Повышение эффективности автономных ветроагрегатов и ветродизельных комплексов в апк методом типоряда

На правах рукописи

Зуев Николай Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНЫХ ВЕТРОАГРЕГАТОВ И

ВЕТРОДИЗЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ В АПК «МЕТОДОМ ТИПОРЯДА»

специальность 05.20.02 – «Электротехнологии и электрооборудование в

сельском хозяйстве»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт- Петербург - 2010 2

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный аграрный университет

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Карпов Валерий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Косоухов Федор Дмитриевич доктор технических наук, профессор Ковчин Сергей Александрович доктор технических наук, профессор Касаткин Владимир Вениаминович

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие научно «Всероссийский исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт малых электрических машин» (ФГУП «ВНИИМЭМ»)

Защита состоится 30 марта 2010г. в 13.30 часов на заседании диссертационного совета Д220.060.06 в ФГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный аграрный университет по адресу: 196601, Санкт-Петербург, г.Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, ауд. 719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Санкт Петербургский государственный аграрный университет.

С авторефератом можно ознакомиться на сайте ВАК

Автореферат разослан «_» февраля 2010г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 196601, Санкт-Петербург, г.Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, ученому секретарю Смирнову В. Т.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Смирнов В. Т.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность темы. В нашей стране значительная часть сельского населения проживает в зонах децентрализованного энергоснабжения.

Энергоснабжение этих потребителей обеспечивается в основном дизельными электростанциями (ДЭС).

В частности, в Архангельской области имеется 57 ДЭС суммарной установленной мощностью 33МВт. На обеспечение данных ДЭС в 2009 году израсходовано 105 млн. руб. из федерального бюджета, включая расходы на доставку 4910 тысяч тонн дизельного топлива.

Несмотря на высокую себестоимость энергии ДЭС в Федеральной целевой программе «Социальное развитие села до 2010 года» записано: «удаленность сельских поселений от центральных усадьб и районных центров предопределяет их автономное жизнеобеспечение». Таким образом, в ближайшем будущем альтернативы ДЭС для удаленных с/х потребителей нет.

Вместе с тем использование ветродизельных комплексов (ВДК) позволяет снизить потребление топлива. Однако высокая стоимость сооружения ВДК (до 8000$ за 1кВт установленной мощности) ставит вопрос об экономическом обосновании их применения.

Для энергообеспечения с/х производств в большинстве случаев можно использовать в составе ВДК один или несколько ветроагрегатов (ВА) мощностью 15-30кВт. Однако в настоящее время в России разработаны и серийно производятся ВА мощностью до 5кВт. Агрегаты большей мощности существуют только в единичных экземплярах. Электрические схемы ВДК хорошо отработаны в РФ на серийных комплексах малой мощности. Данные схемы, которые состоят в основном из стандартных компонентов, можно применять и для более мощных ВДК.

Создание ветроагрегатов мощностью более 15кВт требует больших капитальных вложений и длительных испытаний. Вместе с тем производство ветроагрегатов мощностью до 5кВт налажено в России, накоплен опыт их монтажа и эксплуатации.

Таким образом, можно признать актуальным следующие направления исследований настоящей диссертации:

- поиск путей снижения стоимости сооружения ВДК, - обоснование эффективности электрических схем ВДК на основе стандартных компонентов, - поиск закономерностей внутри типорядов ВА для использования ветроагрегатов меньшей мощности в качестве моделей для создания ветроагрегатов большей мощности, - создание отечественных ВА мощностью 10-30кВт, - экономическое обоснование применения ВДК для с/х потребителей в зонах децентрализованного энергоснабжения.

Цель работы и задачи исследований. Основным критерием эффективности ВДК является себестоимость энергии. В связи с этим определена цель работы – повышение экономический эффективности ВДК путем снижения себестоимости его энергии.

С некоторыми допущениями формулу определения себестоимости энергии можно привести к следующему виду:

С1 = Э(Свдк/Kи (1/Тс + kэ) 8760 - r Сдт/Kт) + r Сдт/Kт, (1) где Э – экономия топлива, Свдк – удельная стоимость ВДК (стоимость 1кВт установленной мощности), Kи – коэффициент использования установленной мощности ВА, Тс – срок службы, который для ветроэнергетического оборудования может быть 15-20 лет, kэ – коэффициент эксплутационных расходов, r – удельный расход топлива ДЭС (0,3-0,5 кг/кВтч для малых ДЭС), Сдт – стоимость дизельного топлива, Kт – топливная составляющая в себестоимости энергии ДЭС (60-70% для отечественных ДЭС).

С использованием формулы (1) была определена критическая удельная стоимость ВДК – 250 тыс.руб/кВт, ниже которой использование ВДК становится экономически оправданным.

Из формулы (1) также следует, что необходимо снижать отношение Свдк/Kи (снижать удельную стоимость ВДК при сохранении энергетической эффективности). В рамках диссертации не ставилась задача разработки новых блоков электрической схемы ВДК. Предполагается использовать по возможности стандартные электронные блоки, которые имеют рыночную стоимость. На передний план ставится задача снижения стоимости ВА, так как ВА является основным элементом ВДК, который влияет на стоимостные и энергетические параметры. Определение удельной стоимости ВА (стоимость 1кВт установленной мощности ВА) – это заключительный этап проектных работ.

С использованием формулы (1) было доказано, что существует оптимальная экономия топлива, которая обеспечит минимум себестоимости энергии ВДК.

Таким образом, для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать новый метод проектирования («метод типоряда»), который может быть использован для аналитического исследования типорядов ВА и определения стоимости ВА (традиционные методы проектирования были отвергнуты, так как отличаются большой трудоемкостью и требуют большое количество исходных данных), - с использованием «метода типоряда» выработать рекомендации по обеспечению заданного уровня энергетической эффективности в пределах типоряда ВА мощностью до 50кВт, - исследовать в аэродинамической трубе систему регулирования ВА уводом ветроколеса (ВК) в косой поток для выработки рекомендаций, повышающих энергетическую эффективность данной системы регулирования, - с использованием «метода типоряда» разработать методику обоснования конструктивных особенностей ВА по критерию минимума удельной себестоимости, - сформировать базу данных, которая необходима для расчетов удельной стоимости ВА и ВДК «методом типоряда», по результатам компьютерного моделирования определить эффективность конструктивных схем серийных ВА мощностью до 100кВт (с использованием базы данных и разработанной методики), - разработать рекомендации по выбору единичной мощности ВА в составе ВДК и определить зависимость удельной стоимости ВДК от его мощности, - разработать новый метод расчета экономии топлива и на его основе создать методику оптимизации ВДК по критерию себестоимости энергии с учетом варианта электрической схемы ВДК (традиционный метод расчета экономии топлива был отвергнут, так как не учитывает потери энергии ВА в тот период, когда аккумуляторная батарея (АКБ) заряжена), - по результатам оптимизации определить обоснованную экономию топлива в ветровых условиях Северо-запада РФ, обосновать наиболее эффективную электрическую схему ВА и разработать инженерную методику проектирования ВДК, - по результатам исследований разработать ВА мощностью 30кВт и на его основе предложить вариант электрической схемы ВДК для с/х потребителей Северо-запада РФ.

Методы исследований в диссертации следующие.

1. «Метод типоряда» (разработан в рамках диссертации). Данный метод включает математический аппарат, который позволяет проводить аналитические исследования.

2. Испытания моделей в аэродинамической трубе и натурные испытания опытного образца ветроагрегата.

3. Метод компьютерного моделирования с использованием разработанных методик и программ.

4. Оптимизация (разработана программа оптимизации ВДК).

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- разработан новый метод проектирования - «метод типоряда»

(преимущество «метода типоряда» перед традиционными методами проектирования – уменьшение исходных данных, упрощение расчетов и сокращение затрат на испытания опытных образцов), - аналитически доказан «закон пропорциональности», который в области проектирования ветроагрегатов позволяет исключить прочностные расчеты (данный закон позволяет: определять основные проектные параметры и нагрузки, конструировать силовые элементы, выбирать стандартные элементы, определять массогабаритные характеристики и стоимость), - аналитически определены степенные законы изменения быстроходности ВА от радиуса ветроколеса, которые позволяют решить проблему плохого страгивания безредукторных ВА мощностью менее 5кВт в слабый ветер и проблему низкой аэродинамической эффективности ветроколеса при числах Рейнольдса менее 200000, - опытным путем обнаружено новое явления в аэродинамике ветроколеса (впервые установлено: характеристика момента поворота ветроголовки в косом потоке несимметрична при смещении влево или вправо оси ВК относительно оси поворотного устройства гондолы), - разработана методика поиска оптимальных компоновочных решений ВА по критерию минимума удельной себестоимости, которая может быть использована вместо оптимизации, - методом компьютерного моделирования опровергнут закон «куба квадрата», который указывал на увеличение удельной стоимости ВА с ростом мощности, - разработан новый метод расчета экономии топлива ВДК, который позволяет учесть потери энергии ВА в тот период, когда аккумуляторная батарея (АКБ) заряжена, - по результатам оптимизации предложен новый критерий, который определяет экономически обоснованную экономию топлива ВДК, – суммарная площадь обметаемой поверхности ветроколес ВА, приходящаяся на 1кВт средней мощности нагрузки потребления.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработана методика проектирования и конструирования ВА без расчета на прочность, - разработаны рекомендации по устранению резонанса опор ВА мощностью 15-30кВт (подобная проблема была у некоторых отечественных ВА мощностью 15-30кВт), - разработаны рекомендации по решению проблемы, которая возникает при использовании системы регулирования ВА мощностью более 20кВт уводом ВК в косой поток (проблема заключается в том, что момент, создаваемый весом флюгера, с увеличением мощности ВА возрастает быстрее, чем требуется для обеспечения регулирования), - разработаны рекомендации по решению проблемы плохого страгивания безредукторных ВА мощностью менее 5кВт в слабый ветер, - разработаны рекомендации по решению проблемы низкой аэродинамической эффективности ветроколеса при числах Рейнольдса менее 200000, - разработаны рекомендации по конструктивному исполнению системы регулирования ВА уводом ВК в косой поток для повышения энергетической эффективности данной системы, - разработан типоряд тихоходных генераторов мощностью от 0,5 до 40кВт с использованием деталей от асинхронных двигателей (генераторы данного типоряда отличаются минимальной себестоимостью), - разработаны рекомендации по выбору единичной мощности ВА в составе ВДК и варианта электрической схемы ВДК для обеспечения экономической эффективности, - определена экономически обоснованная экономии топлива ВДК в ветровых условиях Северо-запада РФ, - разработана инженерная методика проектирования ВДК для с/х потребителей в ветровых условиях Северо-запада РФ, - создан ВА мощностью 30кВт, который может быть использован для создания ВДК мощностью до 200кВт.

