научная статья по теме ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК»

Статья поступила в редакцию 11.02.11. Ред. per. № 934 The article has entered in publishing office 11.02.11. Ed. reg. No. 934

УДК 621.311.24

ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Е.В. Соломин

ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» 454080 г. Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел. (912) 317-1805. факс: (351) 264-7694. e-mail: nii-uralmetw!mail.ru

Заключение совета рецензентов: 20.02.11 Заключение совета экспертов: 24.02.11 Принято к публикации: 27.02.11

В статье шшсана универсальная методология разработки вертикально-осевых ветроэнергетических установок, освоенная в ООО «ГРЦ-Вертикаль» с привлечением разработчиков из ряда научных школ России и США.

Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, турбины, альтернативная энергетика.

Теоретические исследования принципиально новых вопросов аэродинамики, разработки и эксплуатации вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ВО ВЭУ) получили интенсивное развитие с начала 80-х годов XX века. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикально-осевые ВЭУ с ротором Дарье, причем в Канаде, США, Нидерландах предпочтение отдается классической схеме с криволинейными лопастями, а в Великобритании, Германии, Индии, Китае и России в качестве основной схемы приняты роторы с прямыми лопастями, параллельными оси вращения.

Диапазон мощности ВО ВЭУ непрерывно расширяется, она достигла 4 МВт (установка мощностью 4,3 МВт проходит испытания в Канаде с 1987 г.). Однако интерес к малым ВЭУ также растет по ряду причин (стремление потребителей к автономному энергоснабжению, доступность и простота монтажа, обслуживания, ремонта и т.д.). При этом стоимость малых ВЭУ, используемых для автономного энергоснабжения, неуклонно снижается за счет развития технологий производства комплектующих, снижения установочных расходов и т.д. Наблюдается тенденция приближения малых ВЭУ к месту проживания человека (стремление установить ВЭУ на кровле загородного коттеджа или многоэтажного дома, строения или сооружения). Такие решения весьма привлекательны как с технической, так и экономической точки зрения и реализованы в США, Канаде, Европе, Индии, Китае. В России эта тенденция также прослеживается, что подтверждается растущим количеством заявок от потенциальных потребителей на размещение ВЭУ до 30 кВт непосредственно на жилых домах. Количество подобных заявок составляет свыше 10% от общего количества, что может характеризовать потенциальный рынок этих ВЭУ. В связи с этим развитие малой ветроэнергетики и методологии быстрого проектирования недорогих и надежных изделий, по мнению ряда российских и зарубежных экспертов, является одной из приоритетных задач

ветроэнергетики и требует детального изучения, систематизации и улучшения параметров ВЭУ.

Процесс исследования на основе эксперимента является чрезвычайно дорогостоящим. Поэтому, учитывая мощное развитие компьютерной техники и основанных на ней математических аппаратов, одним из быстрых и менее дорогостоящих путей изучения параметров ветроэнергетических установок является компьютерное моделирование и всесторонний анализ физико-математических моделей.

Процесс разработки и оптимизации конструкции ВО ВЭУ включает ряд теоретических и экспериментальных этапов, по завершении которых проводится сравнение расчетных и опытных характеристик с проверкой на удовлетворительность по соответствующим критериям.

1. Разработка и оптимизация профиля лопасти включает в себя патентный поиск, теоретические и экспериментальные исследования различных профилей, анализ результатов и выбор наиболее эффективного профиля. Патентный поиск проводится в российских и зарубежных базах данных в полном объеме согласно ГОСТ Р 15.011-96 («Патентные исследования»). С целью выбора оптимального профиля лопасти, как правило, отбирается ряд профилей.

1.1. Модель каждого профиля строится в АЩоСАГ). Расчетные значения коэффициентов подъемной силы Су и силы сопротивления Сх для разных углов атаки с поворотом лопасти к моделируемому набегающему потоку ветра заносятся в АшувЛСЕМ СГО на основе инструмента генерации сетки при импорте из АЩоСАГ). Формулы сил выражаются уравнениями (1).

С = Г

V (pv72)S

С,. =

X

(pvV2)S'

(1)

где ¥ - подъемная сила; А' - сила лобового сопротивления; р - плотность среды; V - скорость потока; -площадь крыла (профиля). Сила лобового сопротив-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

ления складывается из профильного А';, (сопротивление давления и трения), индуктивного А', и волнового сопротивлений Л',,:

А —А р +А, +А,,

(2)

На рис. 1 приведен профиль лопасти и схема сил, действующих на него в стационарном потоке газа где V - скорость потока; Х^ - положение центра давления; а - угол атаки; Л';,: У - сила сопротивления профиля и подъемная сила в поточной системе; М: - момент сил относительно носка профиля; Т. X -тангенциальная и нормальная силы в связанной системе координат; Ь - длина хорды; с{ = рР~/2 - скоростной напор; СЛ = А'¿!Ь и С,, = ) /(¿/Л) -коэффициенты

О íl

сил давления и подъемной; X = ЫЪ - удлинение лопасти; Ь - длина лопасти; Л' = />/, - площадь лопасти; Ст = \/г/(^/Л7)) - коэффициент момента; С„ = ХКс^у. О = - коэффициенты нормальной (попереч-

ной) и тангенциальной (продольной) сил; Сх = Схр + + (\ -2/(пХ) - коэффициент сопротивления лопасти; с - максимальная толщина профиля; хс - положение максимальной толщины от носка профиля.

