Применение солнечных и ветровых энергетических установок в городской среде

6. Калмыков Б. Ю., Петриашвили И. ^.Экспериментальное исследование прочностных характеристик кузова автобуса // Инженерный вестник Дона, 2014. Т. 29. № 2. С. 38.

7. Прокопов А. Ю., Калмыков Б. Ю. Метод распределения потенциальной энергии по несущим элементам кузова автобуса при его опрокидывании // Научное обозрение, 2014. № 11-3. С. 709-712.

Применение солнечных и ветровых энергетических установок

в городской среде Беляев П. В.1, Подберезкин Д. А.2, Мищенко В. С.3, Эм Р. А.4

'Беляев Павел Владимирович /Belyaev Pavel Vladimirovich — кандидат технических наук;

2Подберезкин Дмитрий Анатольевич /Podberezkin Dmitry Anatolyevich — студент магистратуры, кафедра электрической техники, факультет электроэнергетики, Энергетический институт Омский государственный технический университет;

3Мищенко Владимир Сергеевич /Mishchenko Vladimir Sergeevich — студент магистратуры, кафедра электрической техники, факультет электроэнергетики, Энергетический институт Омский государственный технический университет, преподаватель, Омский промышленно-экономический колледж;

4Эм Роман Артурович / Em Roman Arturovich — студент, кафедра электрической техники, факультет электроэнергетики, Энергетический институт Омский государственный технический университет, г. Омск

Аннотация: в данной работе исследованы перспективы использования возобновляемых источников энергии. Рассмотрено применение солнечных и ветровых энергетических установок в городской среде на конкретных примерах. В завершение представлены выводы о целесообразности применения данных установок.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, солнечные/ветровые энергетические установки.

Неограниченное использование ископаемого топлива на протяжении многих десятилетий привело к глобальному ухудшению экологической обстановки на планете [1]. Альтернативным источником энергоресурсов стали возобновляемые источники энергии, что сосредоточило внимание и спрос на них по всему миру. Наиболее широкое распространение получили ветрогенераторы. Конструктивно ветровые турбины могут быть разделены на две основные группы: горизонтально-осевые турбины и вертикально-осевые турбины [2].

На начальных этапах развития ветроэнергетики все исследования были сосредоточены на горизонтально осевых ветровых турбинах. Однако в последнее время данная тенденция изменилась в сторону вертикально осевых ветровых турбин ввиду ряда технических преимуществ и их независимости от направления ветра [3]. Исследования в области малых ветроустановок вертикального типа, с диаметром ротора всего несколько метров, подтверждают рентабельность их применения. Их установка возможна как в крупных городах, так и в сельских населенных пунктах с децентрализованной сетью электроснабжения. Малые вертикально-осевые турбины могут быть интегрированы в здания, уже начиная с этапа проектирования [4].

Важным аспектом при выборе места расположение ветроустановки являются условия возникновения явления турбулентности. Исследования показали, что в случае квадратной и прямоугольной конструкции здания, потоки ветра распределяются равномерно вдоль крыш и основных сторон по всей высоте здания. На торцевых же сторонах зданий зарегистрированы более высокие значения потоков ветра вихревого характера [5]. Устранить данную особенность возможно при наличии оригинальных архитектурных решений в форме здания. Примером может послужить жилой дом в Лондоне, форма которого представляет собой парус. Такая форма обеспечивает концентрацию потоков ветра и направление их к ветровым турбинам (рис. 1) [6].

Рис. 1. Конструкция здания, исключающая влияние вихревых потоков ветра

Стоит отметить, что турбулентность не часто встречается в случае построек треугольной или круглой формы. Это делает их более предпочтительными для применения систем генерации энергии ветра.

Основными недостатками ветрогенераторов являются шум и вибрация, которые могут возникнуть при работе ветровой турбины. Однако экспериментально подтверждено, что ветрогенераторы малой мощности соответствуют всем установленным нормам по вибрации и шуму для жилых и офисных зданий и негативных последствий не несут [5].

Для улучшения энергетических показателей вертикально-осевой турбины установленной на крыше высотного здания также существует несколько инновационных разработок. Примером может послужить устройство под названием «всесторонне направленная лопасть (отпм!1гес11юпа1^ш1е^апе (ODGV))». Его функциональная особенность заключается в том, что оно увеличивает скорость поступающего ветра еще до его взаимодействие с лопатками ветрогенератора и позволяет увеличивать скорость вращения ротора до 125%. Выходная производимая мощность однолопастной турбины, при использовании ODGV, увеличивается на 206%. Внешний вид конструкции показан на рисунке 2.

Рис. 2. Внешний вид конструкции ODGV

Конструкция ОБОУ позволяет разместить на ее внешней верхней части дополнительный возобновляемый источник энергии - солнечные панели [7].

Гибридные схемы электроснабжения, использующие в качестве источника электроэнергии ветровые турбины и солнечные панели (рис. 3), широко распространены в настоящее время. Такая

система является более надежной, так как совместное использование двух источников позволяет компенсировать недостатки каждого из них.

