Методика энергетических и прочностных расчетов ветроэлектрической установки

В начале XXI века общество столкнулось с необходимостью пересмотра стратегии использования традиционных источников энергии. Дальнейшее использование органического топлива в таком объеме может привести к непоправимым последствиям. Это связано, прежде всего, с загрязнением окружающей среды продуктами сжигания и отходами переработки этих источников, а также их исчерпаемостью. В сложившейся ситуации реальной альтернативой использованию ископаемых источников энергии являются возобновляемые источники энергии [83Д1,91В1,96Д1,00Б1].

Одно из первых мест по мировому запасу среди возобновляемых источников энергии занимает энергия ветрового потока [90Т1,00Б1]. В России экономический потенциал энергии ветрового потока составляет порядка 10 млн. тут [02Б1]. При этом полноценное использование этого ресурса требует решения различных задач из самых различных областей науки и техники. Не последнее место в этом ряду занимает целый спектр задач связанных с оптимизацией параметров ветроэлектрической установки (ВЭУ) [83Н1,96В1,96М1].

В последние десятилетия возрос интерес к использованию энергии ветра, и ВЭУ начали проектировать и возводить и в нашей стране. Сравнительно небольшой опыт оптимизации параметров ВЭУ в России рассматривался и ранее [57М1,72Ш1,82И1], однако отечественных методик, рассматривающих эксплуатацию ВЭУ в различных природно-климатических условиях до настоящего времени практически нет. До настоящего момента этим вопросам не было уделено должного внимания.

Вопросы оптимизации параметров ВЭУ, с учетом комплекса природно-климатических факторов за рубежом тоже начали серьезно рассматриваться сравнительно недавно [93Т1,93?1,95Т1]. Это связано, прежде всего, с возросшим интересом к возобновляющимся источникам энергии в целом и, к ветроэнергетике в частности. Поэтому намечен ряд вопросов, связанных с особенностью проектирования ВЭУ для районов с различными природно-климатическими условиями, на которые, в данной диссертационной работе решено обратить особое внимание. Особенно важно, по мнению автора, учесть следующие аспекты проектирования ВЭУ:

• Так как ветроэлектростанции (ВЭС), как правило, строятся в составе нескольких ВЭУ, необходимо учесть и исключить влияние на их выработку электроэнергии препятствий и помех, а так же их влияние друг на друга;

• ВЭС предполагаются к строительству в самых разнообразных условиях нашей страны, в том числе в районах Крайнего Севера и сейсмически активных районах, т. е. возникает необходимость в разработке методики проектирования ВЭУ в указанных районах с учетом их специфики.

Вопросы проектирования и строительства гражданских и промышленных сооружений отражены в многочисленных литературных, справочных и нормативных источниках, например [82С1,84Р1,85С1,86Д1,86С1,87С2,88Г1]. Однако ВЭУ, как строительная конструкция имеет ряд особенностей и требует особого подхода к вопросу проектирования и оптимизации, как отдельных ее частей, так и всей конструкции в целом.

Актуальность темы

диссертационной работы определяется современным состоянием развития ветроэнергетики и связанной с этим необходимостью разработки энергетических технологий, обеспечивающих высокий социальный эффект и минимальное воздействие на окружающую среду.

Согласно мировому опыту, наиболее часто (порядка 90%) в современной ветроэнергетике применяются ВЭУ башенного типа с условно горизонтальной осью вращения ветроколеса (ВК) [93\П, 99И1]. Данные ВЭУ обладают определенной спецификой по сравнению с другими промышленными конструкциям: на металлической башне высотой 40 и более метров располагается поворачивающаяся в зависимости от направления ветра гондола, масса которой составляет десятки тонн, с ВК, имеющим лопасти большого размера (диаметром до 100 м и более). В результате на отдельные элементы конструкции и плоскость фундамента передаются значительные вертикальные, горизонтальные и моментные (крутящие и изгибающие) статические и динамические нагрузки, которые необходимо подсчитывать с учётом различных внешних и внутренних факторов воздействия и соответствующих им расчётных сочетаний нагрузок.

На стадии технико-экономического обоснования той или иной ВЭС возникает необходимость проведения целого ряда трудоемких расчетов по оптимизации её параметров, с целью получения максимально достоверных результатов. Для быстрого и многовариантного расчета таких задач необходимо по возможности алгоритмизировать методики расчета и реализовать их в программном обеспечении.