Реализация и внедрение результатов работы. С использованием результатов исследований разработаны следующие изделия.

1. Ветроагрегаты мощностью 0,25, 1 и 2кВт по заказу компании ООО «Ветро-Свет», г. СПб (www.vetro-svet.spb.ru). Первые две модели производятся серийно.

2. Ветроагрегаты мощностью 1,5кВт и 30кВт по заказу компании НПО «Электросфера», г. СПб (www.breezex.ru). Данные ветроагрегаты находятся на производственных испытаниях.

3. Тихоходный генератор на постоянных магнитах мощностью 5кВт по заказу компании НПО «Электросфера». Данный генератор прошел производственные испытания. По результатам испытаний генератор рекомендован к серийному производству.

4. Тихоходный генератор на постоянных магнитах мощностью 2кВт по заказу компании ООО «Ветро-Свет». Данный генератор прошел производственные испытания. По результатам испытаний генератор рекомендован к серийному производству.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и конгрессах:

- научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СПбГАУ (СПб-Пушкин, 2005-2009гг.), - научной конференции молодых ученых «Роль научного обеспечения в реформировании АПК» (СПб 2000г.), - 11-ой международной научной практической конференции «Мобильная и стационарная энергетика, энергообеспечение сельскохозяйственных процессов и объектов» (Москва 2002г.), - 9- th International Conference «ECOLOGICAL ENERGY RESOURCES IN AGRICULTURE (LITHUANIA, Kaunas 2004), - 5-ом и 9-ом международных семинарах «Российские технологии для индустрии IWRFRI» (СПб 2001 и 2005гг.), - 4-той научно-практической конференции «Экология и сельхозтехника»

(СПб-Пушкин 2005г.), - International Scientific conference AGRICULTURAL ENGINEERING PROBLEMS (Jelgava 2005г.), - 11-th International Conference Institute of Agricultural Engieneering LUA, (Raundondvaris 2006), - международной научно–технической конференции «Перспективы и направления развития энергетики АПК» (Минск 2006г.), международной научно-практической конференции - 5-й «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва 2006), - международном агропромышленном конгрессе «Устойчивое развитие сельских территорий страны и формирование трудового потенциала АПК в XXI веке» (СПб 2008г.), - международном конгрессе 2009 «Крупный и малый бизнес в АПК: роль, механизмы взаимодействия, перспективы» (СПб 2009г.), - региональном научно-практическом семинаре «Современное состояние, проблемы и перспективы использования возобновляемых источников энергии»

(Элиста 2009).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 32-x опубликованных работах (из них 9 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях) и одной монографии («Применение «метода типоряда» в ветроэнергетике» издательство СПбГАУ, 2009г.»). По результатам исследований оформлено 3 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 253 стр. машинописного текста, содержит 74 рисунка и таблицы. Список использованных источников включает 138 наименований.

Приложение состоит из 13 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В 1-ой главе «Обзор литературы и выбор направления исследований»

обосновывается выбор объекта исследования, и определяются задачи исследования.

Существующие ветродизельные комплексы (ВДК) можно разделить на группы: ВДК на основе ВА сетевого назначения и ВДК на основе автономных ВА.

В мире насчитывается всего несколько единиц ВДК на основе сетевых ВА с высокой долей использования энергии ветра (экономия топлива более 20%).

Универсальных решений по составу оборудования данных ВДК не существует, так как структура ВДК должна быть адаптирована под конкретного потребителя.

Основные технические проблемы при использовании ВДК на основе автономных ВА решены. Кроме того, данные ВДК обладают следующими преимуществами:

- в электрической схеме отсутствуют технические средства регулирования частоты и напряжения локальной сети, так как качество электроэнергии обеспечивается инвертором, - в составе ВДК присутствует аккумуляторная батарея (АКБ), которая позволяет более эффективно использовать энергию ветра, - наличие на рынке автономных ВА мощностью от 1 до 20кВт позволяет обеспечить электроснабжение даже самых маломощных потребителей, - электрическая схема состоит в основном из стандартных элементов, - ВДК позволяют экономить до 85% дизельного топлива, - можно включать в состав ВДК существующие изношенные ДЭС, - автономные ВА легко транспортируются и монтируются обычно без крана, - ВДК могут сооружаться по типовым проектам, - автономные ВА могут иметь гравитационный фундамент (в данном случае не требуется проведение инженерно-строительных изысканий).

В то же время можно отметить недостатки ВДК на основе автономных ВА:

- высокая стоимость, которая составляет от 4000 до 8000$ за 1кВт установленной мощности, - отсутствие на рынке моделей мощностью более 20кВт, а также отечественных ВА мощностью более 5кВт (хотя возможно создание более мощных систем путем использования нескольких ВА).

Блок - схема ВДК с автономными ВА приведена на рис. 1.

В настоящее время производители используют 3 варианта электрической схемы ВДК с автономными ВА. В первом варианте ДЭС работает только на заряд АКБ (ВЭДУ-10кВт, ФГУП НИИЭМ). Во втором варианте основные нагрузки потребителей подключаются напрямую к ДЭС, а часть мощности ДЭС тратится на заряд АКБ. Мощность ЗУ принимается не менее 25% от установленной мощности ДЭС для обеспечения ее минимальной загрузки.

Третий вариант, по сути, является вторым вариантом с той разницей, что существуют технические устройства для загрузки ДЭС до номинальной мощности (ВДК «Бриз-Дизель+», НПО «Электросфера»). При загрузке ДЭС в пределах 50-75% от номинальной мощности ресурс ДЭС расходуется эффективно и расход топлива на производство 1кВтч минимален. В ветродизельном комплексе «Бриз-Лидер+» загрузка ДЭС обеспечивается путем регулирования зарядного тока АКБ. Эффективность рассмотренных вариантов ВДК устанавливается в 5-й главе диссертации.

ВА РЗ/выпрямитель Потре АКБ Инвертор битель ВА 2 РЗ/выпрямитель энергии РЗ/выпрямитель ВА Зарядное устройство ДЭС Рис. 1 Блок-схема ВДК с автономными ВА Далее в 1-й главе обосновывается тип и мощность ВДК для автономных с/х потребителей. Потребители могут быть следующие:

- небольшие рыбоперерабатывающие предприятия, дислоцированные в прибрежных зонах, - форелеводческие фермы, - небольшие фермерские хозяйства (крупные фермерские хозяйства обычно подключены к центральным электросетям), - лесозаготовительные предприятия, дислоцированные в районах вырубки леса, - сезонные потребители, привязанные к пастбищам и земельным угодьям, - небольшие поселки, где сеть отсутствует или разрушена.

На основе анализа данных потребителей, а также электрооборудования, которое они используют, можно сделать вывод, что для обеспечения большинства с/х потребителей можно использовать ВДК с автономными ВА мощностью до 200кВт. Данные ВДК выбраны в качестве объекта исследований в диссертации.

На основании анализа литературных источников, Интернета и патентного поиска были определены цель и задачи исследований, которые приведены в разделе автореферата «Общая характеристика диссертации».

Во 2-й главе «Метод типоряда» и «закон пропорциональности»

разрабатывается типоряда» и обосновывается «метод «закон пропорциональности».

В промышленности часто используются типоряды технических устройств.

Типоряд – это совокупность каких-либо технических устройств, выполняющих одну функцию, но различающихся каким-либо номинальным параметром, например мощностью.

В качестве номинального параметра может быть:

- мощность устройства, - номинальное усилие, которое производит или выдерживает устройство, - номинальная производительность, - номинальный линейный размер.

Существуют традиционные методики проектирования технических устройств. В начале определяются основные проектные параметры (параметры, которые позволяют данному устройству достичь своих номинальных показателей). Далее определяются нагрузки, и проводится расчет на прочность конструктивных элементов устройства. Затем проводится тепловой расчет.

Затем определяются массогабаритные параметры. И, наконец, определяются параметры экономической эффективности, например стоимость.

Заключительный этап проектных работ – конструирование. Конструирование также включает подбор стандартных элементов, которые выбираются по каталогу. В «методе типоряда» можно от проектных параметров перейти к конструированию, минуя все промежуточные ступени проектирования. Причем все промежуточные результаты процесса проектирования при необходимости можно легко определить.

Кроме того, разработанный нами «метод типоряда» позволяет следующее:

- проводить аналитические исследования типорядов технических устройств, - проводить оптимизацию технических устройств в пределах типоряда.

