Техническое обеспечение призводства молока в РУСП «Племзавод «Тимоново» Климовичского района с усовершенствованием ротора ветроэнергетической установки ВЭУ – 5(6)

СОДЕРЖАНИЕ
 Введение
1. Производственно-техническая характеристика РСУП «Племзавод
 «Тимоново» Климовичского района Могилевской области
1.1. Общие сведения
1.2. Природно-климатические условия
1.3. Спецификация хозяйства
1.4. Характеристика растениеводства и животноводства
1.5. Характеристика технической базы хозяйства
1.6. Характеристика молочной фермы
1.7. Обоснование темы проекта
2. Проектирование технологического процесса производства
 молока на ферме 400 голов беспривязно содержания
2.1. Выбор способа содержания
2.2. Расчет структуры стада и запаса кормов
2.3. Расчет потребности в кормах и хранилищах
2.4. Разработка технологического процесса приготовления кормов
2.5. Выбор машин и оборудования для приготовления и раздачи
 кормов
2.6. Определение суточной потребности комплекса машин в воде и
 электроэнергии
2.7. Проектирование генплана фермы и помещений коровника
2.8. Рекомендации по механизации прочих процессов на ферме
2.8.1. Водоснабжение, автопоение
2.8.2. Доение
2.8.3. Первичная обработка и хранение молока
2.8.4. Определение выхода навоза и расчет вместимости
 навозохранилища
2.8.5. Расчет потребности в навозохранилищах
2.9. Микроклимат
2.9.1. Расчет вентиляции
2.9.2. Расчет отопления коровника
2.9.3. Освещение коровника
3. Конструкторская разработка по модернизации ВЭУ
3.1. История развития использования ветра
3.2. Обзор существующих конструкций
3.3. Развитие отечественной ветроэнергетики, ее оценка по мощности,
 размерам, массе
3.4. Обоснование конструкторской разработки
3.5. Расчет концентраторов
3.6. Расчеты формы тыльной стороны лопасти
3.7. Расчет резьбового соединения лопасти с диском ротора
3.8. Расчеты быстроходности ветроколеса, стартового и
 максимального вращающих моментов
4. Технико-экономическое обоснование проекта
4.1. Разработка технологической карты комплексной механизации
4.2. Расчет экономической эффективности проектируемых решений
4.3. Расчет экономической эффективности конструкторской
 разработки
5. Охрана труда
5.1. Анализ состояния охраны труда в РСУП «Племзавод «Тимоново»
5.2. Мероприятия по улучшению охраны труда в хозяйстве
6. Энергосбережение
6.1. Мероприятия по энергосбережению
6.2. Пути эффективного использования топливно-энергетических
 ресурсов
6.3. Требования, предъявляемые к экономии энергии на создание
 микроклимата
6.4. Основные технические приоритеты в области энергосбережения
6.5. Основные пути снижения потерь энергии в сетях
 Заключение
 Литература
 Приложения



3. Конструкторская разработка по модернизации ВЭУ

3.1. История развития использования ветра

Первый ветродвигатель был, вероятно, простым устройством с вертикальной осью вращения, таким, например, как устройство, применявшееся в Персии за 200 лет до нашей эры для размола зерна. Использование такой мельницы с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, состоящая из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до настоящего времени во многих странах бассейна Средиземного моря.
В XI в. ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и попали в Европу в XIII в. при возвращении крестоносцев. В средние века в Европе многие поместные права, включая и право отказа в разрешении на строительство ветряных мельниц, вынуждали арендаторов иметь площади для посева зерна около мельниц феодальных поместий. Посадки деревьев вблизи ветряных мельниц запрещались для обеспечения «свободного ветра».
В XIV в. голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветряных мельниц и широко использовали их с этого времени для осушения болот и озер в дельте р. Рейн. Между 1608 и 1612 гг. польдер* Беемстер, находившийся на три метра ниже уровня моря, был осушен с помощью 26 ветродвигателей мощностью 37 кВт каждый.
Позже известный инженер-гидравлик Лигвотер, применив 14 ветродвигателей производительностью 1000 м3/мин, перекачивавших воду в аккумулирующий бассейн, осушил за четыре года польдер Шермер. Затем 37 ветродвигателей перекачивали воду из бассейна в кольцевой канал, откуда она попадала в Северное море.
Рисунок 3.1 иллюстрирует типы парусных крыльев в последовательности их развития и усовершенствования:




* польдеры — низменные места, которые предполагается осушить



Рис. 3.1. Типы парусных крыльев:
а — наиболее старинный тип с двусторонним расположением крыла (около 1600 г.): 1 — клинья; 2—срезанный конец; 3 — мах; б — традиционная форма старинного датского типа (одна опорная полка вынесена вперед): 1 — убирающееся полотнище паруса: 2 — опорная полка; 3 — передняя кромка; 4 — концевая планка; 5 —продольные связи; 6 — рейка; в — крыло с жалюзи и воздушным тормозом: 1 — жалюзи; 2 — тормозные жалюзи; г — крыло с жалюзи и щитком: 1 — жалюзи; 2 — щиток.

