МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

2.1.МЕТОДЫ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ВИХРЕВОГОДВИЖЕНИЯ ПОТОКА В ВИХРЕВОЙ ВЕТРОТУРБИНЕ

Характерные размеры мелкомасштабных структур уже никак не связаны с геометрическими характеристиками основного течения и определяются лишь вязкостью и суммарным потоком энергии от крупномасштабных структур, приводящим к диссипации . Согласно Колмогорову, из анализа размерностей следует , и энергия, приходящаяся на вихри с тиками размерами (или обратно пропорциональными им волновыми числами ), меняется по уравнению[6]:

(1)

Здесь - так называемый трехмерный спектр плотности энергии, для которого имеет место соотношение,

(2)

где параметр λ- постоянная Колмогорова.

Такое спектральное распределение энергии существует в инерционной подобласти изменения волновых чисел, т.е. характерно для волновых чисел , лежащих в диапазоне , где и .

Одной из важных особенностей каскадного процесса является единственность передачи энергии от крупномасштабных вихрей к мелкомасштабным. Другая важная особенность каскадного процесса заключается в том, что любая пространственная ориентация крупномасштабных вихрей (малые волновые числа) утрачивается при переходе к мелкомасштабному движению (большие волновые числа), и поэтому мелкомасштабную турбулентность можно рассматривать как локально изотропную, согласно [7].

Основываясь на описанных выше универсальных свойствах турбулентности, можно построить модели турбулентности с масштабами, меньшими шага расчетной сетки. Единственной эмпирической постоянной, входящей в такие модели, будет постоянная Колмогорова , характеризующая перенос импульса. Однако такие универсальные законы действительны только при очень высоких числах Рейнольдса, и поэтому применимость основанных на спектральных свойствах в инерционной подобласти моделей турбулентности с масштабами, меньшими шага расчетной сетки, ухудшается при уменьшении числа Рейнольдса [8].

Устаревающая инфраструктура производства энергии в Казахстане и срочная необходимость в ее замене для поддержания приемлемых уровней качества и надежности снабжения электроэнергий является возможностью для использования ветровой энергии [9].

Признание Правительством необходимости к ответственному отношению к окружающей среде дает возможность для развития ветровой энергии.

Потери при передаче и распределении электроэнергии в настоящее время в Казахстане высоки (почти 15 %), в основном, из-за изношенной инфраструктуры. При использовании ветровой энергии (и других децентрализованных форм производства энергии) можно сократить потери (уменьшая необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния).

В настоящее время Казахстан является одним из крупнейших источников выбросов углерода в мире на душу населения. Имеется сильная зависимость (приблизительно 85 %) от производства электроэнергии с использованием угля (рисунок 3). Переход на умеренное использование угля при производстве электроэнергии является стимулом для развития ветровой энергии. Очень низкая интенсивность углерода от ветростанций привлекает инвесторов, поскольку развивающиеся финансовые механизмы по изменению климата позволяют сделать такие проекты коммерчески осуществимыми [10].

Рисунок 3 – Прогноз потребления энергии к 2020 г.

Министерством энергетики и минеральных ресурсов Казахстана и Программой развития ООН «Казахстан инициатива развития рынка ветровой энергии» был разработан проект Национальной Программы развития ветроэнергетики до 2015 г. перспективой до 2024 г. (рисунок 4).

Рисунок 4 – Ветровой атлас Казахстана (проект ПРООН)

Как показали расчеты, теоретический ветровой потенциал Казахстана составляет 14 098 млрд. кВт*ч при теоретически возможной мощности всех ВЭС в 7 466 600 МВт.

Литературный обзор и патентный поиск показывают широкое разнообразие ветроустановок.

2.2. ОБЩИЙ ВИД ВЕТРОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ (ВЭС) И ИХ НЕДОСТАТКИ

Известна конструкция ветровой электрической станции (ВЭУ), состоящая из концентратора потока воздуха в виде шатра с вытяжной трубой и конусом с вогнутой поверхностью, ветроколеса, генератора и аккумулятора (рисунок 5).

Рисунок 5 – Конструкция ВВЭС (патент Российской ФедерацииRU2062353).

Конус и шатер соединены между собой вертикальными перегородками, которые образуют сужающиеся воздушные каналы, широкая часть для входа потока воздуха, а узкая - для подачи ускоренного потока в вертикальную вытяжную трубу, в которой установлены ветроколеса на вертикальных валах. К недостаткам ВЭС относится низкая эффективность, концентрации потока не происходит по рабочей поверхности лопасти ветроколеса, что приводит к значительному снижению КПД двигателя и ресурсов времени эксплуатации узлов механизма.

