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

УДК 621.3

РАЗРАБОТКА СОЛНЕЧНО-ВЕТРОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ДЛЯ ОТДАЛЕННЫХ ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОЯНОК В РЕСПУБЛИКЕ КАЛМЫКИЯ

© 2017 г. В.А. Эвиев, СД. Шапошников, С.Д. Хулхачиева

Республика Калмыкия обладает огромными ресурсами энергии на возобновляемых источниках (ВИЭ): годовой потенциал оценивается в следующих величинах: солнечная энергия - 12,9 млрд т.у.т. (105 млн ГВт-ч), ветровая -2,8 млрд т.у.т. (23 млн ГВтч), биомасса - 497 млн т.у.т. (4 ГВтч). Эти показатели, а также сложившаяся экологическая и экономическая ситуация, проблемы, связанные с энергоснабжением и водоснабжением отдаленных объектов в регионе, были учтены авторским коллективом при разработке в 2013 году инновационной концепции разработки и создания энергетических комплексов, преобразующих энергию ветра и солнца. Авторский коллектив состоит из сотрудников инженерно-технологического факультета и молодёжного научного производственного центра «Конструктор» ФГБОУ ВО «Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова». В 2014 году была разработана и изготовлена аэродинамическая труба, оснащенная высокоточным измерительным комплексом. В 2015 г. начались полевые конструкторские испытания разработанного и изготовленного опытного образца ветровой энергетической установки (ВЭУ) проектной мощностью 3 кВтч как автономного устройства и как энергоблока комплекса для совместной работы с солнечной батареей. В результате проведенных полномасштабных испытаний, лабораторных исследований и экспериментов была получена обширная информационная база, подтверждающая правильность разработанной принципиальной схемы ВЭУ. Научная новизна разработки подтверждена патентом Российской Федерации № 157835 от 19 ноября 2015 года «Энегетическая установка с выпускным воздуховодом». Патентообладатель - ФГБОУ ВО «Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова».

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, аэродинамическая труба, солнечная батарея, энергия

ветра.

The Republic of Kalmykia possesses huge energy resources on renewable energy sources (RES): the annual potential is estimated in the following values: solar energy is of 12,9 billion TOE (105 million GWh), wind power is of 2.8 billion TOE (23 million GWh), biomass is of 497 million TOE (4 GWh). These indicators, as well as the current environmental and economic situation, problems related to energy and water supply to remote sites of the region, were taken into account by the team of authors when developing in 2013 an innovative concept for the designing and creation of energy complexes that convert wind and solar energy. The author's team consists of the employees of the Engineering technological faculty and the Youth scientific production center «Designer» of FSBEI HE «Gorodovikov Kalmyk State University». In 2014, there was developed and manufactured an aerodynamic pipe, equipped with a high-precision measuring system. In 2015, there were started the field design tests of the developed and manufactured prototype of a wind power plant (WPP) with a design capacity of 3 kWh, both as an autonomous device and as a power unit of a complex working together with a solar battery. As a result of full-scale tests, laboratory studies and experiments, there was obtained an extensive information base, confirming the correctness of the designed circuit diagram of the wind turbine. The scientific novelty of the design is confirmed by the patent of the Russian Federation No. 157835 dated November 19 th, 2015 «The power plant with discharge air duct». The patent holder is FSBEI HE «Gorodovikov Kalmyk State University».

Keywords: renewable energy sources, aerodynamic tube, solar battery, wind power.

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

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

Юг России, частью которого является Калмыкия, отличается также превышением

среднероссийского уровня по интенсивности ветра и солнечному потенциалу, количеству солнечных и ветровых дней в году.

Обзор проблематики. В настоящее время Республика Калмыкия не имеет действующих электрических генерирующих мощностей. Электроснабжение республики осуществляется за счет электроэнергии, закупаемой на Федеральном оптовом рынке электроэнергии и мощности. Тарифы на электроэнергию для конечных потребителей в Республике Калмыкия выше в сравнении с регионами Южного федерального округа. Основными причинами высоких цен на электроэнергию являются отсутствие

крупных промышленных потребителей, низкая плотность населения и разбросанность населенных пунктов по территории республики, что обуславливает большую протяженность линий электропередачи и большие затраты по их содержанию.