Изначально «метод типоряда» был разработан для конструирования типорядов ветроагрегатов. Впоследствии было установлено, что положения метода можно с успехом использовать для конструирования других технических устройств. Тем не менее, в данной работе применение «метода типоряда» будет рассматриваться в области ветроэнергетики.

Основное условие применения метода - существование испытанного образца технического устройства. Назовем это устройство «базовой моделью».

Суть «метода типоряда» заключается в выражении всех параметров и характеристик через один параметр. Назовем данный параметр характеристическим параметром. Зависимости всех параметров от характеристического параметра будем называть законами изменения параметров в пределах типоряда.

В качестве характеристического параметра R удобно взять какой-либо линейный размер или мощность устройства. Основные параметры изделия Пi могут быть представлены в виде следующего закона:

Пi = Ki RMi, (2) где Ki и Mi - некоторые константы, которые характеризуют изменение параметра Пi в пределах типоряда. Тогда расчет какого-либо параметра можно провести по формуле:

Пi = Пбi (R/Rб)Mi, (3) где Пбi - параметр базовой модели, Rб - характеристический параметр базовой модели.

Таким образом, кроме параметров базового устройства требуется установить показатели степени законов изменения параметров. Показатели можно установить на основе технических зависимостей или экспериментально.

«Метод типоряда» позволяет в некоторых случаях удешевить или свести до минимума испытания опытных образцов технических устройств. Если в разрабатываемом устройстве используются проверенные конструктивные решения, то испытания не требуются вообще, так как в качестве базовой модели используется отработанная конструкция с такими же конструктивными решениями. Если используются новые конструктивные решения, то можно изготовить и в натурных условиях испытать малогабаритное устройство. При этом затраты на испытания будут сокращены.

При помощи «метода типоряда» для некоторых типорядов технических устройств можно доказать «закон пропорциональности». Данный закон можно сформулировать следующим образом: пропорциональное изменение линейных размеров технического устройства в пределах типоряда обеспечивает сохранение работоспособности. Конечно, окончательные размеры должны быть скорректированы с учетом номенклатуры стандартных изделий (крепежные изделия, подшипники, металлопрокат и т.п.).

Условие сохранения работоспособности может иметь следующее значение:

- ограничение напряжений, контактных давлений, - отсутствие критических деформаций в конструкции, - сохранение устойчивости конструкции, - отсутствие резонансных явлений.

Для того чтобы сохранить работоспособность, должны выполняться следующие условия в переделах типоряда:

- моменты возрастать пропорционально кубу линейного размера, - силы должны возрастать пропорционально квадрату линейного размера, - частоты (вращения, колебаний) должны быть обратно пропорциональны линейному размеру, - мощность должна возрастать пропорционально квадрату линейного размера.

Рассмотрим более подробно использование «закона пропорциональности»

при проектировании и конструировании ветроагрегатов. В данном случае в качестве характеристического параметра удобно взять радиус ветроколеса R.

Можно доказать, что «закону пропорциональности» подчиняются следующие нагрузки и параметры:

- основные проектные параметры и аэродинамические нагрузки, - центробежные нагрузки, - силы трения, - силы упругости, - резонансные частоты, - динамические параметры.

Существуют такие типоряды ветроагрегатов, в пределах которых «закон пропорциональности» действует ограниченно (например, типоряд с изменяющейся быстроходностью ветроколеса в зависимости от его радиуса).

Существуют также другие исключения при использовании «закона пропорциональности». В частотности, «закону пропорциональности» не подчиняются нагрузки от сил веса, параметры электротехнических устройств, например электрогенераторов. Долговечность изделия с учетом выносливости материала также требует дополнительной проверки при использовании закона.

Однако основное влияние на работоспособность ветроагрегата все-таки оказывают нагрузки, которые подчиняются «закону пропорциональности».

«Закон пропорциональности» может иметь универсальное применение в технике при проектировании устройств, которые подчиняются законам механики и аэродинамики. По нашему мнению к данным устройствам, кроме ветроагрегатов, можно отнести следующие: редукторы, насосы, вентиляторы, и др.

В качестве примера покажем, что «закону пропорциональности»

подчиняются аэродинамические характеристики и аэродинамические нагрузки ветроколеса (ВК). Характеристики и нагрузки можно рассчитать, основываясь на аэродинамическом подобии ветроколес.

Выделяют следующие относительные аэродинамические характеристики ВК: - коэффициент использования энергии ветра,Mд – относительный движущий момент, Mа – относительный осевой момент лопасти, Mпов относительный момент поворота ветроголовки в косом потоке, B – коэффициент лобового давления, Z – быстроходность ветроколеса.

Абсолютные параметры связаны с относительными следующим образом:

N= R2 V3/2 = k R2, (4) Мд = Mд R3 V2/2 = k R3, (5) Ма = Mа R3 V2/2 = k R3, (6) Мпов = Mпов R3 V2/2 = k R3, (7) P = В R3 V2/2 = k R2, (8) = Z V/R = k R-1, (9) где N – мощность ветроколеса, R – радиус ветроколеса, – плотность воздуха;

V – скорость ветра, Мд – движущий момент ветроколеса, Ма -– осевой момент лопасти, Мпов – момент поворота ветроголовки в косом потоке, P – лобовое давление ветроколеса;

– частота вращения ветроколеса.

Если ветроколеса ветроагрегатов в пределах типоряда имеют геометрическое подобие, то в формулах (4) – (9) при фиксированной скорости ветра все параметры являются одинаковыми для всего типоряда, кроме радиуса ветроколеса R.

Рассмотрим, как меняются напряжения при действии аэродинамических нагрузок в каком-либо круглом силовом сечении ВА при изменении радиуса ветроколеса:

и = Mи/(0,1 D3) = k R3 R-3 =k R0, (10) к = Mк/(0,2 D3) = k R3 R-3 =k R0, (11) р = P/(/4 D2) = k R2 R-2 =k R0, (12) где и - напряжения изгиба круглого сечения диаметром D, к - напряжения кручения круглого сечения диаметром D, р - напряжения растяжения-сжатия круглого сечения диаметром D, Mи – изгибающий момент, Mк – крутящий момент, P – сила.

На основании формул (4) – (12) можно сделать очевидный вывод: если размеры силовых элементов изменяются пропорционально отношению радиусов ветроколес, то напряжения в данных силовых элементах будут одинаковы при фиксированной скорости ветра. Если рассмотреть более сложные силовые сечения, то последнее утверждение также справедливо.

В соответствии с «законом пропорциональности» линейные деформации должны быть пропорциональны радиусу ветроколеса, а угловые быть постоянными в пределах типоряда ветроагрегатов. Докажем это утверждение.

Рассмотрим консольную балку в конструкции ВА, нагруженную силой P.

Линейную деформацию X и угловую Q можно рассчитать по следующим формулам:

X = P L3/(3 E J) = k R2 R3 R-4 = k R, (13) Q = P L2/(3 E J) = k R2 R2 R-4 = k R0. (14) Момент инерции сечения балки J пропорционален четвертой степени размера балки, поэтому при пропорциональном изменении размеров момент инерции пропорционален четвертой степени радиуса ВК. Анализируя формулы (13) и (14) можно сделать вывод, что деформации соответствуют «закону пропорциональности».

Таким же способом можно доказать действие «закона пропорциональности» в отношении других параметров.

«Закон пропорциональности» позволяет в большинстве случаев исключить прочностной расчет конструкции ветроагрегата, расчет на резонансные явления и динамический расчет.

Учет «закона пропорциональности» позволяет упростить:

- определение основных проектных параметров и нагрузок, - конструирование силовых элементов ВА, - выбор стандартных элементов для ВА, - определение массогабаритных характеристик ВА и отдельных элементов ВА, - определение стоимости ВА и отдельных элементов ВА.

Конструирование с использованием «закона пропорциональности» очень просто. Все геометрические размеры, включая размеры сечений силовых элементов, увеличиваются пропорционально отношению радиуса ветроколеса разрабатываемого ветроагрегата к радиусу ветроколеса базовой модели. В качестве базовой модели можно взять испытанный и работоспособный ветроагрегат, который имеет такие же конструктивные особенности, как и разрабатываемый ветроагрегат. При проектировании элементов ВА, которые не подчиняются «закону пропорциональности» (электрогенераторы, фундамент и другие элементы, где существенную роль играют силы веса), применяется «метод типоряда».

Определение массы элементов ВА с использованием «закона пропорциональности» осуществляется по кубическому закону возрастания массы элемента от радиуса ветроколеса (kR3).

Рассмотрим более подробно зависимость стоимости от массы. Разделим технические устройства и изделия на два типа. К 1-му типу можно отнести те технические устройства, в себестоимости которых преобладает стоимость материала. К таким изделиям можно отнести лопасть, мачту (башню), флюгер.

Ко 2-му типу можно отнести сложные устройства, в себестоимости которых преобладает технология изготовления. Стоимость устройств и изделий 1-го типа пропорциональна массе изделия. Однако имеется масштабный коэффициент, который обеспечивает некоторое отставание стоимости от линейного закона. В общем случае для устройств 1-го типа можно установить закон стоимости - kR2.7.

Закон стоимости изделий 2-го типа может сильно отличаться от закона устройств 1-го типа. Данный закон требует определения в каждом конкретном случае, чаще экспериментально (по данным прайс-листов). В общем случае показатель степени закона стоимости технических устройств 2-го типа должен быть уменьшен в 1,5 раза.

Учет «закона пропорциональности» позволил решить ряд технических проблем. В частности, были случаи возникновения резонанса опор опытных образцов отечественных ветроагрегатов мощностью порядка 30кВт.