На современном этапе главное направление в использовании энергии ветра - выработка электроэнергии, хотя не отказались и от перекачки воды, и от использования парусов на судах (иногда достаточно крупных с управляемыми компьютером парусами).
Новый подход к реализации энергии ветра в форме электроэнергии заставил многие страны в первую очередь оценить имеющийся ветроэнергетический потенциал на своих территориях и включить ветроэнергетику в национальные энергетические программы.
Наиболее благоприятными районами с высокой энергией ветра являются побережье морей и океанов, прибрежные (шельфовые) воды, предгорья, тропическая зона с устойчивыми ветрами, Средиземноморье, степные районы и др. От Солнца Земля получает энергии 100 трлн. кВт•ч. Лишь 1 - 2% от этого колоссального количества энергии преобразуется в энергию движения воздушных масс. Иными словами - в ветер. Энергия ветра огромна. По оценке Всемирной метеорологической организации со-ставляет 170 трлн. кВт-ч в год, на территории Республики Беларусь - 2,17•106 т условного топлива в год. Суммарная энергия ветра доступная технически, оценивается величиной порядка 53 трлн. кВт•ч в год, что примерно в четыре раза превышает ежегодное мировое потребление электроэнергии в настоящее время. Опыт использования ветроэлектрических станций в России показывает, что энергию ветра перспективно использовать и в России.. Экспертная оценка Министерства науки России определяет валовой потенциал энергии ветра в 26•109 т у.т/год, технический - 53•106 т у.т./год и экономический - 12,5•106 т у.т/год. Представление о распределении скоростей ветра на территории Беларуси дает карта (Лист No 6.1 графической части), составленная по материалам, полученным Минским энергетическим центром в рамках выполнения программы TACIS. При оценке потенциала ветра его скорость выбирают на высоте 10 м над поверхностью земли, чтобы уменьшить влияние шероховатости различных препятствий в виде невысоких строений, кустарников, деревьев и т.д.

3.2. Обзор существующих конструкций

Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения используют для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, так как они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого поверхности, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроход-ными* и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.
Ветроколесо может быть выполнено с различным числом лопастей; от однолопастных устройств с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Для снижения изгибающих нагрузок у корня лопастям часто придают сужающуюся к периферии форму. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т. е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств применяется

* быстроходность — отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра.

только при наличии одного, господствующего направления ветра.В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо, так называемая головка, выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветродвигателей обычно используются для этой цели хвостовые оперения, у больших — сервосистемы.
Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, применение клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу ветроколеса или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.
Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться в рабочем положении перед башней или за ней.
Современный вариант старинного ветроколеса с парусными лопастями, сконструированный в Принстонском университете из металлических труб и обшивки, имеет форму, близкую к форме воздушного винта, и называется иногда парусным крылом. Оно имеет жесткую трубчатую переднюю кромку,
на которой закреплены короткие рейки по форме концевой и корневой хорд. Между их свободными концами натянут трос, который служит задней кромкой лопасти.
Поверхности лопастей обычно состоят из свернутого в рулон паруса, который скользит над трубчатой передней кромкой и тросом и растягивается при натяжении троса. Аэродинамическое качество парусного крыла примерно такое же, как и у обычных жестких лопастей воздушного винта, а масса меньше примерно на 50 %. Размеры парусного крыла ограничиваются допускаемыми напряжениями в материале; его диаметр не превышает 9 м.
Различные типы ветродвигателей с горизонтальной осью вращения выполняют также со встречным вращением ветроколес. На рисунке 3.2 и на листе графической части приведен обзор типов существующих конструкций ветроустановок.
Известны многоветряковые установки, которые монтируются на одной башне с целью снижения доли ее стоимости для ветроустановки с данной мощностью. Применяются входные сужающиеся конусообразные устройства для увеличения скорости потока, попадающего на ветроколесо, и снижения степени турбулентности, используются устройства с закручиванием потока около ветроколеса для увеличения его угловой скорости. Установленная мощность Руст, развиваемая ветроколесом с горизонтальной осью вращения, зависит от его размеров (лист No 5 графической части).
Перпендикулярное направление действия ветра на установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как также требует применения систем ориентации и сравнительно сложных способов съема мощности, что приводит к потере их эффективности. Они не имеют существенных преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения.
Роторы с вертикальной осью вращения имеют важные преимущества перед ветроприемными устройствами с горизонтальным расположением оси.

 Рис. 3.2. Типы существующих конструкций ветроустановок:
 1-16 – с горизонтальной осью вращения; 17-20 – с вертикальной осью вращения; 21-24 – с вертикальной осью вращения с использованием подъемной силы; 25-28 – с вертикальной осью вращения комбинированного типа; 29-32 – с вертикальной осью вращения других типов.

Для них отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и снижаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и других элементах установок с горизонтальной осью вращения.
Еще в прошлом были разработаны различные типы устройств с вертикальной осью вращения, в которых для создания вращающего момента использовалась сила сопротивления. К ним относятся устройства с пластинами, чашеобразными или турбинными элементами, а также роторами Савониуса с лопастями S-образной формы, на которые действует также и подъемная сила. Устройства такого типа обладают большим начальным моментом, но меньшими быстроходностью и мощностью по сравнению с обычным ротором.
В 1920 г. во Франции Дарье предложил новый тип ротора, интенсивной разработкой которого начиная с 1970 г. занимался совет National Research Council of Canada (NRC). В настоящее время ветродвигатель Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветродвигателей крыльчатого типа. Ротор Дарье относится к ветроприемным устройствам, использующим подъемную силу, которая возникает на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, но большую быстроходность, в силу этого — относительно большую удельную мощность, отнесенную к его массе или стоимости. Из анализа что следует на настоящий момент такие роторы имеют различную форму (Ф -, Δ-, Y- и ◊-образную) с одной, двумя или большим числом лопастей. Для увеличения начального момента ротор Дарье может быть скомбинирован с различными типами вспомогательных устройств. Однако это увеличивает массу и стоимость ветроустановки, и применение ее при таких характеристиках требует оптимизации конструкции конкретного назначения.
В роторе другого типа с вертикальной осью вращения используется эффект Магнуса; к таким роторам с вращающимися цилиндрами можно отнести конструкции Мадараса и Флеттнера. При набегании ветрового потока на вращающийся цилиндр в соответствии с эффектом Магнуса действует сила, перпендикулярная направлению потока.