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

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

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

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

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

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

- реализация крупных проектов, в частности ветропарков;

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

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

А - среднегодовая скорость ветра 4,2-4,9 м/с; Б - среднегодовая скорость ветра 4,9-5,6 м/с; В - среднегодовая скорость ветра 5,6-6,2 м/с; Г - среднегодовая скорость ветра 6,2 м/с и более Рисунок 1 - Карта-схема районирования Калмыкии по ветровым ресурсам

Методика экспериментальных исследований. Авторским коллективом, состоящим из студентов и сотрудников, проводится активная работа по всем направлениям возобновляемой энергетики: разработка ресурсосберегающих технологий при эксплуатации ДВС, разработка и изготовление ветроэнергетических

установок, применение солнечных устройств для подъема воды из колодцев и скважин [4].

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

Рисунок 2 - Структурная схема солнечно-ветрового энергетического комплекса

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

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

Рисунок 3 - Экспериментальный образец вертикально-осевого ВЭУ КалмГУ

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

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

Отмечено, что в конструкциях вертикальных ВЭУ есть один существенный недостаток -во время их работы перед препятствием (лопастным элементом ротора) образуется воздушная подушка, взаимодействуя с которой новые порции ветра расходуются по сторонам (это отмечено во время пыльных бурь) и не менее 3040% энергии ветра уходит и не принимает участия в давлении на лопасти.

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

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

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

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

Р=1/2 р ^?7г77м Э V-3,

где р =1,225 кг/м3 - удельная плотность воздуха при температуре 18 "С; - коэффициент преобразования энергии ветра, теоретическое значение которого по теории Н.Е. Жуковского составляет 0,593;

т]г - КПД генератора, обычно составляет 0,95;

77м - КПД мультипликатора, обычно составляет 0,95;

Э - площадь, ометаемая ветроколесом, м2;

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

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

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

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

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

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

1 - ротор ветродвигателя; 2 - вал ветродвигателя; 3 - подвижный корпус ветродвигателя; 4 - воздухозаборник; 5 - выпускная труба эжекторного типа; 6 - стабилизатор подвижного корпуса ветродвигателя; 7 - подшипниковая опора; 8 - блок-каркас; 9 - гидравлическая система тормозов; 10 - редуктор; 11 - генератор; 12 - соединительная муфта; 13 - корпус мачты; 14 - основание Рисунок 4 - Принципиальная схема усовершенствованной ВЭУ

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

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

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

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

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

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

2. Разработка и широкое внедрение бытовых солнечных водонагревательных установок.

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

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

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

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

Литература

1. Предпосылки развития энергетики на основе возобновляемых источников энергии в Республике Калмыкия в контексте геоэкологических проблем / К.С. Дегтярёв, Т.И. Андреенко, А.М. Залиханов, А.А. Соловьёв // C5. Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. - Москва, 2015. - С. 47-51.

2. Эвиев, В.А. Перспективы использования возобновляемых источников энергии в Республике Калмыкия / В.А. Эвиев // Энергосберегающие технологии. Проблемы эффективного использования: материалы II Международной научно-практической конференции. - Волгоград: Изд-во ВГСХА, 2007. - С. 87-91.

3. Эвиев, В.А. Создание системы гарантированного электроснабжения потребителей на основе возобновляемых источников энергии / В.А. Эвиев, Н.Г. Очиров // Инновационные технологии в управлении, образовании и промышленности «АСТИНТЕХ-2008». - Астрахань: Изд. дом «Астраханский ГУ», 2008. - С. 90-92.

4. Эвиев, В.А. Конструктивные и энергетические характеристики вертикально-осевой ветроэнергетической установки / В.А. Эвиев, Б.Т. Каруев, Н.С. Курдюков // Со-

временное состояние, проблемы и перспективы использования возобновляемых источников энергии: материалы Регионального научно-практического семинара, посвященного 400-летию добровольного вхождения калмыцкого народа в состав Российского государства, 8-9 октября 2009 г., Элиста. - Элиста: Изд-во КалмГУ, 2009. - С. 105107.