При вращении ветроколеса генерируются 2 частоты. Первая частота f связана с дисбалансом центра масс ветроколеса. Вторая частота f2 связана с аэродинамическим ударом при прохождении лопасти перед опорой ВА.

Для устранения явления резонанса собственная частота колебаний опоры ветроагрегата должна быть разнесена с частотами f1 и f2. С использованием «метода типоряда» можно показать, что у геометрически подобных ВА на геометрически подобных опорах резонансные частоты будут разнесены в одинаковом отношении.

С учетом последнего факта можно объяснить проблему с резонансом опор некоторых отечественных ветроагрегатов мощностью выше 20-50кВт. У ВА мощностью до 5кВт генерируемая ветроколесом частота в рабочем диапазоне частот вращения находится выше собственной частоты колебаний опоры f1.

Высота опоры при этом составляет 12-30м. После страгивания ВК разгоняется, проходит резонансную частоту и выходит на безопасные с точки зрения резонанса частоты вращения. Ветроагрегаты мощностью 20-50кВт имеют радиус ветроколеса примерно в 2 раза больший, чем у ВА мощностью 5кВт.

Согласно «закону пропорциональности» для устранения явления резонанса высота опоры должна быть также в 2 раза больше. Однако для ветроагрегатов 20-50кВт применяли опоры высотой 12-18м. При этом конструкторы закладывали в опору большие запасы прочности. В результате собственная частота колебаний опоры приближалась к частотам f1 и f2, возникал резонанс.

Таким образом, для устранения резонанса опор ВА мощностью 20-30кВт необходимо применять опоры высотой более 25м и не закладывать в конструкцию чрезмерных запасов прочности.

Учет исключений из «закона пропорциональности» также позволил решить ряд технических проблем. Одним из следствий нарушения «закона пропорциональности» является отсутствие подобия в системах регулирования ветроагрегатов разных размеров, в которых управляющие нагрузки создаются весом различных элементов. В частности, некоторые ветроагрегаты мощностью до 20кВт используют систему регулирования уводом ветроколеса в косой поток. Причем флюгер данных ВА располагается на наклонном шарнире. При повороте флюгера на наклонном шарнире силы веса флюгера создают момент, который противодействует уходу ветроколеса в косой поток (данный момент уравновешивает момент поворота ветроголовки). Максимальный момент, который может создавать вес флюгера, составляет:

Мф = mф 9,8 Lц.м.ф sin = k R3 R = k R4, (15) где mф - масса флюгера, Lц.м.ф - расстояние от оси флюгера до центра масс флюгера, - угол наклона оси флюгера. Как видно из формулы (5), момент веса флюгера пропорционален четвертой степени радиуса ветроколеса.

Рис. 2 Схема к расчету момент флюгера «Закон пропорциональности» требует, чтобы момент был пропорционален кубу радиуса ветроколеса. При этом масса флюгера должна изменяться пропорционально квадрату радиуса ветроколеса, а в действительности масса меняется пропорционально кубу радиуса ветроколеса. Для маленьких ветроагрегатов данная проблема легко решается путем использования балластных грузов. Для ветроагрегатов мощностью более 20кВт возникает проблема: флюгер должен быть облегчен до такой степени, что не обеспечивается требуемая прочность и жесткость. Для решения данной проблемы предлагаются следующие варианты:

- применить в конструкции материал с большей удельной прочностью (стеклопластик или алюминий), - изменить конструкцию флюгера с целью уменьшения массы, например, вместо цилиндрической трубы использовать трубу переменного сечения.

Далее во 2-й главе рассматриваются типоряды, которые не подчиняются «закону пропорциональности». Для анализа данных типорядов используется «метод типоряда».

Предложен способ изготовления тихоходных генераторов с постоянными магнитами с использованием деталей от асинхронных электродвигателей.

Данный способ позволяет упростить и удешевить создание тихоходных генераторов. При использовании общепромышленных асинхронных электродвигателей серии 5А (высота оси от 56 до 355мм) можно создать типоряд генераторов для ВА мощностью от 0,5 до 40кВт.

При создании генераторов можно взять все детали двигателя, кроме ротора (беличья клетка). В некоторых случаях вал и подшипниковые узлы требуют усиления. Изготавливается новый ротор с постоянными магнитами, который можно закрепить на валу асинхронного двигателя или специально изготовленного вала. Для получения заданного напряжения обмотка двигателя может быть соединена другим способом ("треугольник" или "звезда") или перемотана другим проводом.

Преимущества предлагаемых тихоходных генераторов следующие:

- уменьшение стоимости за счет использования деталей асинхронных двигателей, -"ноу-хау" в конструкции генератора обеспечивает минимальный момент страгивания, -все детали могут быть изготовлены на обычных металлообрабатывающих станках, -сборка ротора не требует специальной оснастки.

«Метод типоряда» позволяет определить соотношение между габаритом генератора D и радиусом ветроколеса R:

D = Dб (x/xб)-0.2 (R/Rб)0.8, (16) где Dб – габарит генератора базового ВА, x - отношение длины статора к диаметру расточки статора генератора, xб - отношение длины статора к диаметру расточки статора генератора базового ВА.

В соответствии с предлагаемым способом был изготовлен генератор мощностью 5кВт (см. рис. 4), который является базовой моделью для расчетов параметров других генераторов (см. рис. 3). В расчетах были использованы также параметры серийных асинхронных двигателей.

2. 40 y = 9E-06x Мощность генератора, кВт 0 50 100 150 200 250 300 350 Высота оси генератора, мм Рис. 3 Зависимость мощности тихоходного генератора от высоты оси Рис. 4 Сборка тихоходного генератора с постоянными магнитами мощностью 5кВт При помощи «метода типоряда» была решена проблема плохого страгивания в слабый ветер ветроагрегатов малой мощности.

Скорость ветра при страгивании является важной характеристикой ВА.

При данной скорости ветра остановленное ветроколесо преодолевает момент страгивания тихоходного генератора.

Проблема страгивания возникает по следующей причине: изменение момента страгивания ветроколеса и момента страгивания тихоходного генератора происходит по степенным законам (2) с разными показателями степени Mi.

Для обеспечения равенства моментов страгивания ветроколеса и генератора скорость ветра при страгивании должна изменяться в пределах типоряда. Закон изменения данной скорости ветра легко определить:

Vстр = k R-0.3. (17) Таким образом, скорость ветра при страгивании увеличивается с уменьшением радиуса ветроколеса в пределах типоряда ВА с одинаковой быстроходностью. Данный фактор ухудшает эффективность ВА с уменьшением их мощности. В частности, такой показатель как выработка энергии на 1кВт установленной мощности для менее мощных ВА будет меньше.

Для решения проблемы страгивания необходимо обеспечить постоянство скорости ветра при страгивании. Это можно сделать 2-мя способами:

- изменение быстроходности ВА с изменением радиуса ветроколеса, - нарушение пропорциональности изменения линейных размеров генератора, например нелинейное изменение воздушного зазора.

Рассмотрим первый способ решения проблемы. «Метод типоряда»

позволяет получить степенные законы зависимости максимально допустимой быстроходности Z и линейного размера генератора D от радиуса ветроколеса:

Z = k R0,333, (18) D = k R0,667. (19) Как видно из формул (18) и (19), изменение быстроходности наряду с обеспечением постоянства скорости ветра при страгивании позволяет уменьшить массогабаритные характеристики генератора более мощных ВА:

показатель степени в формуле (19) - 0,667 против показателя степени в формуле (16) - 0,8.

Существует еще одна причина, по которой рекомендуется снижать быстроходность при уменьшении мощности ветроагрегата. C уменьшением радиуса ветроколеса уменьшается число Рейнольдса. При уменьшении числа Рейнольдса аэродинамическое качество профиля лопасти падает. При этом также снижается эффективность ветроколеса. Причем в диапазоне чисел Рейнольдса менее 200000 эффективность ветроколеса падает резко. Повысить число Re можно за счет уменьшения быстроходности. «Методом типоряда»

получены следующие законы изменения максимально допустимой быстроходности:

Для трехлопастного ветроколеса Zмакс = 3,36 R0,78, (20) Для двухлопастного ветроколеса Zмакс = 4,57 R0,83. (21) Применяя оба ограничения - по моменту страгивания и по числу Рейнольдса - можно построить максимально допустимые быстроходности для трехлопастного и двухлопастного ветроколеса (см. рис. 5). В качестве базовой модели был взят ветроагрегат "Бриз-5000", который имеет ветроколесо диаметром 5м и номинальную быстроходность 7. Как видно из рисунка, с точки зрения страгивания быстроходность ветроагрегатов, конструкция которых подобна ветроагрегату "Бриз-5000", может быть более чем 8, если мощность выше 20кВт. На практике обычно не делают ветроагрегаты с быстроходностью более чем 8. Во-первых, с увеличением быстроходности надо использовать более узкие лопасти. Можно высказать предположение, что ветроколесо с быстроходностью более 8 будет иметь лопасти с неудовлетворительной прочностью и жесткостью. Во-вторых, увеличение быстроходности выше существенно повышает шумность ВА. Таким образом, возможность увеличения быстроходности ВА выше 8 требует дополнительных исследований в области аэродинамики, сопротивления материалов и защиты от шума.

Из рис. 5 также следует, что для ветроагрегатов мощностью до 5кВт выгоднее применять 2-х лопастные ветроколеса, так как они позволяют применить более высокую быстроходность (увеличение быстроходности обеспечит лучшие массогабаритные характеристики ветроагрегату).