3.3. Развитие отечественной ветроэнергетики, ее оценка по мощности, размерам, массе

В середине лета 2007 года в Институте тепло- и массобмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси был проявлен интерес к ветроэнергетике. Приглашенные специалисты-энтузиасты, имеющие отношение к означенной тематике, проработали эскизные варианты монтажа на зданиях этого научного учреждения двух-трех не имеющих аналогов в мире вертикально-осевых ветроустановок. А главное — руководство ИТМО получило заказанную аналитическую записку с предложениями по созданию ветроэнергетической лаборатории, подготовленную по линии Комиссии по координации развития возобновляемых источников энергии в агропромышленном комплексе при НАН Беларуси.
На территории Республики установлены и работают всего два ветряка - один на берегу озера Нарочь и один в Городке под Витебском. Все они немецкого производства. Что касается упомянутой выше вертикально-осевой ветротехники, то она до сих пор существует лишь в виде запатентованных и патентуемых технических предложений и маленьких лабораторных моделей, прошедших успешные испытания в аэродинамической трубе кафедры ЮНЕСКО "Энергосбережение и возобновляемые источники энергии" БНТУ. И это в то время, когда проблемы с изменением климата заявили о себе в полный голос и все промышленные страны стали еще интенсивнее искать и развивать способы использования возобновляемой энергии, в т.ч. энергии ветра, ведь Еврокомиссия рекомендует довести к 2020г. долю возобновляемой энергии в энергопотреблении Евросоюза до 20%.
Почему в Беларуси никак не начнется становление ветроэнергетической отрасли?:
- на Западе для привлечения в ветроэнергетику частных инвестиций устанавливаются налоговые льготы, а для потребителей — льготы на покупку ветряной электроэнергии;
- благодаря соответствующим программам, максимально точно изучается ветровой потенциал. Это позволяет снижать финансовые риски инвесторов.
В начале 1990-х 1 кВт установленной мощности ветроустановки в 250-1000 кВт стоил 1500 долларов, то теперь этот показатель где-то около 900-1000 долларов. И чем мощнее ветряк, тем при прочих равных обстоятельствах меньше его удельная стоимость. С возрастанием установленной мощности ветроустановки повышается и ее годовая выработка, отнесенная к 1 кВт установленной мощности. Одновременно с этим снижается также удельная стоимость ветряка.
За последние два десятилетия цены на ветряную энергию снизились в мире примерно в раз пять. И такая электроэнергия продолжает становиться дешевле. Себестоимость ее 1 кВт/ч в 2006 г. составила для высокоэффективной техники, работающей в оптимальных условиях, примерно 3-3,5 цента.
Сроки окупаемости правильно установленной в Беларуси импортной ветротехники мощностью от 250 до 1000 кВт при условии поставок энергии в электросети могут не превышать даже 5 лет, если отечественная ветроэнергетика будет базироваться на европейских подходах и стандартах.
Беларусь граничит с объединенной Европой. А там сосредоточено примерно две трети ветроэнергетических мощностей мира, расположенных преимущественно в Германии, Испании и Дании. Ветроэнергетический лидер мира — Германия, на втором месте — США. Однако больше всего электричества за счет ветра получают в Дании — около 20%. Большой интерес к ветроэнергетике с недавних пор стали проявлять в Голландии и Швеции. А вот в России ветроэнергетика развивается явно недостаточно.
Печальное положение дел в ветроэнергетической сферы Беларуси лучше всего отражает следующая история. В 1986 г. решением Совмина СССР был образован Белорусский филиал НПО "Ветроэн". В НПО входило еще 8 предприятий, производящих ветроэнергетическое оборудование. Филиал "Ветроэна" разрабатывал и изготавливал системы управления ветроэнергетическими установками, занимался экономическими проблемами и внедрением ветротехники в Прибалтийско-Черноморской зоне СССР. В состав филиала со штатом сотрудников более 300 человек входили проектно-конструкторские подразделения, СМУ, НИЛ с ветроэнергетическим полигоном. С 1986 по 1990 г. белорусский филиал внедрил около 400 ветроустановок. (Беларуси досталось только 23 маломощных ветроагрегата, из них 8 установили на испытательно-демонстрационном полигоне в Заславле). После распада Советского Союза БелФНПО "Ветроэн" был преобразован в НПГП "Ветромаш". Вскоре его коллектив сократился до 16 сотрудников. В конечном итоге, это предприятие вошло в состав Белорусского государственного университета и перестало заниматься ветроэнергетикой. От его научно-технической библиотеки и архива мало что осталось, а производственные площади в Минске и Заславле по назначению не используются. Понятно, что последствия неразумного подхода к отечественной ветроэнергетике не замедлили сказаться.
В программе по энергосбережению Беларуси на 2000-2005 гг. появилась информация, которая не была должным образом согласована с результатами официальных исследований, выполненных, подчеркнем, по государственной линии. Они были посвящены оценке ветроэнергоресурса республики и разработке ветроэнергетического атласа. По оценкам авторов программы, при благоприятных экономических условиях и в случае решения ряда технологических проблем, мощность ветротехники страны может составить только около 30 МВт к 2015 г. и 50 МВт к 2020 г. А ведь более-менее приличная по энергоэффективности современная ВЭУ имеет мощность, равную 1 МВт. Примечательно, что наибольшее противодействие развитию отечественной ветроэнергетики оказали чиновники агропромышленного комплекса и энергетической отрасли. Первые оправдывали свою "антиветряную" позицию достаточностью поставок энергии, вторые — достаточностью обеспечения собственных ТЭЦ и сетей ресурсами.
Исходя из ложной посылки, что в Беларуси, образно говоря, нет ветра, здесь пытались по-дилетантски создавать "оригинальные" ветроустановки, которые могли бы превосходить западные, причем создавать на пустом месте, без привлечения опытных специалистов и без необходимой производственной базы. В настоящее время среднегодовые скорости ветра на территории республики различны: Минск, Витебск, Могилев – более 4 м/с; Гродно – более 3,5 м/с; Брест и Гомель – менее 3,5 м/с. Скорости ветра по месяцам года на территории Горецкого района при высоте замеров 6 м над поверхностью земли приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Скорости ветра по месяцам года, м/с

Скорость ветра, м/с
январь февраль март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь
4,6 4,4 4,1 3,6 3,3 3,0 2,8 3,2 3,8 4,2 4,4 3,7

В 1990 г. НПО "Комплекс" было предписано изготовить ветроагрегат мощностью 20 кВт по проекту Московского авиационного института. Невзирая на отрицательное экспертное заключение НПО "Ветроэн", данный ветроагрегат приняли к производству. На изготовление опытного образца потратили сумму, которая раз в 15 превысила всякие разумные пределы. А затем, после зафиксированной при испытаниях неэффективности, образец передали на доработку в НПГП "Ветромаш", где его и списали вместе с затратами.
В 2000 г. Госкомитетом по энергосбережению и Институтом проблем энергетики НАНБ был представлен третий по счету экспериментальный образец ветроустановки, основанной на использовании эффекта Магнуса по проекту немецкого изобретателя Флетнера 1926 г. Решили даже создать из таких ветряков электростанцию мощностью 5 МВт. А ведь серьезные недостатки подобных установок были известны еще в первой половине прошлого века. Это и крайне низкий коэффициент использования энергии ветра КИЭВ = (0,15-0,20), и принудительный привод цилиндров ветроротора, и повышенная шумность, и перегруженность трансмиссии и, как следствие, низкая надежность узлов, агрегатов и систем управления. С целью достижения предписанной заданием мощности ветряка в 250 кВт, предусмотрели использование ветроротора с габаритами на 1000 кВт. Даже в серийном производстве удельная стоимость такой ветроустановки превысила бы стоимость той же мощности в 2,5-3,0 раза. Любопытно, что бесперспективность технико-энергетического решения белорусской установки Флетнера была доказана еще в 1999 г. специалистами Международной академии экологии.
Немногочисленные белорусские подвижники ветроэнергетики не оставляют надежд реализовать свои мечты. Несмотря на то, что проект задания на создание принципиально новых геликоидных ветроагрегатов на 20 и 100 кВт вылеживается в кабинетах государственных чиновников уже 15 лет, и то, что у нас неоправданно долго решаются вопросы с патентованием технических решений ветроустановок, несмотря на то, что с 2006 г. прекращено финансирование научных исследований в области архитектурно-строительного освоения ветротехники и что государственные органы фактически устранились от участия в становлении отечественной ветроэнергетической отрасли.
В таблице 3.2 приведены площадки, благоприятные для размещения ветроустановок.
Таблица 3.2
Паспорт площадок, благоприятных для размещения ветроустановок
(д. Янковцы и Щепки Дзержинского района Минской области)

No площадки Абсолютная высота Н, м Среднегодовая скорость ветра, м/с, на высоте опоры h, м
  10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
No7 325 6,2 7,0 7,2 7,7 8,0 8,3 8,5 8,6 8,7 8,9
No6 321 6,1 6,8 7,1 7,5 7,7 8,0 8,1 8,3 8,4 8,6
No5 318 6,1 6,8 7,1 7,5 7,7 8,0 8,1 8,3 8,4 8,6
No4 311 6,0 6,7 7,0 7,4 7,6 7,9 8,0 8,2 8,3 8,5
No3 315 6,0 6,7 7,0 7,4 7,6 7,9 8,0 8,2 8,3 8,5
No2 301 6,0 6,7 7,0 7,4 7,6 7,9 8,0 8,2 8,3 8,5
No1 302 6,0 6,7 7,0 7,4 7,6 7,9 8,0 8,2 8,3 8,5

Проект программы развития Беларуси на 2008-2014 годы разработан в соответствии с Директивой No 3 «Экономия и бережливость - главные факторы экономической безопасности государства». Она направлена на повышение уровня энергетической независимости за счет использования собственных источников. Предполагается создать ВЭУ (ветроэнергетическая установка) различной мощности, адаптированные к условиям нашей страны.
Предусматривается, что в 2010 году должны быть введены в эксплуатацию ВЭУ суммарной мощностью 4,1 МВт, к 2012-му – 5,2МВт, к 2015 году – 15МВт. На осуществление программы предусматривается направить около 52 миллиардов рублей. Стоимость ВЭУ мощностью 1,5 МВт колеблется в пределах 1,2 – 1,5 млн. евро. Поэтому финансирование программы предполагается не только за счет средств Министерства энергетики Беларуси, но и за счет реализации положений Киотского протокола.
Себестоимость производства единицы электроэнергии определяется так: нужно разделить сумму всех затрат (капитальных, топливных, эксплуатационных) на количество произведенной электроэнергии за весь ресурс работы.
При стоимости ВЭУ мощностью 1 МВт около 1,5 млн. евро, ресурсе 20 лет, эксплуатационных затратах за данный период 200 тыс. евро и выработке за ресурс 35 млн. кВт•ч себестоимость одного кВт•ч составит 5 евроцентов. Для сравнения: при стоимости газа для тепловой станции 300 долл. за 1000 м3 только топливная составляющая производства электроэнергии на тепловой станции равна 6 евроцентам за 1 кВт•ч, даже без учета капитальных и эксплуатационных затрат.
До возникшего кризиса инвестиции в ветроэнергетику были достаточно прибыльны. В условиях устоявшихся экономик, при учетных ставках по кредитам 4-5 % вложения в строительство ветропарков могли приносить 10-12 % прибыли в год. При этом сроки окупаемости составляли 8-12 лет при ресурсе 20-25 лет. Поэтому около 90 %ветропарков в мире были построены за счет акционерного либо заемного капитала.
Еще одной положительной стороной для Беларуси является возможность установки ВЭУ на территориях загрязненных радиоактивными веществами и не пригодных для проживания и исключенных из севооборотов.
Таблица 3.3
Технический ветроэнергетический ресурс территории Беларуси

Область Используемая территория, тыс. км2 Номер зоны Территория зоны, км2 * на 1 км, тыс. кВт•ч ** Максимум в зоне, млрд. кВт•ч Утилизируемая в зоне, млрд. кВт•ч
      100% 7% 1% за 3 года
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Брестская 15 2 10,9 2161 23,51 20,78 1,45 0,21
  3 3,1 3840 11,74 9,04 0,63 0,09
  4 0,9 6534 6,11 4,06 0,29 0,04
      Итого 41,36 33,88 2,37 0,34
Витебская 17,6 2 1,0 2566 2,41 2,02 0,14 0,30
  3 4,2 4962 20,11 16,43 0,16 0,02
  4 7,3 7285 53,13 35,33 2,47 0,03
      Итого 75,65 53,78 2,77 0,35
Гомельская 14,1 2 1,4 2161 3,02 2,67 0,19 0,54
  3 8,5 3840 32,43 24,96 1,75 0,03
  4 2,5 6534 16,3 10,84 0,75 0,25
      Итого 51,75 38,47 2,69 0,82


Продолжение таблицы 3.3
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Гродненская 12,4 2 6,0 2161 12,33 11,43 0,8 0,12
  3 2,9 3840 11,09 8,29 0,58 0,08
  4 2,3 6534 15,22 5,58 0,71 0,10
      Итого 38,64 25,3 2,09 0,30
Могилевская 12,6 2 10,5 2161 22,74 18,7 1,31 1,19
  3 1,9 3840 7,25 5,58 0,39 0,06
      Итого 29,99 23,65 1,70 0,25
Минская 16,8 2 9,9 2566 25,42 22,48 1,58 0,22
  3 1,3 3840 4,84 3,73 0,26 0,04
  4 2,7 7285 19,93 17,62 0,23 0,18
      Итого 50,19 43,83 2,07 0,44
Всего по Беларуси 88,5 2 39,7 - 89,43 78,08 5,47 0,78
  3 29,2 - 87,40 68,03 4,76 0,68
  4 19,6 - 111,35 77,5 5,42 0,77
      Итого 288,18 223,6 15,7 2,23

 Примечания:
1. Технологический ветроэнергетический ресурс с учетом свойств местности и высоты опор до 20, 30, 40 и 50 м стандартных ВЭУ континентального базирования при усредненном коэффициенте повышения скорости ветра ;
2. * выработка энергии, утилизируемой в полном диапазоне работы ВЭУ (3000 ч работы ВЭУ в году);

3. ** выработка энергии, утилизируемой в номинальном режиме работы ВЭУ (2000 ч работы на электросети в течение года), эксплуатирующихся на пригодных под внедрение ветротехники территориях.

3.4. Обоснование конструкторской разработки

В дипломном проекте модернизированную ВЭУ предлагается использовать на ферме КРС прямым включением в электросеть, что будет давать экономию электроэнергии от государственной электросети.
Считается, что многолопастные ВЭУ имеют сложность в изготовлении в связи с огромной точностью установки и придания формы лопастям, а также из-за большого количества лопастей поток ветра не успевает пройти через ометаемую ветроустановкой площадь, что вызывает падением скорости за ВЭУ и в результате чего происходит торможение скорости ветра перед ветроустановкой, а значит снижается КИЭВ. Все эти недостатки устранены в данном проекте.
Преимущества ветроэнергетики:
 низкая себестоимость электроэнергии (может конкурировать с ядерной, угольной и газовой энергетикой;
 нулевая стоимость топливной составляющей (источник энергии неисчерпаем и присутствует в неограниченных количествах;
 независимость от поставщиков энергоресурсов и цен на топливо;
 экологическая чистота (нет выбросов двуокиси углерода) ;
 модульный дизайн и быстрый монтаж;
 ветроэнергетика не мешает ведению сельского хозяйства и промышленной деятельности вблизи ветростанций;
 электроснабжение, по объемам сравнимое с традиционными способами генерации;
Недостатки ветроэнергетики:
 ВЭУ имеют большое зрительное воздействие, а их размещение в местах с хорошей видимостью привело к возникновению в обществе озабоченности разрушением традиционных видов природы;
 шум. Большинство наиболее пригодных с технической точки зрения мест установки ВЭУ - это излюбленные места отдыха, поэтому становится все труднее получать разрешения на организацию больших ветряных ферм.
Суть модернизации состоит в модернизации ротора вертикальной ВЭУ, а именно изменение тыльной стороны лопасти и установка концентраторов, что позволит использовать энергию ветра с максимально возможным КПД*. Установка концентраторов позволит использовать теорию Жуковского на практике, а модернизация тыльной стороны лопасти позволит снизить сопротивление потоку воздуха за счет придания ей формы имеющей наилучшую ометаемость.
В данном дипломном проекте в конструкторской части приводятся основные и необходимые расчёты изменения конструкции ротора с доказательством увеличения КИЭВ ветроэнергетической установки ВЭУ–5(6).
Ветроэнергетическая установка ВЭУ–5(6) (далее - ВЭУ) предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую энергию при работе па-раллельно с электрической сетью трехфазного переменного тока напряжением 220/380 В. частотой 50 Гц.

* КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра.
Основные элементы ВЭУ (рис. 3.3 и лист No 7 графической части):
1. Ротора, 2. Фермы-опоры, 3. Лестницы, 4. Опоры; 5. Генераторная станция.

Рис. 3.3. Ветроэнергетическая установка ВЭУ–5(6)

Принцип работы данной ветроэнергетической установки, являющейся многолопастной с вертикальной осью вращения, протекает следующим образом: преобразование энергии ветрового потока в электрическую происходит за счет появления аэродинамической силы на лопастях ветротурбины. Исходя из лопасти и силы на нее крутящий момент от аэродинамической силы передается через центральный вал и редуктор-мультипликатор на вал генератора мощностью 5 кВт, частотой вращения входного вала 60-160 об/мин.
Согласно теории идеального ветряка (теория Жуковского) для того чтобы КИЭВ был максимальным и равнялся 0,593 необходимо добиться соблюдения условия: .
Рассмотрим эту теорию в изложении для нашего случая.
Когда поток воздуха набегает на вращающийся ветряк, то скорость потока уменьшается. В плоскости ветряка она равна VВ = V1 (рис.3.4), а далеко за ветряком VВ = V2. Работа, производимая ветром, равна разности кинетических энергий набегающего и отходящего воздуха:
(3.1)
С другой стороны уменьшение импульса воздушного потока Δp = m1V2 = = FΔt вызывает силу, воздействующую на лопасти ветряка. Замедленное прохождение воздуха через плоскость ветряка, преодолевающего сопротивление лопастей, вызвано работой, совершаемой ветром.
(3.2)
Приравнивая (3.1) и (3.2) и решая, находим:
(3.3)
(3.4)
То есть замедление скорости ветра за ветроколесом в два раза больше замедления скорости в плоскости колеса.
КИЭВ в данном случае составит величину:

(3.5)
где: -плотность воздуха.
Максимальный КИЭВ достигается при и составляет: ,
где: - часть энергии ветра, которую использует ветроколесо;
- часть потока, проходящего через ветроколесо.
Данная теория, несмотря на ее сугубую абстрактность, является базовой в теории ветроустановок. Поэтому рассмотрим ее более внимательно. Во-первых, обратим внимание на выражение (3.5) для определения КИЭВ. Скорость потока в плоскости ветроколеса на треть меньше, чем скорость ветра, следовательно, треть набегающего потока не может пройти сквозь ветроколесо и огибает его снаружи.

Рис.3.4. Действие потока воздуха на ветроколесо

Поэтому в числителе подставлена масса m1, т.е. масса воздуха прошедшая через ветроколесо, она на треть меньше полной массы m набегающего воздуха, стоящей в знаменателе. Воздух в ветроустановках испытывает столь ничтожные давления, что его можно считать несжимаемым. Повышенное давление перед ветроколесом не может служить резервуаром дополнительных масс сжатого воздуха.
Воздух, отходящий в дальней зоне за ветроколесом, имеет скорость в одну треть от скорости ветра, следовательно, он уносит девятую часть энергии потока прошедшего сквозь ветроколесо. Произведение двух третей воздуха, прошедшего сквозь колесо на к.п.д. преобразования энергии, равный восьми девятым и составляет найденный КИЭВ 16/27 .
Входящий в выражение 3.2 импульс mV2 позволяет нам сделать важный вывод. Потеря скорости воздухом V2, а, следовательно, и отдаваемая ветроколесу энергия складывается из двух составляющих. Потери скорости до ветроколеса V1 и потери скорости после ветроколеса V2 - V1. До ветроколеса поток теряет треть своей скорости и 5/9 своей энергии, которую передает колесу. После колеса поток теряет еще треть скорости и 3/9 первоначальной энергии. Оставшаяся 1/9 часть энергии уносится отходящим потоком. Понятно, что набегающий поток воздуха создает некое избыточное давление на передней плоскости лопастей, заставляющее вращаться ветроколесо. Поток, находящийся за ветроколесом, может отдать часть своей энергии ветроколесу, оставшемуся позади, только в том случае, если этот поток воздуха, расширяясь, создает разряжение за ветроколесом. Отрицательное давление на задней стороне лопастей увеличивает силу, вращающую ветроколесо. При использовании модернизации можем использовать теорию Жуковского на практике, а именно – поток воздуха, набегающий на лопасть, двигаясь далее, часть его попадает внутрь ротора, по внутреннему концентратору двигается во внешний концентратор. Поток воздуха, проходящий над верхним концентратором, увлекает за собой поток выходящий из концентратора, при этом внутри ротора создается разряжение, которое увеличивает скорость потока входящего во внутренний концентратор (поясняется рис. 3.4.1).