На основе расчетных данных выбирается базовый профиль, показывающий наибольшую подъемную силу.

Аэродинамические характеристики базового профиля рассчитываются с помощью СТЭ-программ в поточной системе координат (рис. 2).

а Ь

Рис. 1. Профиль лопасти (а) и схема сил, действующих на профиль в стационарном потоке газа (Ь)

Рис. 2. Расчетные характеристики базового профиля в поточной системе координат

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» N21 (93) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011

1.2. После проведения теоретических вычислений профилей изготавливаются модели лопастей, а затем исследуются на предмет получения аэродинамических характеристик в аэродинамической или гидродинамической трубе (с соответствующим пересчетом по числу Рейнольдса), рис. 3-5.

1.3. После анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований аэродинамических характеристик моделей лопастей выбирается профиль с наилучшими аэродинамическими качествами с точ-

ки зрения применения в ВО ВЭУ. В приведенном примере в связи с проведенным анализом, а также на основании патентных исследований для исследуемой ВО ВЭУ был выбран профиль 8ЯСУ2035. Полученные экспериментальные данные с учетом результатов численных расчетов гидродинамических характеристик профилей были использованы для расчета аэродинамических характеристик роторов и в математических моделях исследуемых ВЭУ.

Рис. 3. Экспериментальные значения Судля профиля БРС\/2035 в зависимости от угла атаки

Рис. 4. Экспериментальные значения Ст для профиля БРС\/2035 в зависимости от угла атаки

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011

© Scientific Technical Centre «TATA», 2011

-за О 30 60 Эй 120 150 180 210 2« 2 70 300 330 ;£60

Рис. 5. Экспериментальные значения Сх для профиля БРС\/2035 в зависимости от угла атаки

2. Разработка и оптимизация ротора ВО ВЭУ включает в себя патентный поиск, трехмерное компьютерное моделирование компонентов ротора, функциональное математическое моделирование ротора, исследование взаимовлияния компонентов ротора оптимизацию параметров ротора отладку трехмерных моделей, разработку агрегатов аэродинамического регулирования и т.д.

2.1. Конструкция ротора ВЭУ разрабатывается с помощью импульсно-вихревой теории и подтверждается при необходимости аэродинамическими расчетами в СТЭ программах. Процессы аэродинамики ротора описываются осредненными по Рей-нольдсу уравнениями Навье - Стокса несжимаемой жидкости:

ъ.

Эх.

= 0;

av,. a(v,v,.)

dt

Эх,

2_эр+_э_

р Эх; Эх

Эт..

-+

dvj )

Эх, Эх,

(3)

(4)

где х„ У = 1,2 - декартовы координаты (х, V); Г - время; V, - декартовы составляющие вектора средней скорости потока (V, и): Р - давление; р - плотность; и и и, - молекулярный и турбулентный коэффициенты кинематической вязкости.

В расчетах необходимо учесть нестационарные явления (динамический срыв потока, образование сложной системы вихрей, повышение уровня турбулентности в затененной области, взаимодействие вихрей различных размеров, скоростей движения и интенсивности с твердыми поверхностями ротора ВО ВЭУ). Коэффициент заполнения <у (отношение площади лопастей к площади проекции ротора) в

приведенном примере принят 0,35. Исследования модели показывают, что это значение вместе с определенным фиксированным углом установки лопастей позволяет получить положительный стартовый крутящий момент практически во всем диапазоне коэффициента быстроходности 2 (отношение линейной скорости точек лопасти к скорости ветра).

Расчетные графики для коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) и крутящего момента в зависимости от быстроходности 2 приведены на рис. 6, где Р -аэродинамическая мощность; - фронтальная площадь; М: - крутящий момент; р - плотность воздуха; V - скорость ветра. Теоретический КИЭВ близок к 40%. При быстроходности менее 2 и более 4 эффективность значительно меньше.

Эти результаты приводят к очень важному выводу - при осуществлении регулирования мощности ВЭУ за счет поддержания частоты вращения ротора на определенных уровнях можно оптимизировать работу ВЭУ, поддерживая КИЭВ максимальным при разных скоростях ветра. Эта задача может быть реализована с помощью соответствующей системы регулирования на основе ШИМ-модуляции.

С целью оптимизации мощности ВЭУ необходимо построить график оптимальной нагрузки ротора, который может быть представлен изолиниями мощности (рис. 7). В расчетах учитывается КИЭВ, аэродинамические потери в траверсах, влияние вихревых потоков, концевых эффектов и т.д.

При определенной скорости ветра

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Комплексное изучение отдельных стран и регионов»