Номинальная быстроходность 3-х лопастной ветроагрегат 2-х лопастной 3 ветроагрегат 0 5 10 15 20 25 Мощ ность ветроагрегата, кВт Рис. 5 Зависимость максимально допустимой номинальной быстроходности от мощности ветроагрегата В 3-й главе «Повышение эффективности ветроагрегатов малой мощности по результатам исследования характеристики ветроколеса в косом потоке»

определяются оптимальные конструктивные параметры ветроагрегата с системой регулирования уводом ветроколеса в косой поток.

Одна из основных систем малых ВА – это система регулирования мощности, которая, как правило, выполняет функцию буревой защиты. Данная система определяет компоновку ВА. Существует 2 основных типа систем регулирования ВА мощностью до 50кВт.

1. Центробежно-пружинное регулирование (ЦРП). Регулирование осуществляется за счет изменения угла установки лопастей под воздействием центробежных сил.

2. Увод ветроколеса в косой поток. Регулирование осуществляться за счет изменения угла косого потока (угла между нормалью к плоскости ВК и направлением ветра).

Система регулирования уводом ВК в косой поток отличается простотой и надежностью. В диссертации обосновывается использование данной системы регулирования для ВА мощностью до 50кВт.

Для того чтобы ветроголовка уходила в косой поток, применяют смещение оси ветроколеса от оси мачты - e (см. рис. 6). Наиболее полную информацию о моменте поворота ветроголовки дают следующие относительные аэродинамические характеристики: коэффициент лобового давления В, относительное смещение центра парусности a (a = a/R), относительная касательная сила T.

Относительный момент поворота ветроголовки можно вычислить следующим образом:

Мпов = (e + a) В + T l, (22) где e - относительное смещение оси ВК, l - относительный вылет ВК.

Рис. 6 Схема к расчету момента поворота ветроголовки в косом потоке.

Характеристика момента поворота ветроголовки - это зависимость относительного момента поворота от угла косого потока. Данная характеристика позволяет определить основную энергетическую характеристику ВА: кривую мощности (зависимость мощности на зажимах генератора от скорости ветра). Кривая мощности позволяет рассчитать выработку энергии в зависимости от параметров ветрового режима.

Относительные аэродинамические характеристики в формуле (22) являются функцией 2-х переменных: угла косого потока и быстроходности Z.

В рамках написания диссертации были проведены исследования быстроходного ветроколеса в косом потоке с целью получения характеристики момента поворота ветроголовки. Особое внимание при испытаниях было уделено влиянию следующих параметров на форму характеристики момента поворота:

относительное смещение осиe, относительный вылет ВК - l и быстроходность Z. В частности, необходимо было найти минимальное значение параметра e, при котором характеристика момента поворота является положительной во всем диапазоне углов косого потока. Положительная характеристика обеспечивает работоспособность системе регулирования, а меньшие значения параметра e обеспечивают ветроагрегату лучшие массогабаритные характеристики и эстетичный внешний вид.

По результатам испытаний выявлено новое явление в аэродинамике ветроколеса в косом потоке, которое не упоминается в литературных источниках. Суть явления заключается в том, то при смещении оси ВК влево характеристика момента поворота значительно отличаются от такой же характеристики при смещении оси ветроколеса вправо (здесь и далее по тексту принято: ВК вращается по часовой стрелке;

имеется ввиду смещение влево, если смотреть сверху на ВА;

положительный момент поворота ведет к увеличению угла косого потока). На рис. 7 приведена характеристика момента поворота ветроголовки при смещении оси ВК вправо на 0,15R, и характеристика момента поворота при смещении оси ВК влево на 0,15R на холостом ходу (21-я и 22-я серии соответственно).

0. 0. 0. 0. 0. 21-я серия 22-я серия 0. -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 -0. Рис. 7 Характеристики момента поворота 4-х лопастного ВК на холостом ходу (21-я серия смещение оси ВК вправо, 22-я серия смещение оси ВК влево на такое же расстояние) Как видно из графика, на холостом ходу (XX) характеристика при смещении вправо положительна при любом угле косого потока. При смещении влево имеется диапазон углов косого потока, когда момент поворота уменьшается до нуля и даже может принимать отрицательное значение. Здесь рассмотрен режим работы на XX, так как режим работы под нагрузкой более благоприятен с точки зрения регулирования.

При нулевом угле косого потока момент поворота при смещении вправо выше в 1,5 раза, чем при смещении влево. Это можно объяснить только тем фактом, что центр парусности ВК смещается в сторону даже при нулевом угле косого потока. Причем направление смещения центра парусности увязано с направлением вращения ветроколеса. Если смотреть со стороны потока на ВК, которое вращается по часовой стрелке, то центр парусности смещается влево.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы.

1. Смещение ВК вправо предпочтительный вариант, так как это обеспечивает: во-первых, гарантированно положительную характеристику момента поворота на ХХ, во-вторых, уменьшение смещения ВК, так как при этом улучшаются массогабаритные характеристики ВА.

2. Вылет ВК мало влияет на характеристику момента поворота, поэтому вылет можно принимать чисто из конструктивных соображений.

Полученные в результате исследований выводы, позволяют определить эффективность конструктивных исполнений систем регулирования уводом ВК в косой поток серийных ВА (см. рис. 8).

Набольшей эффективностью отличается 2-й вариант, так как в нем используется смещение оси ВК вправо. Предложен также новый вариант – 5-й вариант (см. рис. 9), который отличается от 2-го варианта тем, что флюгер имеет упор, как у 4-го варианта.

Рис. 8 Конструктивные варианты систем регулирования ВА уводом ВК в косой поток Рис. 9 Конструктивный вариант 5 системы регулирования ВА уводом ВК в косой поток Эффективность вариантов систем регулирования ВА можно определить по значению коэффициента использования установленной мощности в ветровых условиях Северо-западного региона. Для сравнения имеются следующие варианты систем регулирования: 2-й вариант, 5-й вариант и вариант с центробежно-пружинным регулированием (ЦРП). На рис. 10 показаны расчетные кривые мощности ветроагрегатов для каждого варианта.

В таблице 1 приведены коэффициенты использования установленной мощности (отношение выработки энергии ВА к выработке энергии при работе ВА с установленной мощностью), которые рассчитаны для 3-х среднегодовых скоростей ветра: 4м/с для континентальной части Северо-Западного региона, 5м/с для прибрежных районов Северо-Западного региона, 6м/с для островов Финского Залива и Ладожского озера.

Мощность, кВт Увод ВК в косой поток, 5-й вариант 10 Увод ВК в косой поток, 2-й вариант ЦПР 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Скорость ветра, м/с Рис. 10 Кривые мощности ВА с различными системами регулирования Таблица 1 Коэффициенты использования установленной мощности, % 2-й вариант 5-й вариант Среднегодовая скорость ветра, м/с ЦПР 4 12,75 14,34 14, 5 19,54 21,83 22, 6 26,82 29,91 Как видно из таблицы 1, 2-й вариант проигрывает двум другим вариантам до 15%, 5-й вариант проигрывает не более 4% варианту с ЦПР.

Таким образом, в случае использования системы регулирования уводом ВК в косой поток, рекомендуется 5-й вариант. Данный вариант может конкурировать по эффективности с вариантом центробежно-пружинного регулирования.

В 4-й главе «Обоснование конструктивных особенностей и единичной мощности ВА по критерию удельной себестоимости» обосновываются оптимальные компоновочные решения ВА по критерию минимума удельной себестоимости, обосновывается единичная мощность ВА в составе ВДК и определяется зависимость удельной стоимости ВДК от мощности.

Одним из важных применений «метода типоряда» является поиск оптимальных компоновочных решений. Как известно из практики, ветроагрегаты разных мощностных диапазонов отличается компоновкой.

Например, ветроагрегаты мощностью до 5 кВт имеют безредукторную конструкцию, а более 100 кВт имеют редуктор. «Метод типоряда» позволяет обосновать мощностные диапазоны применимости тех или иных технических и компоновочных решений.

В таблице 2 приведены конструктивные особенности автономных ветроагрегатов, которые используют в мощностном диапазоне до 50 кВт.

Таблица 2 Конструктивные особенности расчетных вариантов 1-й 2-й 3-й 4-й 5-й 6-й и 7-й Отличительные особенности вариант вариант вариант вариант вариант вариант Редуктор - + + - - + Увод ветроколеса в + - - - - + косой поток ЦРП - + + + + Флюгер + - + - + + Виндрозный - + - + - механизм Пример ВЭУ- ВЭУ- ВА "Бриз- PW-30, EOL-6, Франция 5000" 30кВт 30кВт Pitch 30кВт НПО ООО ООО НПО Wind, "Электро "Ветра- "Инвест- Швеция "Электро сфера" стар" Профит" сфера Показатели степени Mi законов изменения стоимостей компонентов ВА и ВДК (см. таблицу 3) были получены теоретически или экспериментально (с использованием прайс-листов). Характеристические параметры в данном случае: радиус ветроколеса - R и мощность ВА – N. Стоимости компонентов базовых ВА мощностью 20кВт были определены на основе опыта создания 3-х экспериментальных ВА мощностью 30кВт.