Другая конструкция ВВЭС (рисунок 6) имеет тепловую составляющую, т.е. поток предварительно нагревается и подается под купол. Градиент температуры производит движение воздуха, который приводит в движение лопасти генераторов.

Рисунок 6 – Тепловая ВВЭС(Патент Российской Федерации RU2070660)

На вертикальном валу генератора внутри трубы закреплены ветровые колеса с лопастями. Для завихрения воздушного потока в нижней части трубы имеются вертикальные прорези с направляющими лопатками.

Недостатками обоих известных аналогов являются: низкий к. п. д. из-за неэффективной концентрации потока и его воздействие на обратный ход лопасти, низкая надежность, наличие системы подогрева воздуха, необходимость дополнительных заслонок для разворота струи воздуха [11].

Основным недостатком ВЭС вертикального вращения является небольшая площадь используемого воздушного потока, которая равна площади рабочей поверхности лопасти ветроколеса, что снижает их мощность и интерес потенциальных потребителей. Еще одним серьезным недостатком является незащищенность от атмосферных осадков. Дождь, мокрый снег, низкие температуры с обледенением конструкции и, как следствие, остановка двигателя. Эти проблемы разрешаются при использовании диффузоров (рисунок 7).

Однонаправленность диффузоров ограничивает возможность использования энергии ветров перпендикулярных направлений. Предлагаются использовать диффузоры прямоугольной формы в виде раструбов и вертикально-осевую турбину с пропеллерным агрегатом (рисунок 8).

Недостатками обоих конструкции являются: низкий к. п. д. из-за неэффективной концентрации потока, снижение пропускной способности конструкции из-за сложной аэродинамики, низкая надежность, не решен вопрос выхода струи воздуха из ветроколеса.

Рисунок 7 – Диффузор с прямолинейными сужающимися каналами

Рисунок 8 – ВЭС Болотова

Ветровые генераторы с вертикальной осью вращенияимеют важные преимущества перед ветровыми генераторами с горизонтальным расположением оси. Для них отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения.

Принципиальными недостатками таких установок являются:

а) гораздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за более часто возникающих в них автоколебательных процессов;

б) пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора

в) проблемы гибкого вала.

Из-за этого подавляющее большинство ветровых электрических генераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются.

Наиболее распространенные типы вертикально-осевых установок следующие.

Ветровое колесо чашечного ротора вращается силой сопротивления вогнутых поверхностей. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него поверхностей чашечек ротора (рисунок 9).

Рисунок 9 - Чашечный ротор

Форма чашеобразной лопасти обеспечивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра [12]. Действующая ветроустановка указана на рисунке 10.

Рисунок 10 - Изобретения казахстанских ученых: ветровая установка Буктукова

Лопасти ротора Савониуса выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т.е. отличаются простотой и дешевизной конструкции (рисунок11).

Вращающиймоментсоздается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушномупотоку вогнутойи выгнутой относительнонего поверхностей лопастей ротора.

Из-за большогогеометрического заполнения это ветровое колесо обладаем большим крутящим моментом ииспользуется для перекачки воды.

Рисунок 11 - Ротор Савониуса

Действующая ВЭУ указана на рисунке 12.

Рисунок 12 - Изобретения казахстанских ученых: ветровая установка Майлибаева с ротором Савониуса

Вращающиймоментротора Дарье/Би-Дарье создается подъемной силой, возникающей на двухилина трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток.

Ротор Дарье используется в ветровых электрических генераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор Дарье раскручиваться, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя [13,14].

Схема действия такой ВЭУ указана на рисунке 13. Действующие ВЭС с ротором Дарье показаны на рисунках 14 - 15.

Рисунок 13 - Схема и действующая ветровая установка с ротором Дарье

Рисунок 14 - Действующая лабораторная модель турбины с ротором Би-Дарье

Рисунок 15 - Принципиальная схема Би-Дарье системы тропоскино (одностороннее вращение) и трехлопастное ВЭУ Дарье в г. Щучинск

Лопасти ветрового колеса ротора Масгрува и Эвансав рабочем состоянии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться или складываться вокруг горизонтальной оси при отключении. Существуют различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при сильном ветре.

Схема действия такой ВЭУ указана на рисунке 16.

Рисунок 16 - Схема действия ВЭУ с ротором Масгрува

Рабочее положение роторов Масгрува характеризуется большей площадью парусности.

Лопасти этого ротора в аварийнойситуациии при управлении поворачиваются вокруг вертикальной оси [15].

Схема действия ВЭУ с ротором Эванса указана на рисунке 17.

Рисунок 17 - Схема конструкции с ротором Эванса

Действующая конструкция такой ВЭУ указана на рисунке 18

Рисунок 18 - Действующая установка с ротором Эванса

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: