явищ, що становить до них підвищені вимоги до довговічності. Під довговічністю розуміють властивість виробу зберігати роботоздатність до граничного стану з необхідними перервами для технічного обслуговування та ремонту. Граничний стан виробу настає в час, коли подальша експлуатація неможлива або недоцільна. Тобто, довговічність – це властивість установки зберігати роботоздатність до моменту вилучення її з експлуатації.

Довговічність характеризується:

– критерієм довговічності – відношення номінального значення довговічності до фактичного. Для легких умов експлуатації він складає 0,7…0,8; середніх – 1; важких – 1,2…1,5;

– строком служби, що залежить від коефіцієнта використання:

 

h_В = h_сез. h_вих. h_рем h_зм h_маш h_зав h_прост. ,

де h_сез. – t_сез./365 – коефіцієнт сезонності (t_сез – тривалість сезону, днів);

h_вих. – t_р.д./365 – коефіцієнт вихідних днів (t_р.д. – кількість робочих днів);

h_рем – коефіцієнт ремонтних простоїв (0,85…0,9);

h_зм – коефіцієнт змін (для однозмінної 0,33; двозмінної – 0,66; трьохзмінної – 1);

h_маш – коефіцієнт машинного часу (0,8…0,9);

h_зав – коефіцієнт завантаження (0,7...0,95);

h_прост – коефіцієнт простою.

 

 

1.4 Експлуатаційна надійність.

Роботоздатність виробу забезпечується його надійністю, показники якої завжди слід розглядати разом із заданими режимами експлуатації. Тому конструювання передбачає врахування наступних ознак експлуатаційної надійності: високий термін довговічності, безвідмовність, безаварійність, стабільність роботи, малий об’єм та простота оперативного обслуговування і ремонтних робіт, живучість (здатність при пошкодженнях продовжувати деякий час роботу хоча б на понижених режимах).

 

1.5 Уніфікація виробничих рішень.

Під поняттям уніфікації розуміють процес усунення зайвого різноманіття типорозмірів та марок продукції (а також характеристик виробів і методів випробувань) шляхом максимального скорочення їх числа; використання вузлів і деталей із раніше спроектованих і випробуваних машин в конструкціях нових установок.

Існує декілька напрямків уніфікації (але вони не є універсальними):

- секціонування – розподіл машин на однакові секції та утворення нової установки набиранням уніфікованими секціями. Наприклад, виробництво пластинчастих теплообмінників, сонячних теплофікаційних та фотоелектричних установок і т.д.;

- метод зміни лінійних розмірів – з метою отримання машин і агрегатів різної продуктивності, змінюють їх геометричні параметри (довжину), але зберігають форму поперечного перерізу. Наприклад, довжина матрацного сонячного повітронагрівача, шестерінчастий насос, мішалка метантенків біогазових установок і т.д.;

- метод базового агрегату – перетворення в машину різного призначення під’єднанням до базового агрегату спеціального обладнання. Наприклад, гідромеханічна установка з уніфікованим редуктором, когенераційна установка;

- конвертування – базову машину або основні її елементи використовують для утворення агрегатів різноманітного призначення. Наприклад, теплонасосна установка;

- модифікування – переробка машини з метою пристосування її до інших умов роботи, операціями без зміни основної конструкції. Наприклад, зміна величини швидкохідності вітроустановки;

- агрегатування – створення машин шляхом комбінаційного об’єднання уніфікованих агрегатів, що складаються з автономних вузлів, в загальну систему;

- уніфіковані ряди – утворення ряду довільних машин різної потужності або продуктивності шляхом зміни числа робочих органів та їх застосування в різних об’єднаннях. Наприклад, енерговузли, що складаються з декілька вітряних роторів розташованих на одній башті (щоглі).

 

1.6 Утворення номенклатури та рядів об’єктів виробництва.

Номенклатура виробів передбачає не стільки процес розширення, як зменшення найменувань. В той же час зменшення базується на результатах вимог виробництва (функція попиту). Досягається це наступними заходами:

- утворення параметричних рядів машин з раціональним вибором інтервалів між кожним членом ряду;

- збільшення універсальності машин – розширення кола задач, операцій, що ними виконується;

- закладенням в конструкцію резервного розвитку.

Параметричним називається ряд машин та установок однакового призначення з регламентованими конструкційними показниками та градаціями цих показників.

При встановленні в основу єдиного типу машини та отримання необхідних градацій зміною її розмірів при збереженні геометричної подібності модифікацій ряду отримують ряд, що має назву розмірного.

При встановленні для кожної градації свого типу машин, отримують типорозмірний ряд.