Таблица 3 Законы изменения стоимости компонентов ВА и ВДК Компонент Закон изменения стоимости С = k R2.7 (С = k R1.4 для безредукторных Ветроколесо ВА мощностью менее 20кВт) С = k R2. Рама, обтекатель С = k R1. ЦПР, главный вал, редуктор, опорно-поворотное устройство (ОПУ), виндрозный механизм с ОПУ, шарнир флюгера, С = k R1.8 (С = k R2.7 для варианта с ЦРП) Флюгер С = k R1. Генератор тихоходный С = k R0. Генератор быстроходный С = k R1. Мачта (высота в пределах типоряда постоянная) С = k R1. Сборка ветроагрегата С = k N0. Аккумуляторная батарея (АКБ) С = k R0, Регулятор заряда АКБ С = k R0, Балластное сопротивление С = k N0. Инвертор С = k N0. ДЭС С = k N0. Зарядное устройство С = k N0. Блок управления ВДК Проектные работы и монтаж ВДК 10% от стоимости оборудования Если известна стоимость компонентов базового ВА, то с использованием формулы (3) можно рассчитать удельную себестоимость любого ВА:

_ С = (Сбi (ред R/Rб)Mi-2 + Сбген (R/Rб)Mген-2 + +Сбрз (R/Rб)Mрз-2)/Nб, (23) где Сбi - стоимость i-того элемента базового безредукторного ВА, R - радиус ветроколеса, Rб - радиус ветроколеса базового безредукторного ВА, Mi показатель степени закона стоимости i-того элемента, Nб – мощность базового ВА, Сбген и Сбрз - стоимости генератора и регулятора заряда базового ВА соответственно, Mген и Mрз показатели степени закона стоимости генератора и регулятора заряда соответственно, р - КПД мультипликатора.

На рис. 11 представлены результаты компьютерного моделирования удельной себестоимости ВА для всех вариантов.

1-й вариант 2-й вариант 90 3-й вариант 4-й вариант Удельная себестоимость ВА, тыс.руб/кВт 80 5-й вариант 6-й вариант 70 7-й вариант 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Мощность ВА Рис. 11 Зависимость удельной себестоимости от мощности ВА Анализируя полученные результаты (см. рис. 11) можно сделать следующие основные выводы.

1. Конструктивно-компоновочная схема практически не влияет на себестоимость ВА. Варианты с 1-го по 6-ой различаются по стоимости не более чем на 10%. В частности, использование безредукторной схемы не увеличивает себестоимость ВА. Большее значение, чем схема, имеет стоимость комплектующих (за счет снижения стоимости комплектующих в 7-м варианте удалось снизить себестоимость ВА на 20% по сравнению с 6-м вариантом).

2. Ветроагрегаты мощностью менее 5кВт не эффективны по критерию удельной себестоимости. В частности, данный показатель для ВА мощностью 1кВт в 1,7 раза хуже, чем для ВА мощностью 30кВт. В диапазоне мощностей 20-75кВт удельная себестоимость ВА меняется незначительно. Таким образом, если мощность потребителя меньше 20кВт, то рекомендуется использовать один ВА требуемой мощности. Если мощность потребителя более 20кВт, то для получения требуемой мощности можно использовать несколько ВА мощностью порядка 20кВт.

3. Результаты расчетов опровергают утверждение о том, что более мощные ветроагрегаты менее эффективны, так как их металлоемкость растет в кубе от диаметра ветроколеса, а мощность в квадрате (закон «куба-квадрата»). «Метод типоряда» позволяет объяснить причину нарушения закона «куба-квадрата»: из таблицы 3 видно, что существуют элементы ВА, закон стоимости которых имеет показатель степени меньше 2.

Необходимо заметить, что реальные ВА могут иметь другие значения себестоимости. Если удельная себестоимость какого-либо ВА находится ниже огибающей всех кривых на рис. 11, то это означает, что производителем найдены эффективные технические решения, которые позволили снизить стоимость компонентов ВА. Например, себестоимость 7-го варианта была снижена за счет оригинальных технических решений. Суть данных решений – использование комплектующих, которые производятся большими сериями (асинхронные двигатели, детали автомобильных трансмиссий).

Далее в диссертации определяется оптимальная единичная мощность ВА в составе ВДК с учетом площади ветропарка. «Методом типоряда» можно доказать, что площадь ветропарка не зависит от радиуса ветроколеса, а, следовательно, и от единичной мощности ВА. Последний вывод справедлив, если высота опор ветроагрегатов не меняется в зависимости от радиуса ВК.

Таким образом, для создания ВДК мощностью до 200кВт достаточно иметь ветроагрегаты единичной мощностью 20-30кВт.

Далее определяется зависимость себестоимости сооружения ВДК от мощности.

При расчете удельной стоимости ВДК был взят другой характеристический параметр - мощность ВДК - N:

С = (kва Сва +Сбi (N/Nб)Mi/N) (1+kм), (24) где kва – коэффициент наценки, Сва – удельная себестоимость ВА (см. рис. 11), Сбi – стоимость компонентов базового ВДК, Nб - мощность базового ВДК, kм – коэффициент расходов на монтаж ВДК (10% от стоимости оборудования).

Показатели степени Mi законов изменения стоимостей компонентов ВДК определены (см. таблицу 3). Стоимость компонентов электрической схемы базового ВДК мощностью 20кВт была определена на основе прайс-листов.

Результаты расчетов представлены на рис. 12. Анализируя полученные графики, можно сделать следующие выводы:

- увеличение мощности ВДК с 5 до 200кВт приводит к существенному снижению удельной стоимости ВДК - в 2,4 раза, - сравнивая удельную стоимость ВДК без учета стоимости ДЭС с критическим значением стоимости (250 тыс.руб/кВт) можно сделать вывод, что ВДК эффективны во всем рассматриваемом диапазоне мощностей (5-200кВт).

По результатам расчетов можно сделать также следующий вывод. В отличие от ветроагрегатов компоненты электрической схемы ВДК не следует разбивать на модули. Например, инвертор мощностью 15кВт состоящий из 3-х модулей по 5кВт будет иметь более высокую стоимость, чем единый инвертор на 15кВт. Это утверждение следует из законов стоимостей компонентов электрической схемы. Показатель степени данных законов меньше единицы (см. таблицу 3).

С учетом стомости ДЭС Без учета стомости ДЭС Удельная стоимость ВДК, тыс.руб/кВт 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 Мощность ВДК, кВт Рис. 12 Зависимость удельной стоимости от мощности ВДК В 4-й главе «Оптимизация ВДК по критерию минимума себестоимости энергии» разрабатывается новый метод экономии топлива ВДК, разрабатывается программа оптимизации ВДК, проводится оптимизация базового ВДК и разрабатывается инженерная методика проектирования ВДК.

Исходными данными для традиционного метода расчета экономии топлива ВДК являются среднегодовая или среднемесячная скорости ветра или распределение скоростей ветра по градациям. Данный метод расчета экономии топлива ВДК не учитывает потери выработки энергии ВА в тот период, когда АКБ заряжена. Суть предлагаемого метода - использование нового представления ветровых ресурсов, которое более удобно для расчета экономии топлива. Получение данных по ветровым ресурсам стало возможно с развитием Интернета. На некоторых сайтах находятся архивы данных с метеостанций России и др. стран за период, который может включать несколько лет. Данные доступны для свободного копирования. Можно получить данные по осредненной скорости ветра, через равные интервалы времени, например, для 0, 6, 12 и 18 часов.

Очевидно, что в таком виде данные по ветру позволяют рассчитать основные параметры ВДК с большей точностью, так как расчет производится для всех 6-ти часовых интервалов в течение года. При этом можно отслеживать во времени изменение нагрузки потребления, степень заряженности АКБ и т.д.

Необходимо только определить зависимость средней мощности ВА от средней скорости ветра в течение 6-ти часов. Подобная зависимость может быть определена для конкретной модели ветроагрегата с использованием экспериментальных данных по ветровым ресурсам. На рис. 13 приведена подобная зависимость для ВА мощностью 20кВт.

Средняя мощность ВА, кВт y = -0,0184x 3 + 0,4789x 2 - 1,6274x + 1, 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Средняя скорость ветра в течении 6-ти часов, м/с Рис. 13 Зависимость средней мощности ВА от средней скорости в течении 6-ти часового интервала Была разработана математическая модель нового метода расчета экономии топлива. Основные исходные данные модели: средняя скорость ветра для 6-ти часовых интервалов в течение года, зависимость средней мощности ВА от средней скорости ветра (см. рис. 13), количество ВА, высота мачты ВА, средняя мощность нагрузки для каждого 6-ти часового диапазона в течение года, зависимость расхода топлива ДЭС в час от ее загрузки, мощность ЗУ, мощность ДЭС, КПД устройств (КПД аккумуляторной батареи, КПД инвертора, КПД зарядного устройства).

Суть модели заключается в следующем. В каждом 6-ти часовом интервале определяется емкость АКБ после заряда ее ВА и разряда нагрузкой. Если в каком-либо интервале АКБ разрядилась до нуля, моделируется запуск ДЭС.

Емкость АКБ пересчитывается с учетом работы ДЭС и варианта ВДК. Были получены соотношения для всех 3-х вариантов ВДК, которые были рассмотрены в 1-й главе.

Основные результаты модели следующие: экономия топлива, расход топлива ВДК, время работы ДЭС, количество включений ДЭС и др.

С использованием модели экономии топлива разработана методика оптимизации ВДК по критерию минимума себестоимости энергии.

Целевая функция (себестоимость энергии ВДК) следующая:

С1 = ((1+kм) (kваСва n NВА+Сэл) (1/Тс+kэ)+(1-Э) r П Сдт/Kт)/П, (25) где n – количество ВА, NВА – установленная мощность ВА, Сэл – абсолютная стоимость электрооборудования, П – потребление энергии в год. Остальные параметры такие же, как в формулах (1) и (24).

Варьируемые параметры при оптимизации: количество ВА, номер варианта ВДК, высота мачты ВА и емкость АКБ.

Для оптимизации базового варианта ВДК была разработана программа оптимизации с использованием электронных таблиц «Excel».