Рис. 3.4.1. Движение потока воздуха в роторе

Так же этот поток создает завихрение, и благодаря комплексу этих эффектов за ротором получаем скорость потока больше и создавая разряжение перед ротором увеличиваем КИЭВ, приближая его к максимальному значению, КИЭВ = 0,593. На практике достигнутый КИЭВ=0,43.

Рис. 3.5. Концентратор

В результате модернизации используется эффект, возникающий в результате применения на ВЭУ концентраторов имеющих форму псевдосферы, позволяющих увеличить скорость набегающего ветра (рис. 3.5).

Так же для достижения максимального КИЭВ необходимо учесть:
- очень важно расположение ветрогенератора. Если соседние здания, деревья, линии и т.п. экранируют полную силу ветра от ветряка, он не сможет выработать большую энергию. Также скорости ветра всегда выше наверху холма, на береговой линии, и в местах, свободных от деревьев и других структур.
- чтобы максимально увеличить отдачу энергии от ВЭУ необходимо поместить его на максимально возможную высоту (это будет энергетически более эффективно чем, например, покупка более мощного ветряка, но установка его на меньшей высоте). Так, например, энергия ветра на высоте 10 м в два раза выше, чем на высоте 2 м (а если сделать мачту высотой 15 - 18 м, количество вырабатываемой ветряком энергии утроится) . Кроме того, при высокой мачте экранирующее влияние деревьев и построек уменьшается.


3.5. Расчет концентраторов

Происхождение трактрисы связывается в истории математики с именем ученого врача Перро, жившего в 17 веке в Париже, который предложил математикам и, в частности, Лейбницу найти кривую, по которой должна перемещаться в горизонтальной плоскости тяжелая материальная точка М (Рис. 3.6), прикрепленная к концу нити, если, другой конец этой нити перемещать по некоторой прямой, лежащей в той же плоскости. Как сразу же было подмечено, траектория точки М, представляя собой огибающую натянутой нити в различных ее положениях, будет характеризоваться постоянством отрезка касательной, равного длине этой нити.

Рис. 3.6. Кривая - Трактриса

Об этом способе образования трактрисы напоминает и само ее название: traho — тащить (лат.). Кривая была исследована Лейбницем и Гюйгенсом. Последний обобщил задачу Перро, предполагая, что свободный конец нити перемещают не по прямой, а по произвольной кривой. Так, наряду с обыкновенной трактрисой — трактрисой прямой линии — возникло понятие трактрисы окружности, трактрисы параболы и т. д. По терминологии Гюйгенса, эти кривые назывались траекториями. Сама кривая по отношению к своей трактрисе называется эквитангенциальной кривой. Ясно, что эквитангенциальная кривая произвольно заданной кривой представляет собой геометрическое место концов отрезка постоянной длины, откладываемого от точки касания вдоль каждой касательной заданной кривой. Этим обстоятельством определяется способ построения эквитангенциальной кривой, как только задана соответствующая ей трактриса.
Мы заметим еще, что в истории математики трактрисе было суждено сыграть выдающуюся роль в связи с открытием Н. И. Лобачевским его геометрии и последующим развитием учения о неевклидовых геометриях. Было показано, что гиперболическая геометрия Лобачевского и эллиптическая геометрия Римана реализуются на поверхностях постоянной кривизны. Такие поверхности могут быть получены, если вращать вокруг оси абсцисс кривую, обладающую тем свойством, что произведение радиуса кривизны R в любой ее точке на нормаль N в этой точке является величиной постоянной, т. е. RN = С. Если С > 0, то соответствующая поверхность имеет постоянную положительную кривизну (например, поверхность шара). На ней будет осуществляться геометрия Римана. Если С < 0, то получится поверхность постоянной отрицательной кривизны, на которой локально осуществляется геометрия Лобачевского.
Нам остается показать, что трактриса обладает свойством RN = const. Действительно, поскольку для трактрисы | R | = а ctg t, |N| = a tg t, а направления R и N противоположны, то RN = — a2
Полученная при вращении трактрисы поверхность постоянной от-рицательной кривизны названа Бельтрами псевдосферой (рис. 3.5).
Трактриса представляет собой кривую, у которой длина касательной является величиной постоянной, которую мы обозначим через а. Дифференциальное уравнение трактрисы поэтому имеет вид или , откуда, Положим тогда , или . Положим начальную ординату равной а; тогда значение параметра t, соответствующее ей, будет равно и, следовательно, C=0.
Таким образом, параметрические уравнения трактрисы могут быть записаны в виде
(3.6)
Исключая параметр t из этих уравнений, получаем уравнение трак-трисы:
(3.7)
Форму трактрисы удобно определить, пользуясь ее параметрическими уравнениями (3.6). Из этих уравнений следует, что параметр t может изменяться лишь в интервале 0<t< . Поэтому всегда будет ; при и , при и , при и . Ясно, что ось абсцисс является асимптотой трактрисы.
Нетрудно убедиться, что каждой паре значений t и - t параметра соответствуют одинаковые значения у, а значения х отличаются только знаком; отсюда следует, что трактриса симметрична относительно оси ординат.
Для определения формы кривой в точке A (0, а) найдем предва-рительно угловой коэффициент касательной и произвольной точке трактрисы. Это позволит нам попутно выяснить геометрический смысл параметра t. Дифференцируя параметрические уравнения трактрисы, имеем и , откуда , следовательно, . Таким образом, параметр t представляет собой угол, составляемый касательной к трактрисе с положительным направлением оси абсцисс.
В точке А (0, а), т. е. при , имеем ; следовательно, А (0, а) будет для трактрисы точкой возврата (Рис. 3.7).