Кількісне значення параметрів вищеназваних рядів передбачає використання переважаючих чисел, що являють собою спеціально підібрані величини, які рекомендується застосовувати у всіх галузях господарства. Дані числа утворюють п’ять стандартизованих рядів (ГОСТ 8032-84) із знаменником прогресії , де n = 5, 10, 20, 40 і 80. Тоді для R5 він дорівнює 1,6; для R10 – 1,25; для R20 – 1,12; для R40 – 1,06 і для R80 – 1,03. На практиці застосування того, чи іншого ряду залежить від кількості продукції, що випускається. Так при невеликих кількостях користуються R5, а із збільшенням масовості виробництва – переходять на R10, R20 та R40.

 

1.7 Загальні правила та методичні положення конструювання.

Процес конструювання є багато етапна послідовність дій, що передбачає наявність чисельних зворотних корегуючих зв’язків. Під час роботи над проектом можливі не тільки зміни (або заміни) конкретних вузлів, а вилучення цілих структурних блоків. Тому розробнику необхідно одночасно уявляти як загальні, так і детальні вимоги до конструкції за технологічними, експлуатаційними та ергономічними показниками в плані збільшення корисної віддачі машини та її довговічності. Для цього необхідно в конструкції машини передбачати високі вихідні вимоги та резерви розвитку і наступного удосконалення. В той же час, нова машина повинна мати елементи уніфікації та вузли, що мають позитивну експлуатаційну перевірку. Це дає змогу зменшити типорозмірну розмаїтість і збільшити експлуатаційну гнучкість в межах параметричного ряду. Крім того, конструктор повинен орієнтуватись на розробку машини, що буде експлуатуватись без ремонтів (як поточних, так і капітальних) і буде комплектуватися змінними вузлами.

Компоновку машини бажано запроектувати у вигляді окремих вузлів, що встановлюються на неї у зібраному вигляді. При цьому треба виключити операції підгонки деталей за місцем установлення до експлуатації. Це забезпечується застосуванням фіксуючих елементів. В конструкціях окремих вузлів необхідно застосовувати передові методи зміцнюючих операцій обробітку матеріалів, надавати необхідну жорсткість, вводити пружні елементи для машин, що працюють в умовах циклічних навантажень.

Розробник повинен закласти в конструкцію установки полегшені умови її експлуатації та безпечності. Для цього вузли роблять доступними для огляду. Застосовують елементи автоматичної подачі мастила до тертьових поверхонь, встановлюють блокування, автоматичні регулятори, запобіжні пристрої, що виключають роботу машин при небезпечних режимах, органи керування зосереджують в одному місці.

Не останню роль грають ергономічні показники, що вимагають від конструкції простих естетичних форм зручності як у користуванні, так і при влаштуванні установок у ландшафт місцевості.

Загальні вимоги до розробки будь-якої продукції виробничо-технічного призначення подані в ГОСТ 15.001-88, за яким розробка продукції здійснюється за угодою із замовником або за ініціативою розробника.

Розробник на базі вихідних вимог замовника, вивчення попиту, умов застосування, тенденцій розвитку та власного науково-технічного досвіду проводить необхідні науково-дослідні, дослідно-конструкторські та технологічні роботи, що включають патентні дослідження, функціонально-вартісний аналіз, моделювання та інші методи створення продукції. При цьому необхідно керуватись нормативно-технічною літературою, в якій встановлені значення показників, що визначають технічний рівень продукції, замінності та сумісництві складових частин і продукції в цілому, безпеки, охорони здоров’я та природи.

Розробка та постановка продукції на виробництво в загальному випадку передбачає:

– розробку технічного завдання;

– розробку технічної та нормативно-технічної документації;

– виготовлення та випробування зразків продукції;

– приймання результатів розробки;

– підготовку та освоєння виробництва.

Технічне завдання є основним вихідним документом для розробки продукції. Воно містить техніко-економічні вимоги до продукції, перелік документів, порядок здавання та приймання результатів розробки. При необхідності технічне завдання може містити вимоги до підготовки та освоєння виробництва. Конкретний зміст технічного завдання визначають замовник і розробник, а при ініціативній роботі – розробник, але, як правило, складається з наступних розділів:

– найменування та область застосування;

– підстава для розробки;

– мета та призначення розробки;

– джерела розробки;

– технічні вимоги;

– економічні показники;

– стадії та етапи розробки;

– порядок контролю та приймання;

– додатки (таблиці порівняння з кращими зразками, копії патентів і т.п.).

Не допускається включати в технічне завдання вимог, що суперечать вимогам стандартів і нормативів документів установ, які здійснюють нагляд за безпекою, охороною здоров’я та природи.

Як технічне завдання допускається також використання будь-якого документа (контракт, протокол, ескіз і т.п.), що містить необхідні та достатні вимоги для розробки та визнані замовником і розробником, а також зразок продукції, що призначений для відтворення.

Розробку конструкторської, технологічної, а також, при необхідності, програмної документації на виріб проводять за правилами, що встановлені відповідними стандартами.

