Статья поступила в редакцию 31.08.15. Ред. рег. № 2340
The article has entered in publishing office 31.08.15. Ed. reg. No. 2340
УДК 621.577.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНО-ОСЕВОИ ТРЕХЛОПАСТНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Ф.А. Ерохин
Филиал НИУ «МЭИ» в г. Волжском 404110 г. Волжский, Волгоградская обл., пр. Ленина, д. 69 Тел.: (8443) 210160, факс: (8443) 210166, e-mail: vfmei@vfmei.ru
Заключение совета рецензентов: 03.09.15 Заключение совета экспертов: 06.09.15 Принято к публикации: 09.09.15
На основе экспериментальных исследований определены показатели эффективности работы горизонтально-осевой трехлопастной ветроэнергетической установки. Получена зависимость коэффициента использования энергии ветра от быстроходности. Данная характеристика является наиболее важной для ветроэнергетической установки, поскольку показывает связь между двумя основными безразмерными параметрами для ветроэнергетической установки.
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, коэффициент использования энергии ветра, быстроходность.
RESEARCHES OF HORIZONTAL AXES THREE-BLADES WIND TURBINE
F.A. Erokhin
Volzhsky Branch of the National Research University «Moscow Power Engineering Institute» 69 Lenin str., Volzhsky, Volgograd reg., 404110, Russia Tel.: (8443) 210160, fax: (8443) 210166, e-mail: vfmei@vfmei.ru
Referred: 03.09.15 Expertise: 06.09.15 Accepted: 09.09.15
On the basis of experimental studies determined the performance of horizontal axis three-bladed wind turbines. The dependence of the coefficient of utilization of wind energy from speed factor determined. This characteristic is most important for wind turbines, because it shows the relationship between the two main dimensionless parameters for the wind power plant.
Keywords: wind turbine, power efficiency, specific speed.
Федор Андреевич
Ерохин Fedor A. Erokhin
Сведения об авторе: зав. лабораторией ВФ МЭИ. Образование: ВФ МЭИ (2015).
Область научных интересов: нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Публикации: 15.
Information about author: head of laboratory, Volzhsky Branch of Moscow Power Engineering Institute.
Education: Volzhsky Branch of Moscow Power Engineering Institute (2015). Research area: alternative and renewable energy sources. Publications: 15.
Современная ветроэнергетическая установка (ВЭУ) представляет собой сложную систему, которая состоит из ветродвигателя, преобразующего кинетическую энергию ветрового потока в механическую, электрического генератора, приемников электрической энергии, системы автоматического управления и защиты. Важно, чтобы были условия, обеспечивающие наиболее эффективное использование возможной выработки энергии при всех режимах работы.
Для оценки эффективности работы ветроколеса (ВК) экспериментальным путем необходимо знать его радиус, скорость ветра, частоту вращения и мощность. Прямое измерение механической мощности ВК представляет собой довольно непростую задачу. На практике для определения мощности ветроэнергетической установки измеряют электрическую мощность на клеммах генератора, напряжение и и силу тока I на электрогенераторе, а мощность Р вычисляют по формулам.
Полученное значение характеризует мощность всей ветровой установки, т.е. учитывает КПД генератора, коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) ветроколеса или коэффициент мощности, потери, связанные с неравномерностью (турбулентными пульсациями) потока воздуха, потери на трение в подшипниках и т.д.
Были проведены эксперименты с горизонтально-осевой трехлопастной ветроэнергетической установкой мощностью 2 кВт, расположенной на полигоне по исследованию альтернативных источников энергии филиала МЭИ в г. Волжском [1]. Паспортные характеристики данной установки представлены в табл. 1.
Таблица 1
Паспортные характеристики ВЭУ 2 кВт
Table 1
Passport specifications of the 2 kW wind turbine
Полигон обладает всеми необходимыми средствами измерений для проведения экспериментов. Информационно-измерительная система полигона позволяет обрабатывать экспериментальные данные на ЭВМ. Эксперименты проводились с учетом данных метеорологической станции, расположенной на полигоне филиала. Для проведения экспериментов была использована информационно-измерительная и управляющая система полигона, запущенная в 2013 г. [2]. Целью экспериментов было определение коэффициента использования энергии ветра, быстроходности и построение экспериментально полученной зависимости коэффициента мощности от скорости ветра и быстроходности. Диапазон скоростей ветра для экспериментов выбран от 3 до 12 м/с, поскольку именно в этом диапазоне происходит выработка электроэнергии большую часть времени работы ВЭУ.
Для обработки результатов экспериментов и расчетов потребуются следующие зависимости. Мощность ВЭУ определяется по формуле [3]
Р = пЯ(1)
о
о з а
ф
£
0
1
5
0 'S
э i: ti
с: ъ
Е ¡Ü 'О
-J
2
1
о
Q. ел X
2
где Р - мощность ВЭУ, Вт; Я - радиус ветроколеса, м; р - плотность воздуха, кг/м3; V - скорость ветра, м/с; £ - коэффициент использования энергии ветра.