5. Эвиев, В.А. Возобновляемые источники энергии в сельскохозяйственном производстве Республики Калмыкия / В.А. Эвиев, Т.В. Манджиева // Возобновляемые источники энергии. Потенциал, достижения, перспективы: материалы Международного семинара экспертов, 22-24 февраля 2011 г., Минск. - Минск: Беларус. наука, 2011. -С. 62-70.

References

1. Degtjarjov K.S., Andreenko T.I., Zalihanov A.M., Solov'jov A.A. Predposylki razvitija jenergetiki na osnove vo-zobnovljaemyh istochnikov jenergii v Respublike Kalmykija v kontekste geojekologicheskih problem [Prerequisites for the development of power engeneering based on renewable energy sources in the Republic of Kalmykia in the context of geoecological problems], cb. Moskovskogo gosudarstvenno-go universiteta im. M.V. Lomonosova, 2015, pp. 47-51.

2. Jeviev V.A. Perspektivy ispol'zovanija vozobnovl-jaemyh istochnikov jenergii v Respublike Kalmykija [Prospects for the using renewable energy sources in the Republic of Kalmykia], Jenergosberegajushhie tehnologii. Problemy jeffektivnogo ispol'zovanija: materialy II Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Volgograd, Izd-vo VGSHA, 2007, pp. 87-91.

3. Jeviev V.A., Ochirov N.G. Sozdanie sistemy garan-tirovannogo jelektrosnabzhenija potrebitelej na osnove vo-zobnovljaemyh istochnikov jenergii [Creation of guaranteed electricity supply system to consumers based on renewable energy sources], Innovacionnye tehnologii v upravlenii, obra-zovanii i promyshlennosti «ASTINTEH-2008», Astrahan', Izd. dom «Astrahanskij GU», 2008, pp. 90-92.

4. Jeviev V.A., Karuev B.T., Kurdjukov N.S. Konstruk-tivnye i jenergeticheskie harakteristiki vertikal'no-osevoj vetro-jenergeticheskoj ustanovki [Constructive and power characteristics of vertically axial wind power plant], Sovremennoe sos-tojanie, problemy i perspektivy ispol'zovanija vozobnov-ljaemyh istochnikov jenergii: Materialy Regional'nogo nauch-no-prakticheskogo seminara, posvjashhennogo 400-letiju dobrovol'nogo vhozhdenija kalmyckogo naroda v sostav Ros-sijskogo gosudarstva 8-9 oktjabrja 2009 g., Jelista, Izd-vo KalmGU, pp. 105-107.

5. Jeviev V.A., Mandzhieva T.V. Vozobnovljaemye istochniki jenergii v sel'skohozjajstvennom proizvodstve Res-publiki Kalmykija [Renewable energy sources in the agricultural production of the Republic of Kalmykia], Vozobnovljaemye istochniki jenergii. Potencial, dostizhenija, perspektivy. Materialy mezhdunarodnogo seminara jekspertov, 22-24 fevralja 2011 g., Minsk, Belarus. nauka, 2011, pp. 62-70.

Сведения об авторах

Эвиев Валерий Андреевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Агроинженерия», ФГБОУ ВО «Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова» (Россия). E-mail: aviev@yandex.ru.

Шапошников Сергей Дмитриевич - научный сотрудник научного отдела, ФГБОУ ВО «Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова» (Россия). E-mail: sro08@yandex.ru.

Хулхачиева Светлана Дмитриевна - старший преподаватель кафедры «Агроинженерия», ФГБОУ ВО «Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова» (Россия). E-mail: s_bavueva@mail.ru.

Information about the authors

Eviev Valeriy Andreevich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Agroengineering department, FSBEI HE «Gorodovikov Kalmyk State University» (Russia). E-mail: aviev@yandex.ru.

Shaposhnikov Sergey Dmitrievich - scientific employee of the scientific department, FSBEI HE «Gorodovikov Kalmyk State University» (Russia). E-mail: sro08@yandex.ru.

Khulkhachieva Svetlana Dmitrievna - senior lecturer of the Agroengineering department, FSBEI HE «Gorodovikov Kalmyk State University» (Russia). E-mail: s_bavueva@mail.ru.