Діючі стандарти встановлюють наступні стадії розробки конструкторської документації та етапи їх виконання:

– технічні пропозиції – сукупність конструкторських документів, що містять технічне та техніко-економічне обґрунтування доцільності розробки документації виробу на підставі аналізу технічного завдання замовника та різних варіантів можливих рішень виробу, порівняльна оцінка рішень з врахуванням конструктивних і експлуатаційних особливостей виробів, що існують і розробляються, та патентні дослідження. Технічні пропозиції, після затвердження, є підставою для розробки ескізного проекту. Етапи: підбір матеріалів, розробка та затвердження технічних пропозицій;

– ескізний проект – сукупність конструкторських документів, що містять принципові конструкційні рішення, які дають загальні уявлення про будову та принцип роботи виробу, а також дані, що визначають призначення, основні параметри та габаритні розміри виробу, який розроблюється. Він після узгодження та затвердження є підставою для розробки технічного проекту або робочої конструкторської документації. Етапи: розробка ескізного проекту, виготовлення та випробування макетного зразка (при необхідності), затвердження ескізного проекту;

– технічний проект – сукупність конструкторських документів, що містять кінцеве технічне рішення, яке дає повну уяву виробу, що розробляється, та вихідні дані для розробки робочої документації. Він після узгодження та затвердження є підставою для розробки робочої конструкторської документації. Етапи: розробка технічного проекту, виготовлення та випробування макетного зразка (при необхідності), затвердження технічного проекту;

– робоча конструкторська документація:

а) дослідного зразка – етапи: розробка конструкторської документації на дослідний зразок; виготовлення та попередні випробування дослідного зразка; корегування конструкторської документації за результатами попередніх випробувань; приймальні випробування; корегування за результатами приймальних випробувань;

б) серійного виробництва – етапи: виготовлення та випробування установочної серії; корегування конструкторської документації за результатами випробувань установочної серії, а також оснащення технологічного процесу виготовлення виробу.

Для підтвердження відповідності розробленій технічній документації вихідним вимогам і вибору кращого зразка, виготовлюють дослідні зразки. Вони підлягають приймальним випробуванням у відповідності з діючими стандартами або типовими програмами та методиками випробувань, що відносяться до даного виду продукції. При їх відсутності – проводять за програмою та методикою, що підготовлена розробником і узгоджена із замовником або погоджена із приймальною комісією.

 

 

Контрольні питання до глави 1.

1. Що є кінцевою метою процесу конструювання?

2. В чому полягає головна задача економічної оцінки устаткування, що конструюється?

3. Як визначається дисконтований чистий прибуток?

4. Що розуміють під поняттям довговічності виробу?

5. Якими показниками характеризується довговічність?

6. Назвіть ознаки експлуатаційної надійності?

7. Що розуміють під поняттям уніфікації виробничих рішень?

8. Які існують напрямки уніфікації виробничих рішень?

9. Вимоги виробництва до утворення номенклатури виробів?

10. Які ви знаєте ряди машин і як вони утворюються?

11. Що передбачає розробка та постановка продукції на виробництво?

12. З яких розділів складається технічне завдання?

13. Які ви знаєте стадії розробки конструкторської документації? Назвіть етапи їх виконання.

 

 

2 КОНСТРУЮВАННЯ ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК.

 

2.1 Загальна побудова систем вітроенергетичних установок.

Вітрова енергетична установка – це агрегат, що перетворює кінетичну енергію вітру в інший вид енергії (рис.2.1).

В залежності від виду енергії, що генерується, вони можуть бути вітромеханічними та вітроелектричними (рис.2.2).

Компоновка вітромеханічних установок здійснюється з наступних складових частин:

– ротор – система обертових аеродинамічних елементів (лопатей), що приєднані до єдиного валу, і призначена для перетворення кінетичної енергії вітру в механічну енергію обертового валу. Ротор може бути навітровим (в робочому стані розташовується відносно напрямку повітряного потоку перед опорою) і підвітровим ( в робочому стані розташовується відносно напрямку повітряного потоку за опорою);

– гондола – частина вітроустановки, що розташовується на вершині опори і служить для розміщення вузлів кріплення валу ротора, мультиплікатора, трансмісії та (або) інших елементів;

– опора (вежа, башта, щогла) – тримає гондолу та ротор над поверхнею землі. Висота опори вибирається не тільки з умови росту швидкості вітру, але й з врахуванням умов монтажу, ремонту, обслуговування, ваги та вартості;

– опорно-повертальний пристрій – служить для повертання гондоли та ротора навколо вертикальної вісі до напрямку повітряного потоку. Даний пристрій може мати допоміжний конструктивний елемент – віндрозу, що являє собою багатолопатевий ротор для приведення в дію опорно-поворотної системи у напрямку повітряного потоку;

– система керування поворотом гондоли – утримує вісь ротора у напрямі повітряного потоку з найменшим відхиленням (никанням);

– трансмісія – система для передачі крутного моменту від валу ротора до робочої машини.