Путем проведения численного эксперимента с использованием программы оптимизации установлено следующее: высота мачты стремиться к максимально возможному значению, а емкость АКБ к минимальному значению.

Минимальную емкость АКБ в Aч можно определить по следующей формуле:

E = 1000 (Nва + зу Nзу)/(0.45 Uаб), (26) где Nва - установленная мощность ВА, Nзу – мощность зарядного устройства (ЗУ) АКБ, Uаб - напряжение АКБ, зу – КПД ЗУ.

В соответствие с основным положением «метода типоряда» достаточно оптимизировать базовый ВДК определенной мощности. Затем «методом типоряда» можно определить параметры ВДК других мощностей.

Результаты оптимизации базового ВДК представлены на рис. 14 и 15. Для сравнения на рис. 14 приведена себестоимость энергии ДЭС - 13,5 руб/кВтч (характерный для РФ показатель).

По результатам оптимизации можно сделать следующие выводы:

- подтверждается эффективность ВДК даже при низкой среднегодовой скорости ветра 3м/с (снижение себестоимости энергии может быть от 15 до 45% в зависимости от среднегодовой скорости ветра), - экономически обоснованная экономия топлива может быть от 45% до 75% в зависимости от среднегодовой скорости ветра, - наибольшей эффективностью отличается 2-й вариант ВДК.

Таким образом, ВДК можно использовать в Северо-Западном регионе РФ вне зависимости от территориального положения (с учетом того, что среднегодовая скорость ветра в данном регионе составляет от 3 до 6 м/с).

Себестоимость энергии, руб/кВтч 1-й вариант ВДК 4 2-й вариант ВДК 3-й вариант ВДК Минимальная себестомость энергии Себестомость энергии ДЭС 3 3.5 4 4.5 5 5.5 Среднегодовая скорость ветра, м/с Рис. 14 Себестоимость энергии ДЭС по результатам оптимизации 0. 0. 0. Экономия топлива 0. 0. 0. 0. 1-й вариант ВДК 0.2 2-й вариант ВДК 3-й вариант ВДК 0. Обоснованная экономия топлива 3 3.5 4 4.5 5 5.5 Среднегодовая скорость ветра, м/с Рис. 15 Экономия топлива ВДК по результатам оптимизации Для использования результатов оптимизации базового ВДК при проектировании ВДК другой мощности был введен критерий S, физический смыл которого суммарная площадь обметаемой поверхности ветроколес ВА, приходящаяся на 1кВт средней мощности нагрузки потребления:

S = n R2/Nн, (27) где n – количество ВА в составе ВДК, R – радиус ветроколеса ВА, Nн – средняя мощность нагрузки.

На рис. 16 и 17 получены характеристики, отражающие зависимость себестоимости энергии и экономии топлива от критерия S.

Себестоимость энергии, руб/кВтч Vcр.год = 4м/с Vcр.год = 5м/с Vcр.год = 6м/с Себестоимость энергии ДЭС 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Критерий S, кв.м/кВт Рис. 16 Зависимость себестоимости энергии ВДК от критерия S 0. 0. 0. Экономия топлива 0. 0. 0. Vcр.год = 4м/с 0. Vcр.год = 5м/с 0. Vcр.год = 6м/с 0. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Критерий S, кв.м/кВт Рис. 17 Зависимость экономии топлива от критерия S Как видно из рис. 16, среднегодовая скорость ветра практически не влияет на оптимальное значение критерия S. Данный факт позволяет упростить процесс проектирования ВА. Оптимальное значение критерия S составляет 15 35кв.м/кВт. В данном диапазоне себестоимость имеет пологий минимум. Как видно из рис. 17, в некоторых случаях можно получить экономию топлива ВДК до 95% однако при этом себестоимость энергии ДЭС не будет снижена.

Если удельный расход топлива ДЭС задан, то можно пересчитать экономию топлива по следующей формуле:

Э = 1 – rб/r (1 – Эб), (28) где rб - удельный расход топлива ДЭС в базовом варианте (0,4 кг/кВтч), r – удельный расход топлива ДЭС, Эб – базовая экономия топлива ВДК (определяется по графику на рис. 17).

С использованием результатов оптимизации базового ВДК была разработана инженерная методика проектирования ВДК любой мощности.

Основные исходные данные для проектирования ВДК: среднегодовая скорость ветра, параметры энергопотребления (годовое потребление энергии, средняя мощность нагрузки и пиковая мощность нагрузки), мощность и удельный расход топлива существующей ДЭС, тип используемого ветроагрегата.

Предлагаемая методика проектирования ВДК на базе существующей ДЭС включает следующие этапы:

1)Определение количества ВА с использованием формулы (27). В начале задается предварительное значение критерия S = 25кв.м/кВт, затем данный критерий уточняется с учетом целочисленности количества ВА.

2)Определение предварительной экономии топлива при помощи графика на рис. 17 с последующим уточнением предварительного значения по формуле (28).

3)Определение основных параметров ВДК: мощность ЗУ (25% от мощности ДЭС), мощность инвертора (равна пиковой мощности нагрузки), емкость АКБ (по формуле 26).

4)Определение основных экономических параметров ВДК: стоимость сооружения (по каталогам и прайс-листам) и себестоимость энергии (по формуле (25)).

В 6-й главе «Создание ВА мощностью 30кВт и разработка ВДК по результатам исследований» описывается процесс создания и испытания ВА мощностью 30кВт. Данный ВА (см. рис. 18) был разработан с использованием «метода типоряда» силами НПО «Электросфера» (www.breezex.ru). ВА-30кВт выполнен согласно компоновочному варианту 7, эффективность которого была обоснована в главе 4.

Некоторые технические характеристики разрабатываемого ВА-30кВт приведены в таблице 4.

Конструктивные особенности ВА-30кВт следующие:

- регулирование уводом ветроколеса в косой поток, - генератор, изготовленный с использованием деталей от асинхронных двигателей, - редукторная схема (редуктор изготовлен из деталей автомобильный трансмиссий), - система останова – принудительный поворот флюгера на 90°, - мачта с растяжкам высотой 18м, - гравитационный фундамент, - монтаж без использования крана.

Таблица 4 Основные характеристики ВА-30кВт Установленная мощность 30кВт Расчетная скорость ветра 13м/с Количество лопастей Диаметр ветроколеса 10,5м Рабочий диапазон скоростей ветра 3 - 40м/с Высота мачты 18м Опытный образец ветроагрегата мощностью 30кВт был изготовлен в конце 2008 года. В период с середины декабря 2008 года по середину мая 2009 года прошли первые испытания (всего 5 месяцев). Результаты испытаний ВА-30кВт можно признать удовлетворительными.

ВА-30кВт может быть использован для создания ВДК мощностью до 200кВт. С использованием данного ВА был разработан вариант электрической схемы ВДК мощностью 20кВт (см. рис. 19). Данная схема соответствует 2-му варианту ВДК, эффективность которого была обоснована в ходе оптимизации.

Рис. 18 Ветроагрегат мощностью 30кВт в работе Выпрямители, балластное сопротивление, АКБ (5ССАП350П, 110шт.

Курский аккумуляторный завод), инвертор ("Lopower 16кВА", ОАО завод инвертор, г. Оренбург), ЛАТр (TSGC-15, Китай) и ДЭС (ВЕПРЬ АДС 25-Т РК компания «Вепрь», г. Москва) являются стандартными блоками или собираются из стандартных элементов.

ЗУ состоит из стандартных блоков: 3-х фазного ЛАТРа мощностью 15кВА и неуправляемого выпрямителя. Регулируемый трансформатор необходим для того, чтобы вручную настроить зарядный ток АКБ для обеспечения 25% загрузки ДЭС. Отсутствие автоматики в ЗУ повышает надежность ВДК.

Регулятор заряда является не стандартным блоком и может быть разработан по аналогии с регуляторами заряда ВА мощностью до 5кВт.

Основная задача РЗ – предотвращение перезаряда АКБ.

Другой нестандартный блок – блок управления ВДК (БУ). Основные функции БУ можно реализовать, например, при помощи контроллера LOGO фирмы Siemens. Обязательные функции БУ следующие:

- БУ дает команду на запуск ДЭС, если АКБ разрядилась до определенного уровня, и остановку ДЭС, - БУ осуществляет переключение нагрузки с инвертора на ДЭС и обратно, а также подключение ЗУ к ДЭС, - в случае отключения инвертора из-за поломки или перегрузки БУ дает команду на запуск ДЭС, - в случае перегрузки ДЭС БУ отключает ЗУ от ДЭС.

Рис. 19 Электрическая блок-схема ВДК 20кВт Расчетная стоимость оборудования ВДК-20кВт составила 3,7млн.руб.

Таким образом, технических проблем при создании электрической схемы ВДК на основе автономных ВДК не существует.

Учитывая возможный разброс средних нагрузок потребления (2,5-6кВт) и среднегодовых скоростей ветра (3 – 5м/с) экономия топлива разрабатываемого ВДК может быть от 40 до 75%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработан новый метод проектирования - «метод типоряда».

Преимущество «метода типоряда» перед традиционными методами проектирования – уменьшение исходных данных, упрощение расчетов и сокращение затрат на испытания опытных образцов. «Метод типоряда»

позволяет также проводить аналитическое исследование типорядов технических устройств.

2. Аналитически доказан «закон пропорциональности», который в области проектирования ветроагрегатов (ВА) позволяет исключить прочностные расчеты. Данный закон позволяет: определять основные проектные параметры и нагрузки, конструировать силовые элементы, выбирать стандартные элементы, определять массогабаритные характеристики и стоимость. В частности, использование «закона пропорциональности» при проектировании опор ВА позволяет избежать резонанса (подобная проблема была у некоторых отечественных ВА мощностью 15-30кВт).