1

а  О а J )

Рис. 3. Гибридная система электроснабжения здания: 1 — ветроэнергетическая установка; 2 — солнечная панель;

3, 5 — контроллер; 4 — центральный пункт постоянного тока; 6 — инвертор; 7 — блок аккумуляторов;

8 — распределительный пункт переменного тока

В солнечные дни здание получает основную часть электроэнергии от солнечных панелей. В пасмурные дни или в ветреную погоду электроснабжение будет осуществляться за счет ветрогенератора. Контроллеры автоматизируют процессы переключения между источниками. Инвертор в данной схеме отвечает за преобразование выработанной энергии постоянного тока в энергию переменного тока, для возможности последующего её использования в быту. При максимальной эффективности источников, излишняя энергия накапливается в аккумуляторах, после чего также может быть использована [8].

Выходная мощность ветровой турбины определяется по следующей формуле [9]:

РтЫа = 0,5-Ср

где р - плотность воздуха, Ср(Х) - коэффициент мощности, А - площадь поперечного сечения турбины, и и - скорость ветра.

X =

где Юг - скорость вращения турбины, R - радиус турбины.

Выходная мощность блока подключенных фотоэлектрических модулей [10]

Рру = I] ру  1ру;

где иРУ - выходное напряжение блока фотоэлектрических модулей, 1РУ - выходной ток блока фотоэлектрических модулей.

Для того чтобы получить необходимый уровень напряжения, аккумуляторы в гибридных схемах электроснабжения подключаются последовательно. Расчет количества необходимых аккумуляторов одного типа проводится по формуле

;

где иВаГ напряжение одного аккумулятора.

Приведенная схема электроснабжения за счет возобновляемых источников энергии является практически бесперебойной, что, безусловно, является важным фактором при выборе источников

электроснабжения. К тому же технико-экономические расчеты показывают, что совместное использование ветровых и солнечных установок экономически выгоднее, чем использование их по отдельности [11]. Выводы

Интеграция возобновляемых источников энергии в систему электроснабжения городских районов имеет большой потенциал. Применение в городских районах ветроэнергетических установок и солнечных станций для дополнительного или резервного питания городских зданий помогло бы разгрузить центральную систему электроснабжения и повысить качество электроэнергии. Долгосрочной перспективой станет распространение использования возобновляемых источников электроэнергии для повседневной жизни и частичный отказ от центральной системы генерации электричества.

Литература

1. Беляев П. В., Подберезкин Д. А. Применение топливных элементов с протонообменной мембраной // Вестник науки и образования, 2016. № 5 (17). С. 15-17.

2. P'yankov K. S., Toporkov M. N. Mathematical modeling of flows in wind turbines with a vertical axis // Fluid Dynamics, 2014. Т. 49. № 2. С. 249-258.

3. Абрамовский Е. Р. и др. Сравнительный анализ аэродинамических и энергетических характеристик ветродвигателей разного типа, предназначенных для применения в городских условиях // Системне проектування та анатз характеристик аерокосмiчноi технжи, 2013. № 15. С. 16-26.

4. Dumitrache A. et al. Influences of some parameters on the performance of a small vertical axis wind turbine // Renewable Energy and Environmental Sustainability, 2016. Т. 1. С. 16.

5. Park S. H. et al. The performance of small wind power generation systems on super high-rise buildings // International Journal of Steel Structures, 2014. Т. 14. № 3. С. 489-499.

6. Елистратов В. В., Боброва Д. М. Ветроэнергетические установки - архитектурный элемент здания // Журнал «AMIT» Архитектура и современные информационные технологии. Международный электронный научно-образовательный журнал, 2013. № 2. С. 23.

7. Chong W. T. et al. Vertical axis wind turbine with omni-directional-guide-vane for urban high-rise buildings // Journal of Central South University, 2012. Т. 19. № 3. С. 727-732.

8. Soysal O. A., Soysal H. S. A residential example of hybrid wind-solar energy system: WISE // Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, 2008 IEEE. - IEEE, 2008. С. 1-5.

9. Apelfrojd S., Eriksson S., Bernhoff H. A Review of Research on Large Scale Modern Vertical Axis Wind Turbines at Uppsala University // Energies, 2016. Т. 9. № 7. С. 570.

10. Engin M. Sizing and simulation of PV-wind hybrid power system // International Journal of Photoenergy, 2013. Т. 2013.

11. Rama Subba Reddy G., Rashid S. Feasibilty of Wind-Solar Hybrid System for Cleveland, Ohio, USA // Smart Grid and Renewable Energy, 2011. Т. 2011.

Экспериментальное определение теплотехнических характеристик протяжной

печи

Рябчиков М. Ю.1, Берестов А. П.2

'РябчиковМихаил Юрьевич /RyabchikovMikhail Yurevich — кандидат технических наук, доцент; 2Берестов Алексей Павлович / Berestov Alexey Pavlovich — студент, кафедра автоматизированных систем управления, Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова, г. Магнитогорск

Аннотация: в работе рассмотрена проблема экспериментального определения тепловой емкости и внешних тепловых потерь для протяжной печи башенного типа. Решение данной задачи позволяет получить сравнительные оценки эффективности различных режимов управления отжигом полосы на агрегате непрерывного горячего оцинкования с позиции требуемых затрат топлива и доли дефектной продукции.

Ключевые слова: агрегат непрерывного горячего оцинкования, тепловая емкость, внешние тепловые потери, моделирование нагрева печи.

УДК 621.771.23