Компоновка вітроелектричних установок здійснюється з таких же складових частин, але має додаткові елементи в залежності від режимів роботи: при безпосередньому під’єднанні на навантаження або при роботі з акумулючими пристроями. Електрогенератор, як правило, розміщується в гондолі. Електротрансмісія здійснюється кабелями або через рухомі контакти. Автоматична система керування приймає інформацію про стан і роботу механізмів установки, обробляє її за заданою програмою та забезпечує запускання, підтримування робочих параметрів, а також зупинку установки в аварійних ситуаціях.

Лопаті є найбільш складним і дорогим елементом ВУ, в Україні до останнього часу не налагоджений випуск лопатей для ВУ потужністю в діапазоні 2...100 кВт. За кордоном проектуванням і виготовленням лопатей займаються найбільш розвинені фірми: авіаційні (Boeing), аерокосмічні, суднобудівельні. Складність виготовлення лопаті для швидкохідної ВУ пояснюється високими вимогами, що висуваються до лопаті: висока міцність на розривання і вигинання, відносно не висока маса, здатність працювати в широкому діапазоні температур (-50^оС...+60 ^оС), стійкість до обмерзання, точність форми профілю лопаті, низька шорсткість поверхні і т.д. Крім того, лопать має складну геометричну форму: повздовжню гвинтове кручення, змінну хорду профілю за довжиною, обтічні торці лопатей і т.д. Вказаним вимогам в найбільшій мірі відповідають лопаті, виконані з композитних матеріалів, склопластиків, вуглепластика, пресованого алюмінію.

Силова трансмісія утворена валом ротора вітроустановки, встановленим в підшипниках, другий кінець валу через пружну (або іншу) муфту з'єднаний з тихохідним валом мультиплікатора, що задовольняє вимогам за передавальним відношенням, крутильному моменту, швидкості обертання, умовам мастила і т.д. Швидкохідний вал мультиплікатора через пружну муфту пов'язаний з навантаженням, для якого зазвичай використовується електрогенератор (або компресор). Вітроустановка містить гальмівний пристрій (стрічковий, дисковий або колодковий), розміщений найчастіше на швидкохідному валу мультиплікатора (або на другому вихідному кінці вала електрогенератора). Гальмівний пристрій повинен забезпечувати плавне гальмування ротора без перевантажень за моментом, що може досягатися уведенням до складу гальма пружної ланки (пружини) або дроселя у разі використання гідравлічного приводу в гальмівному пристрої. Для зменшення перевантажень за моментом, при гальмуванні роторів потужних вітроустановок часто застосовують спільно з гальмуванням валу ротора аеродинамічне гальмування поворотом лопаті або поворотом її кінцевої частини або гальмівним аеродинамічним щитком.

Для орієнтації ротора на вітер використовують поворот гондоли вітроустановки відносно опори, для чого застосовують опорний підшипник, встановлений між гондолою і опорою. Вітроустановки потужністю 0,1-1 кВт орієнтуються на вітер, як правило, за допомогою хвоста (флюгерного пристрою на консолі). Вітроустановки більшої потужності використовують для повороту гондоли на вітер віндрозний черв'ячний механізм з додатковими одним або двома малими роторами. Коли потужність вітроустановки досягає 100 і більш кВт, то використовується електропривод (мотор-редуктор) з великим передавальним відношенням, який забезпечує низьку кутову швидкість повороту гондоли з тим, щоб понизити величину гіроскопічного моменту, що виникає на лопатях ротора. При цьому блок керування виконавчим електродвигуном пов'язується з датчиком напрямку вітру, що встановлюється на гондолі вітроустановки і є анеморумбографом з власним хвостовим пристроєм.

направлення вітру

При компоновці конкретної установки, розробник повинен враховувати вимоги та кліматичні умови споживача, що в решті решт і впливає на кінцеву конструкцію вітроенергетичного агрегату.

 

2.2 Вихідні положення до розрахунку вітроенергетичних установок.

Практика вітровикористання передбачає врахування двох акцентів при проектуванні агрегатів:

– досягнення максимального виробітку енергії (робота вітроелектроустановок на загальну мережу);

– забезпечення технологічного числа годин роботи виробничих механізмів (автономні вітроустановки).

В залежності від врахування цих двох моментів вибирається економічно доцільна номінальна швидкість вітру (v_Н) (розрахункова швидкість), за якою розвивається номінальна потужність вітроустановки, і починається регулювання її потужності. В першому випадку відношення v_Н до середньорічної швидкості вітру, складає від 1,5 до 2. В другому випадку – це співвідношення не рекомендується перевищувати 1,25.

Значення середньорічної швидкості вітру оцінюють за багаторічними спостереженнями метеостанцій. Але слід врахувати, що режим виробітку енергії будь-якої реальної вітроенергоустановки описується нелінійною функцією:

 

E(v) =

де v₀ – початкова швидкість вітру роботи ВЕУ;

v_н – номінальна швидкість вітру;

v_кр – критична швидкість вітру, при якій припиняється робота ВЕУ;

Е – енергія, що може бути вироблена при до номінальних значеннях швидкості вітру;

Е_Н – енергія, що можу бути вироблена при регульованій швидкості вітру.