Рис. 3.7. Трактриса
Остановимся на рассмотрении некоторых свойств трактрисы. Площадь, ограниченная трактрисой и ее асимптотой, определится по формуле:
(3.7)
как видно, она равняется половине площади круга, радиус которого равен параметру трактрисы.
Объем тела, полученного от вращения трактрисы вокруг ее асимптоты определяется по формуле:
; (3.8)
как видно, этот объем равен половине объема шара с радиусом, равным параметру трактрисы.
Длина дуги трактрисы, отсчитываемая отточки А (0, а), до точки, соответствующей произвольному значению переменной t, определится по формуле:
(3.9)
Для внутреннего концентратора: .
Для верхнего концентратора: .
Поверхность тела, полученного от вращения трактрисы вокруг ее асимптоты, определится по формуле:
(3.10)
и, как видно, эта поверхность равняется поверхности шара с радиусом, равным параметру трактрисы.
Определим радиус кривизны в произвольной точке трактрисы:
(3.11)
При t = 45: .
Полученное выражение определяет простой способ построения центра кривизны для произвольной точки трактрисы. Делаем с этой целью из заданной точки М радиусом, равным ОА = а, засечку в точке N на оси абсцисс и проводим нормаль до пересечения с NC в точке С (Рис. 3.8). Тогда и, следовательно, точка С является искомым центром кривизны.
Натуральное уравнение трактрисы:
. (3.12)
для внутреннего концентратора: ;
для верхнего концентратора: .

Рис. 3.8. Трактриса


3.6. Расчет формы тыльной стороны лопасти

Исходя из данных представленных в таблице 3.4 принимаем форму имеющую наименьший коэффициент сх.
Согласно таблице сопротивление будет равно: .
Для построения параболы будем использовать кривую Безье (Рис. 3.9).

Уравнение кривой Безье:
(3.13)




Таблица 3.4
Коэффициенты сопротивления сх для некоторых тел


Рис. 3.9. Кривая Безье
Таблица 3.5
Данные для построения кривой Безье
у 0 224 456 485
х 0 200 400 425

3.7. Расчёт резьбового соединения лопасти
с диском ротора

Рассчитываем на прочность резьбовое соединение лопасти с диском ротора (параметры резьбового соединения соответствуют ВЭУ-5(6)) (рис.3.10).
Определяем необходимую силу затяжки резьбового соединения:
, (3.14)
где − внутренний диаметр резьбы, для резьбы М18 =15,632 мм;
− напряжение в стержне болта.
, (3.15)
.
Тогда сила затяжки резьбового соединения равна:
.
Проверяем резьбу по условию прочности по напряжениям среза
, (3.16)
где F = Fзат = 25320,5 H;
Н − высота гайки, мм. H = 13 мм ;

Рис. 3.10. Параметры метрической резьбы общего назначения

К − коэффициент полноты резьбы. Для треугольной резьбы К =
= 0,87 [42];
Кт − коэффициент неравномерности нагрузки по виткам резьбы, Кт =
= 1,3 [41];
− допустимое напряжение среза, =0,4 = 0,4∙220 = 88 МПа.
Тогда напряжение среза будет равно:
.
Это удовлетворяет условию, так как [τ] = 88 МПа > 35,1 МПа.
Определим диаметр шпильки, которую необходимо установить, исходя из формулы:

d = ,     (3.17)

где z – число болтов в соединении, принимаем z = 2;
[σр] – предел прочности при растяжении, принимаем
[σр] = 500 МПа.

Рис.3.11. Болтовое соединение

Тогда:
d = = 5,74 мм

Для обеспечения лучшего конструктивного исполнения, принимаем d = 6 мм.
Выполненные прочностные расчеты соответствуют и конструктивным параметрам лопастей ротора.


3.8. Расчеты быстроходности ветроколеса, стартового и максимального вращающих моментов

Как известно ветроколесо в зависимости от количества лопастей характеризуется быстроходностью (примечание п. 3.2). Бы

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ
БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

       
Факультет инженерный
Кафедра механизации животноводства и электрификации сельскохозяйственного производства

Допустить к защите:

Зав. кафедрой _______________А.С Добышев
  (подпись, инициалы, фамилия)

«____» __________ 2009 г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к дипломному проекту


на тему: «Техническое обеспечение призводства молока в РУСП «Племзавод «Тимоново» Климовичского района с усовершенствованием ротора ветроэнергетической
установки ВЭУ – 5(6)»

ДП.36.80.09.083.ПЗ
(обозначение)

Дипломник ___________________________ А.В.Коробач
(подпись, инициалы, фамилия)
Руководитель И.А.Гайшун
(уч. степень, звание, подпись, инициалы, фамилия)
Консультанты:
по охране труда – С.Н. Разинкевич
(уч. степень, звание, подпись, инициалы, фамилия)
по экономическим вопросам – О.П.Кольчевская
(уч. степень, звание, подпись, инициалы, фамилия)
по конструкторской части – И.А.Гайшун
(уч. степень, звание, подпись, инициалы, фамилия)
по энергосбережению – И.А.Гайшун
(уч. степень, звание, подпись, инициалы, фамилия)

Нормоконтролер ___ _ _ С.И.Козлов
(уч. степень, звание, подпись, инициалы, фамилия)



Горки 2009