3. «Метод типоряда» эффективен при анализе и обосновании типорядов ветроагрегатов и других технических устройств. Во-первых, выявлена и решена проблема использования системы регулирования ВА мощностью более 20кВт уводом ВК в косой поток (проблема заключается в том, что момент, создаваемый весом флюгера, с увеличением мощности ВА возрастает быстрее, чем требуется для обеспечения регулирования). Во-вторых, разработан типоряд тихоходных генераторов мощностью от 0,5 до 40кВт с использованием деталей от асинхронных двигателей (генераторы данного типоряда отличаются минимальной себестоимостью). В-третьих, разработаны типоряды, в которых ВА являются одинаково эффективными вне зависимости от мощности (использование предлагаемых типорядов позволяет решить проблему плохого страгивания безредукторных ВА мощностью менее 5кВт в слабый ветер и проблему низкой аэродинамической эффективности ветроколеса при числах Рейнольдса менее 200000).

4. По результатам экспериментальных исследований ветроколеса в косом потоке обнаружено новое явление. Рекомендации по конструктивному исполнению системы регулирования, разработанные с учетом нового явления, позволили поднять энергетическую эффективность системы регулирования ВА уводом ВК в косой поток до уровня центробежно-пружинного регулирования.

5. Разработана методика поиска оптимальных компоновочных решений ВА по критерию минимума удельной себестоимости (стоимость 1кВт установленной мощности). Компьютерное моделирование с использованием разработанной методики, показало: во-первых, большее значение имеет не конструктивно-компоновочная схема, а стоимость основных комплектующих, таких как генератор и редуктор;

во-вторых, существует минимальная удельная себестоимость ВА, которая соответствует мощности 20-30кВт, поэтому для создания ветродизельных комплексов (ВДК) мощностью до 200кВт эффективно использовать ветроагрегаты единичной мощностью 20-30кВт (наличие минимума удельной себестоимости опровергает закон «куба-квадрата», который указывал на увеличение удельной стоимости ВА с ростом мощности).

6. Разработан новый метод расчета экономии топлива, на базе которого разработана методика и программа оптимизации. Преимущество нового метода заключается в том, что он позволяет учесть потери выработки энергии ВА в период, когда аккумуляторная батарея (АКБ) заряжена. Результаты оптимизации показали: во-первых, ВДК эффективны даже при низкой среднегодовой скорости ветра 3-5м/с (себестоимость энергии ДЭС снижается на 25 - 80%, экономически обоснованная экономия топлива при этом составляет 45 - 75%);

во-вторых, эффективностью отличается вариант ВДК, в котором мощность зарядного устройства АКБ составляет 25% от установленной мощности ДЭС.

7. Предложен новый критерий, который определяет экономически обоснованную экономию топлива ВДК, – суммарная площадь обметаемой поверхности ветроколес ВА, приходящаяся на 1кВт средней мощности нагрузки потребления. Использование данного критерия позволило создать инженерную методику проектирования ВДК.

8. Испытания опытного образца ВА-30кВт, который был разработан с использованием «метода типоряда», подтвердили практическую ценность данного метода. На основе ВА-30кВт разработана электрическая схема ВДК мощностью 20кВт. Показано, что при создании электрической схемы ВДК не существует технических проблем, так как данная схема собирается в основном из стандартных элементов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ (первые 9 работ опубликованы в рецензируемых научных изданиях и журналах) Зуев Н. В. Анализ эффективности нового способа изготовления генераторов для автономных ветроагрегатов// Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - №11.- 2008.- с.227-230.

Зуев Н. В. Использование «метода типоряда» при создании новых моделей ветродвигателей// Механизация и электрификация сельского хозяйства.- №2.- 2007. с.17-18.

Зуев Н. В. Новая модель расчета основных параметров ветродизельного комплекса// Механизация и электрификация сельского хозяйства. - №5. – 2007.- c. 21- Зуев Н. В. Новый способ конструирования ветроагрегатов// Техника в сельском хозяйстве. - №6. – 2008.- с.21-23.

Зуев Н. В. Обоснование типоряда ветроагрегатов с изменяющейся быстроходностью по критерию момента страгивания// Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - №16. - 2009.- с.160-163.

Зуев Н. В. Определение оптимальных конструктивных параметров ветроагрегата с системой регулирования уводом ветроколеса в косой поток// Механизация и электрификация сельского хозяйства. - №3. - 2008.- c.32-34.

Зуев Н. В. Особенности аэродинамики ветроколеса в косом потоке// Механизация и электрификация сельского хозяйства. - №7. - 2009.- с.22-23.

Зуев Н. В. Применение метода типоряда для создания оптимальных автономных ветроагрегатов// Техника в сельском хозяйстве. - №1. - 2009.- с.22-23.

Зуев Н. В. Расчет основных параметров ветродизельных комплексов на основе автономных ветроагрегатов// Известия Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии. Вып. 180. - 2007. - с.250-259.

N. Zuev, V. Sudachenko, E. Papushin. Evaluation model for performance factors of a wind-diesel power complex. Development of agricultural technologies and technical means in ecological and energetic aspects. 11-th International Conference Institute of Agricultural Engieneering LUA, Raundondvaris, 14-15 September 2006, Prosceedings, p.p. 252-256.

N. Zuev, V. Sudachenko, E. Papushin. Использование «метода типоряда» при создании новых моделей ветрогенераторов. «Перспективы и направления развития энергетики АПК». Материалы международной научно-технической конференции.

Минск, 20-30 ноября 2006г. Минск: БГАТУ.- 2006.- с.105-107.

Зуев Н. В. Автономная ветроэнергетическая установка мощностью 30кВт// «Устойчивое развитие сельских территорий страны и формирование трудового потенциала АПК в XXI веке». Материалы международного агропромышленного конгресса. Санкт-Петербург.- 2008.- c.64-65.

Зуев Н. В. Автономный ветроэнергетический агрегат мощностью 30кВт производства НПО «Электросфера»// Современное состояние, проблемы и перспективы использования возобновляемых источников энергии: Региональный научно-практический семинар, 8-9 окт. 2009 г. Элиста: Изд-во КГУ.- 2009.- с.38-41.

Зуев Н. В. Использование ветроустановки для автономного энергоснабжения маломощного объекта. Теплоэнергоэффективные технологии. Информационный бюллетень №1.- 2000.- с.38-41.

Зуев Н. В. Использование ветроустановки мощностью 1,5кВт для нужд опытного дела. Современные проблемы опытного дела. Материалы международной научно практической конференции. Том 1. Санкт-Петербург. - 2000.-с. 214-217.

Зуев Н. В. Обоснование конструктивных особенностей ветроэлектрической установки малой мощности, предназначенной для заряда аккумуляторных батарей// Возобновляемые источники энергии. Материалы второй всероссийской научной молодежной школы. Москва. - 2000.- с.22-27.

Зуев Н. В. Обоснование конструктивных особенностей и электрической схемы ветроэнергетической установки мощностью 30 кВт// Экология и с.-х. техника. - Т.3. СПб.- 2002.- с. 115-119.

Зуев Н. В. Обоснование электрической схемы ветроустановки малой мощности, предназначенной для автономного энергоснабжения объектов в АПК. Роль научного обеспечения в реформировании АПК. Материалы конференции молодых ученых.

Санкт-Петербург, 2000.-с.41-42.

Зуев Н. В. Основы методики проектирования ветроустановки малой мощности// Электроснабжение, электропривод, эксплуатация электрооборудования и автоматизация технологических процессов в АПК. Сборник научных трудов. Санкт Петербург. - 2000.- с.32-40.

Зуев Н. В. Первые результаты испытаний ветроэнергетического агрегата мощностью 30кВт производства НПО «Электросфера// «Крупный и малый бизнес в АПК: роль, механизмы взаимодействия, перспективы». Материалы международного конгресса 2009.- СПб.: Ленэкспо. - 2009.- c.71-72.

Зуев Н. В. Повышение уровня электрообеспеченности бытовых потребителей в доме фермера путем исследований и создания конкурентно-способной автономной ветроэлектрической установки малой мощности// Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Санкт-Петербург.- 2000.- 135с.

22 Зуев Н. В. Применение метода типоряда в ветроэнергетике// Монография. СПб:

Издательство СПбГАУ.– 2009.– 68с.

23 Зуев Н. В. Результаты испытаний экспериментальной установки мощностью 1,7кВт.

Электроснабжение, электропривод, эксплуатация электрооборудования и автоматизация технологических процессов в АПК. Сборник научных трудов. Санкт Петербург. - 2000. - с.25-31.

24 Зуев Н. В., Кузнецов М. В. Исследование профилей быстроходных ветроколес с неповоротными лопастями с целью оптимизации аэродинамических характеристик// Проблемы развития и использования малой и возобновляемой энергетики в России.

Материалы научной конференции. Санкт-Петербург.- 1997.- с.37.

25 Зуев Н. В., Кузнецов М. В., Пьер-Этьен Шерикс. Новые ветроэлектрические агрегаты малой мощности 0,12 и 1,5кВт для автономных потребителей. «Российские технологии для индустрии IWRFRI». Возобновляемые источники энергии. Тезисы докладов V международного семинара. 2001. Санкт-Петербург.- 2001.- с.71-72.

26 Зуев Н. В., Лыков С. Е., Шаркова В. В. Унифицированная серия ветроэлектрических установок мощностью 0,5-4 кВт// Энергообеспечение и энергосбережение в сел. хоз-ве.- М. -2003.-Ч.4.-с. 156-160.