Крім того, досвід практичного застосування енергії вітру показує, що її доцільно використовувати при середньорічній швидкості вітру більше 4 м/с.

Важливою характеристикою є вертикальний профіль вітру, тобто зміна величини його швидкості за висотою. Тому для узгодження отриманих значень спостереження з висотою розташування вісі ротора застосовують залежність, що запропонована Д.Т. Лайхтманом:

 

,

 

де v – шукана швидкість на висоті h;

v₁ – швидкість вітру, що вимірюється біля Землі на висоті h₁;

h₀ – висота, на якій швидкість вітру дорівнює нулю (вона залежить від шорсткості поверхні: для снігового покриття – 0,5см; для поверхні з низькою травою – 3,2см; з більш високими рослинами – 5…7см; h_макс=20см).

Іншою, не менш важливою характеристикою, є значення граничної швидкості вітру в зоні розташування вітроенергетичної установки. Режимні характеристики вітру такого роду застосовують при визначенні надійності та довговічності агрегатів, а також при проектуванні механізмів регулювання та виводу роторів з під вітру. В умовах України, де середня швидкість вітру не перевищує 5…7 м/с, швидкість вітру в бурю складає відповідно 40…50 м/с.

Згідно методики “Germanisher Lloyd” зовнішні умови поділяються на:

– нормальні – вважаються події з ймовірністю, що перевищують один раз в рік або частіше;

– граничні – події з ймовірністю перевищення один раз в 50 років.

У відповідності із зовнішніми умовами, ВЕУ поділяються на п’ять класів: I…IV і S. Вони характеризуються десятихвилинним осередненням значень граничної швидкості вітру із середньою ймовірністю перевищення швидкості вітру , що осереднюється за тривалий проміжок часу (обидві швидкості на висоті маточини).

 

Клас	I	II	III	IV
,м/с		42,5	37,5
,м/с		8,5	7,5

 

Максимальна швидкість вітру v_Е на висоті маточини, з періодом осереднення 5с та із ймовірністю перевищення один раз в 50 років, отримується шляхом множення значень із таблиці на коефіцієнт 1,4.

 

 

2.3 Аеродинамічний розрахунок ротора вітроустановки.

Передумовою проведення розрахунку є визначення вихідних даних, що містять наступні основні показники:

– потужність, що передбачається бути отриманою від вітроагрегата (отримується за навантажувальними графіками споживача);

– швидкість вітру, при якій розвивається задана потужність;

– швидкохідність (число модулів) ротора при максимальному коефіцієнті потужності даного типу ротора;

– коефіцієнт потужності вітроустановки.

Розрахунок починається з визначення геометричних параметрів ротора із рівняння потужності вітроустановки:

 

,

 

де r – масова густина повітря, що залежить від температури та тиску атмосфери (при t=15⁰С та р=760 мм рт.ст. r = 0,125 кг×с²×м^-4);

F – площа обмаху ротора;

v_н – номінальна швидкість вітру;

x – коефіцієнт потужності вітроустановки;

k – коефіцієнт узгодження системних одиниць вимірювання (k=1/102 при розрахунку в системі СІ).

Для крильчастих роторів поверхня обмаху складає

,   а потужність вітроустановки складе ( в кВт):

Таблиця 2.2 – Значення коефіцієнту лобового тиску

Для циліндричної суцільної опори   , кг

Чисельник: дані при змінному куту нахилу.

,   де hТП – термічна ефективність теплоприймача;

Рис. 4.1 Схема пригребельно-заплавної ГЕС з бетонною греблею

Нижній б’єф Верхній б’єф

 

1– будинок ГЕС; 2- водоприймальник; 3- глуха гребля;

4- водозливна гребля; 5- водовідвідний канал.

 

Рис.4.2 Пригребельно-заплавна схема ГЕС.

У пригребельно-заплавних вода затоплює крім основного русла ще і заплаву до її корінних берегів. Напір коливається в межах 2,5...20 м. Це дає можливість регулювати стік ріки різними способами. Крім того, вони менше зазнають вплив коливання напору під час проходження весняних паводків, що дозволяє протягом всього року забезпечити безперебійну подачу електроенергії споживачу.

 

Нижній б’єф

Верхній б’єф

1-гребля; 2 - лінія електропередачі; 3 - будівля ГЕС. Рис. 4.3 Пригребельно-руслова схема ГЕС.

 

До недоліків даних гідроелектростанцій відносять:

– затоплення значних площ заплавних земель;

– великі обсяги будівельних гідротехнічних робіт та капіталовкладень.

Комплекс гідроспоруд пригребельно-заплавних станцій складається із:

– греблі – водонапірна споруда, що за характером роботи, яка виконується, поділяється на глуху (тільки створює напір води) та водозливну (крім підпору, здійснює скидання надлишків води з водоймища);

– будівлі гідроелектростанції – споруда, де розташовується гідромеханічне (турбінне обладнання) та електричне (генераторне обладнання) устаткування;

– водоприймальні споруди – здійснює подавання з водоймища до турбін;

– водовідвідного каналу – відводиться відпрацьована вода від будівлі гідроелектростанції до основного русла ріки нижче греблі.

У випадках, коли річка використовується як транспортний засіб або для рибництва, зрошення, створюють додаткові гідроспоруди у вигляді шлюзів, водозабірних споруд і рибоходів.

Глуха гребля не споруджується у випадку, коли заплава ріки вузька, а витрати надлишку води відносно великі. В даному разі створ являє собою одну водозливну греблю.

Пригребельно-руслові гідроелектростанції (рис.4.3) розташовуються на рівнинних ріках з широкими заплавами та високими берегами русла. Напір створюється греблею не вище відміток бровок обох берегів ріки. В даному випадку вода не повинна затоплювати заплавні землі (основна перевага). Такі гідроелектростанції будують при умові уклону поверхні води менше 0,0005 і при ширині заплави понад 700 м. Вони низьконапірні – не вище 5м.

Гідроспоруди пригребельно-руслових електростанцій складаються із:

– водозливної греблі;

– будівлі гідроелектростанції з водоприймальною спорудою (об’єднані) – розташовується в лінії створу.

Водовідвідний канал відсутній, тому що будівля станції безпосередньо розташована в руслі ріки і витримує натиск води.

Створ під руслову гідроелектростанцію вибирається на прямолінійній ділянці ріки з більш-менш сталим гідравлічним режимом, щоб уникнути звуження русла, що призведе до розмивання берегів і поглиблення дна безпосередньо за створом зведених споруд.

Водоскидні споруди розраховують на руслову витрату, тому що під час проходу паводка (максимальні витрати) отвори греблі повністю відкривають, горизонти зрівнюються, напір зникає і гідроелектростанція зупиняється.

Таким чином, регулювання стоку неможливе і це призводить до переривання в енергозабезпеченні споживача (основний недолік).

 

4.1.2 Дериваційні схеми гідроелектростанцій.

Характерною особливістю дериваційних станцій є те, що напір у них створюється не греблею, а конструкційно-технологічним обладнанням, що здійснює підведення води до станційного вузла та відведення води від нього водоводами. Дериваційні гідроелектростанції є високо напірними – до 200 м (рис.4.4, 4.5).

Водяний потік підводиться до станції за допомогою каналів, лотків, штолень, тунелів або трубопроводів. Вибір типу підведення залежить від геодезичних та геологічних умов. Величина мінімального уклону та втрат напору в дериваційних водоводах досягається за рахунок гладкості внутрішньої поверхні їх стінок, правильної форми поперечного перерізу та прямолінійності ділянок деривації. Слід завважити, що чим більший уклон, тим вигідніша дериваційна схема.

Дериваційний канал

1 – водоприймач; 2 – затвор; 3 – напірний басейн; 4 – трубопровід; 5 – будівля ГЕС.

Рис. 4.4 Схема ГЕС з безнапірною деривацією.

1 – гребля; 2 – гребінь греблі; 3 – зрівняльний резервуар; 4 – дериваційний напірний водовід; 5 – турбінний трубопровід; 6 – будівля ГЕС.

Рис.4.5 Схема ГЕС з напірною деривацією.

 

Дериваційна схема дериваційної станції складається із споруд:

– головного вузла, до якого входять:

а) невисока гребля (забезпечує нормальне надходження необхідної витрати води у водоприймач, проходження паводкових вод і змивання наносів у зоні забору води у водоприймач);

б) водоприймач (розширена частина дериваційного каналу, що прилягає до греблі, і подає воду з верхнього б’єфу безпосередньо в канал. Поріг

водоприймача облаштовується захисною решіткою від сміття та льоду і відсічним затвором, що припиняє надходження води в канал);

в) відстійник (декілька камер з вхідними та вихідними затворами та промивними отворами, і призначений для осадження та подальшого видалення небезпечних для турбіни фракційних наносів);

– деривації – забезпечують підведення води від головного вузла до станційного комплексу, а також відведення спрацьованої води до русла ріки. До складу деривації входять також допоміжні споруди – акведуки, мости, труби під каналом для пропуску вод під час злив, комунікації, що перетинають транспортні лінії;

– станційного вузла, до якого входять:

а) водонапірний басейн (при відкритій деривації) або зрівняльний резервуар (при закритій деривації) для розподілу потоків, що подаються до турбін;

б) турбінні напірні трубопроводи;

в) будівля гідроелектростанції з водовідвідним каналом.

 

4.1.3 Гребельно-дериваційні (змішані) схеми гідроелектростанцій.

Змішана схема (рис.4.6) побудови станції застосовується в місцевостях з уклонами, що коливаються в межах 0,005...0,01. Напір створюється одночасним використанням греблі та дериваційних споруд. Гідроелектростанції, що побудовані за даною схемою, несуть в собі переваги і недоліки попередніх схем. При відсутності затоплювання земель, меншими питомими витратами на одиницю встановленої потужності, у них ускладнена система регулювання стоку, важкі умови експлуатації в зимовий період (шуга, лід).

 

 

1 – гребля; 2 – дериваційний канал; 3 – напірний басейн; 4 – будівля ГЕС; 5 – напірний трубопровід; 6 – водовідвідний дериваційний канал.

Рис. 4.6 Змішана (гребельно-дериваційна) схема ГЕС.

 

4.1.4 Основні стадії проектування малих гідроелектростанцій.

Процес проектування гідроелектростанцій складається з двох етапів:

1. Складання загальної схеми енергетичного використання ріки або групи річок (водноенергетична схема).

2. Складання проекту гідростанцій у вибраному створі ріки.

На першому етапі проводять наступні розслідування:

– топографічні – виконують для планово-висотного обґрунтування проекту (дає можливість заздалегідь визначити доцільність будівництва);

– гідрологічні – вивчення режиму ріки та витрати води у створі гідроелектростанції;

– інженерно-геологічні та гідрогеологічні – для визначення показників міцності та надійності споруд гідроелектростанції.

Проектування станції проводиться за трьома послідовними стадіями:

– проектне завдання –в ньому подається схема використання водопотоку на вибраній ділянці, характеристика споживачів, що під’єднуються до станції (графіки навантаження, типи базових споруд та їх основні розміри, техніко-економічні матеріали (укрупнені кошториси, висновки про економічну доцільність будівництва станції);

– технічний проект – основний документ для будівництва, в якому остаточно встановлюються всі техніко-економічні показники, типи та конструкції споруд, вартість та строки будівництва;

– робочі креслення.

 

4.2 Гідрологічні та гідроенергетичні розрахунки при конструюванні малих гідроелектростанцій.

Мета гідрологічних розрахунків полягає у визначенні річного розподілу середніх (багаторічних) витрат ріки, що є вихідними даними гідроенергетичного розрахунку складових об’єктів станції.

4.2.1 Основні показники гідрологічних розрахунків.

Норма стоку – відношення середнього багаторічного значення витрат ріки (за 40…50 років) до площі водозбирання. Цей показник характеризує середню величину стоку з басейну.

Модуль стоку – виражає норму стоку в питомих одиницях, тобто відношення кількості води (в л/с), що стікає з одного квадратного кілометра водозбору:

 

л/с з 1км² ,

де Q₀ – середні багаторічні витрати, м³/с;

F – площа водозабору в км².

Об’єм стоку:

 

W = Q₀T,

де T – число секунд в періоді, за який вимірюється стік (для року – 31,54×10⁶ с).

Річна висота води (шару стоку):

Модульний коефіцієнт – відношення величини стоку за певний період до середнього багаторічному значенню стоку (за той же період);

 

k_i = М_і / М₀ = Wi / W₀.

 

Він може бути річним, сезонним, місячним, максимальним і мінімальним.

Коефіцієнт стоку – відношення висоти шару стоку (h) до кількості опадів (c), що випали в басейні стоку:

h = h /c

 

 

4.2.2 Методи оцінки норми стоку.

В практиці використовують наступні (наближені) методи оцінки норм стоку:

– за ізолініями – на географічних картах регіонів вказані лінії, що побудовані за багаторічний термін спостережень;

– за емпіричними залежностями – вони базуються на зв’язку стоку з опадами та випаровуванням (або на зв’язку між опадами та коефіцієнтом стоку):

Y₀ = x₀ – z₀ ,

 

де Y₀ – норма стоку, мм;

x₀ – норма опадів (або середньорічна кількість опадів), мм;

z₀ – норма випаровування ( або середньорічна кількість води, що випаровується з басейну), мм.

Норма опадів для рівнинних басейнів береться з довідника про водні ресурси, а норма випаровування – за картами, що наведені в спецлітературі з питань проектування гідроелектростанцій.

В той же час, розподіл багаторічних спостережень не дає достатньої достовірності про найбільші та найменші значення річного стоку. Для цього використовують аналіз кривих залежності модульного коефіцієнту від забезпеченості (тривалості) витрат ріки. Підрахунок відсотку забезпеченості річного стоку за кожний рік спостережень проводиться за виразом:

 

де Р – відсоток забезпеченості річного стоку за кожний рік спостережень;

m – порядковий номер члена ряду при розташуванні їх в бік зменшення;

n – число всіх членів ряду.