В настоящее время многими фирмами [90В1,90В2], особенно зарубежными, выпускается широкая гамма ВЭУ, удовлетворяющих современным требованиям, поэтому при проектировании ВЭС, как правило, уже заранее известен тип и основные параметры ВЭУ, однако представляется не менее важным и актуальным решить вопрос оптимального размещения ВЭС на местности и возведения ВЭУ.

Цель работы заключалась в разработке и реализации методик обоснования параметров ВЭУ с позиции обеспечения максимальной эффективности и безопасности эксплуатации системы. В этом направлении были поставлены следующие задачи:

1. Классифицировать природно-климатические факторы окружающей среды по виду взаимодействия, определяющих основные параметры ВЭУ;

2. разработать методику достоверного определения выработки электроэнергии проектируемой ВЭС в зависимости от местных условий;

3. создать методику строительного проектирования ВЭУ в конкретных инженерно-геологических условиях как системы «ВЭУ-ФУНДАМЕНТ-ОСНОВАНИЕ» ;

4. Разработать комплекс программ для реализации расчёта основных параметров ВЭУ.

Научная новизна.

1. Впервые проведена обобщенная классификация факторов взаимодействия ВЭУ с окружающей средой.

2. Предложена методика определения энергетических параметров ВЭС с учетом местного ветрового режима, орографии близлежащей местности и инженерно-геологических условий;

3. Разработана методика и алгоритм расчета нагрузок, действующих на элементы ВЭУ, ее фундамент и основание;

4. Создан комплекс программ для расчета фундаментов ВЭУ для различных типов основания.

Практическая значимость и внедрение. Предложена методика оптимизации параметров ВЭУ в зависимости природно-климатических условий, обеспечивающая учёт значительного числа факторов взаимодействия ВЭУ с окружающей средой. Разработаны прикладные программы, ориентированные для использования при сборе нагрузок и проектировании фундаментов.

Многие из результатов теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе кафедры «Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика» ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» при подготовке инженеров по специальностям 140 202 «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» и магистров по программе 551 706 «Преобразование возобновляемых видов энергии, установки и комплексы на их основе» в виде учебных методик исследований, методических рекомендаций для курсового и дипломного проектирования и подготовке магистерских диссертаций.

Апробация работы проведена на российских и международных научно-технических конференциях. Основные положения диссертационной работы докладывались автором на научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых РАН и высшей школы «Социально-экономическое развитие и экологическая безопасность регионов России» (Санкт-Петербург, 1999), 3-м международном форуме Экобалтика 2000 (Санкт-Петербург, 2000), Политехническом симпозиуме «Молодые ученые — промышленности Северо-Западного региона» (Санкт-Петербург, 2003), научных семинарах кафедры «Возобновляющиеся источники энергии и гидроэнергетика», а так же при составлении технико-экономического обоснования проекта по строительству на Чукотке (в районе г. Анадырь) ветровой электростанции мощностью 1 МВт.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 учебных пособия.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 167 наименований. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 17 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведена классификация факторов по типу взаимодействия ветроэлектрической установки с окружающей средой.

2. Решена задача оптимизации энергетических и конструктивных параметров ветроэлектрической установки, с учётом инженерно-геологических условий места возведения.

3. Проанализированы и классифицированы факторы неблагоприятного воздействия ветроэлектрических установок на окружающую среду и на человека. Сформулированы основные направления минимизации негативного воздействия по каждому из воздействий.

4. Разработана методика определения основных инженерно-строительных параметров ветроэлектрической установки в условиях Крайнего Севера (вечномерзлые грунты), а так же в условиях сейсмической активности.

5. Доказано, что на стадии технико-экономического обоснования ветроэлектростанции, при проведении динамических расчётов ветроэлектрической установки при модулях деформации грунта основания > л.

5000 тс/м можно использовать приближенную расчётную схему в виде упругой консоли.

6. На основе пилотного проекта ветроэлектрической станции в районе города Анадырь, выполнен расчет выработки электроэнергии ВЭС, и инженерно-строительных параметров ВЭУ, с учетом специфики района. Показано, что в случаях применения свайного фундамента для вечномерзлых грунтов наиболее опасным случаем, является случай сжатия буроопускных свай. При этом показано, что увеличение диаметра скважины существенно влияет на глубину погружения сваи и размеры ростверка.