Быстроходность найдем по следующему выражению [4]:
Z =
тЯ = 2nfR v ~ 60v
Параметр Значение
Количество лопастей, шт. 3
Номинальная мощность, Вт 2000
Максимальная мощность, Вт 2800
Радиус ветроколеса, м 1,8
Номинальная частота вращения ротора, об/мин 400
Высота мачты, м 12
Номинальное напряжение, В 48
Оптимальная скорость ветра, м/с 10
Диапазон ветра генерации, м/с 3-35
Минимальная скорость ветра, при которой стартует ветроколесо, м/с 2,5
где ю - угловая скорость вращения, Гц; / - частота вращения, об/мин.
Для сравнения теоретически и экспериментально полученных значений мощности рассчитаем коэффициент использования энергии ветра как отношение энергии, воспринятой ветроколесом и преобразованной в работу, к полной энергии потока. Для исследуемой ВЭУ можно найти коэффициент использования энергии ветра по формуле [2]
1 =
8Р
2 Р
^pv nd pv
■ 2000
3,14■ 3,62 ■l,27■Ю3
= 0,309, (3)
d -
где А - ометаемая ветроколесом площадь, м диаметр ветроколеса, м.
Применяя полученный по (3) коэффициент использования энергии ветра, рассчитаем мощность для диапазона скоростей ветра от 3 до 12 м/с. Используя данные, полученные в экспериментах, рассчитаем экспериментальные значения коэффициента мощности по (3), а также значения быстроходности по (2). Данные, полученные в ходе экспериментов, и результаты их обработки сведены в табл. 2.
Возобновляемая энергетика. Ветроэнергетика
Таблица 2
Результаты обработки экспериментальных данных
Table 2
Results of experimental data processing
Скорость ветра v, м/с Электрическая мощность P, Вт Частота вращения f об/мин Быстроходность Z Коэффициент использования энергии ветра, £,
3 33 221 13,886 0,200
4 90 293 13,807 0,233
5 220 327 12,328 0,292
6 398 356 11,184 0,307
7 621 367 9,883 0,296
8 960 379 8,930 0,308
9 1333 388 8,126 0,299
10 1859 394 7,427 0,304
11 2338 397 6,803 0,288
12 2740 402 6,315 0,260
На рис. 1 отображена зависимость мощности от скорости ветра.
Р, В
3000
2000
1000
/ / / / я /
/ / / / л/
tf */ // //
/ /У
✓
3 £ 3 i;
V, м/с
— экспериментальные данные
— - теоретические значения
Рис. 1. Зависимость мощности ВЭУ от скорости ветра Fig. 1. The dependence of the capacity of wind turbines on the wind speed
ших скоростях ветра может быть связан со срабатыванием системы защиты от сильного ветра, которая выводит ветроколесо из положения, перпендикулярного ветровому потоку.
На рис. 2 приведен график зависимости коэффициента мощности от скорости ветра.
Рис. 2. Зависимость коэффициента мощности от скорости ветра Fig. 2. The dependence of power efficiency on wind speed
Из графика видно, что ветроколесо выходит на значения, близкие к теоретическим, начиная со скоростей 5,5 м/с и в диапазоне от 6 до 10 м/с колеблется вблизи от теоретически рассчитанного значения. Дальнейшее уменьшение значения коэффициента мощности при скорости более 10 м/с может быть связано с началом срабатывания системы защиты от сильного ветра.
Наибольший интерес представляет зависимость двух безразмерных величин, характеризующих эффективность работы ветроэнергетической установки, а именно, зависимость коэффициента использования энергии ветра от быстроходности ветроколеса (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость коэффициента мощности
от быстроходности ветроколеса Fig. 3. The dependence of the power efficiency on specific speed
Из графика видно, что экспериментальные данные с достаточной точностью совпадают с теоретически полученной зависимостью мощности ВЭУ от скорости ветра. Спад выработки энергии при боль-
Кривая на рис. 3 представляет собой зависимость двух основных безразмерных показателей работы ветроэнергетической установки. Коэффициент мощности показывает долю полезно используемой энер-
гии воздушного потока, а быстроходность характеризует безразмерную скорость вращения ветроколе-са. Таким образом, имея такую экспериментально определенную зависимость для конкретной ветроэнергетической установки, можно определить частоту вращения для каждой скорости ветра, при которой коэффициент использования энергии ветра будет наибольшим. Данная задача актуальна для крупных ветроэнергетических установок, а также для малых и средних ветроэнергетических установок с регулируемой частотой вращения. Изменяя угол поворота лопасти в зависимости от скорости ветрового потока, можно добиться максимально возможной выработки электрической энергии. Для крупных ветроэнергетических установок это особенно актуально, поскольку при большой мощности даже небольшое снижение коэффициента мощности приводит к существенной недовыработке энергии.
Для исследуемой ветроэнергетической установки наибольший коэффициент использования энергии ветра наблюдается при значении быстроходности 9. Это значит, что наиболее эффективна данная ветроэнергетическая установка при соотношении скорости движения конца лопасти к скорости ветра, равном 9. При испытании новых спроектированных ветроколес
следует провести подобные эксперименты и на основании их скорректировать
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.