В практичних розрахунках користуються не самою кривою, а таблицею, що складена за нею (таблиця 4.1). Для визначення ординат кривої забезпечення потрібно знати три числові параметри:

– норму стоку (Y₀ );

– коефіцієнт варіації (c_v) – відношення середньоквадратичного відхилення до середньоарифметичного значення ряду Y:

 

 

де k = Y_i / Y₀ – модульний коефіцієнт;

c_s – коефіцієнт асиметрії – характеризує амплітуду коливань значень стоку в ряді спостережень:

 

.

 

Даний коефіцієнт має стійке значення вже при аналізі спостережень за 10…20 років. При короткотермінових спостереженнях його значення приймається як c_s = 2c_v.

Для переходу від табличних значень до інших, користуються співвідношенням:

 

k =Ф c_v +1,

де Ф – відхилення ординат кривої забезпеченості за табл.4.1;

c_v – обчислений коефіцієнт варіації для даного ряду.

Таким чином, побудова кривої забезпеченості проводиться в наступному порядку:

1. Визначається величина річних витрат з площі водозбору Q₀.

2. Обчислюється модульний коефіцієнт за всі роки спостережень k.

3. Розташовують модульні коефіцієнти у зростаючому (або спадаючому) порядку і обчислюють: (k – 1)(k – 1)² та (k – 1)³ до третього десяткового значення (перевірка: ).

4. Визначають коефіцієнт варіації.

5. За табл.4.1 визначають коефіцієнт асиметрії для різних значень забезпеченості.

6. Приводять отримані дані за табл. 4.1 до реальних значень величини модульних коефіцієнтів для років різної забезпеченості.

У випадку відсутності даних спостережень за стоком або їх нетривалістю (менше 10 років), значення коефіцієнта варіації визначають за наближеним виразом:

 

,

 

де М₀ – норма стоку;

F – площа водозбирання.

Значення с_s приймається з відношення c_s = 2c_v..

Внутрішньорічний розподіл стоку залежить від кліматичних умов і наведений в табл. 4.2 для макрорегіонів країни. Він служить при розрахунках, коли відсутня інформація для конкретного об’єкта. В табл. 4.3 наводиться наближена величина питомих максимальних витрат весняних паводків. Для отримання розрахункової величини, необхідно табличні дані помножити на площу водозбору. Максимальні літньо-осінні дощові паводки значно нижчі весняних.

4.2.3 Визначення об’єму водосховища.

Для визначення об’єму водосховища спочатку будують сімейство кривих площі дзеркала водосховища для кожної його горизонталі, починаючи з внутрішньої. Результати замірів і розрахунків наносять на карту в горизонтальних і вертикальних площинах.

Об’єм води між двома сусідніми горизонталями буде становити:

 

, м³

 

де F₁ та F₂ – площі дзеркал сусідніх горизонталей;

h – вертикальна відстань між горизонталями.

Загальний об’єм буде складати:

де W_i – об’єм між двома сусідніми горизонталями.

Частина загального об’єму не використовується для виробітку енергії і служить як для забезпечення водопостачання споживача, так і для нормального функціонування водосховища (відкладення наносів, утворення льоду та ін.). Даний шар води носить назву мертвого об’єму на противагу корисному (або робочому), що відпрацьовується гідроелектростанцією.

Таблиця 4.2 – Внутрішньо річний розподіл стоку річок України ( в долях норми стоку)

 

№ районів	Географічний район	Місяці та декади
I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	ІХ	Х	ХІ	ХІІ
	Басейни рік середнього Дніпра	0,3	0,3	0,5	2,2	8,0	2,8	1,9	1,3	0,9	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,7	0,7	0,6	0,8	1,0	0,5
	Басейни рік Сів. Донця	0,3	0,3	0,3	1,0	2,0		4,0	1,9	1,0	1,0	1,0	0,7	0,7	0,7	0,6	0,6	0,5	0,5	0,7	0,4
	Басейни рік нижнього Дніпра та Пів. Буга	0,35	0,5	0,7	4,0		4,0	1,1	1,0	0,8	0,8	0,8	0,6	0,6	0,6	0,5	0,3	0,25	0,3	0,4	0,4

 

 

Таблиця 4.3 – Розрахункові витрати весняних паводків 5% забезпеченості

  4.2.4 Гідроенергетичні розрахунки. Вихідними даними для гідроенергетичних розрахунків є відомості про витрати ріки, потреби води на зрошення,…

Таблиця 5.1 – Залежність потужності генератора від річного завантаження

  5.2 Розрахунок основних блоків технологічного обладнання біогазових…  

Таблиця 6.1 – Показники схем геотермального теплопостачання

При практичній реалізації вищевказаних схем слід враховувати, що теплоносієм є корозійно-активна, високомінералізована речовина, яку неможливо… На термозаборі (одна або декілька об’єднаних свердловин) передбачається… Таким чином, до схеми геотермального теплопостачання входять наступні блоки: система видобувних свердловин,…