ANALYTICAL STUDY OF THE PARAMETERS OF WIND TURBINES WITH VERTICAL SEMICYLINDRICAL BLADES
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
(Doctor of Sciences in Technology, Professor; Professor of the Department of Technological Machines and Equipment)
2.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 155
to 161
Status:
Published
Received:
20.04.2013
Accepted:
25.04.2013
Published:
25.04.2013
Subject area:
UDK 621.548 001.5
BBK 31.62-041-07
BBK 31.62-041-07
Language:
Russian
Keywords:
axial wind turbines, orthogonal wind turbines, wind turbines with vertical semicylindrical blades, energy efficiency, independent power supply, offshore oil platforms, ships
Abstract (English):
Axial wind turbines with maximum energy efficiency of 0.3–0.4 due to multiple changes in wind direction are not more than the actual efficiency of 0.15–0.25. Analytical dependences to determine the torque, power and efficiency of the wind turbine with vertical semi-cylindrical blades (WTVSB) are obtained. Calculations have shown that the efficiency can reach values WTVSB 0.21. Experiments have shown its ability to run at an air flow of 1.5–2.0 m/s and stable operation at speeds up to 7.0 m/s. The simplicity of design WTVSB blades, absence of tower and system of orientation to the wind significantly reduce the capital cost of wind turbines and reduce their payback period by 1.5–2.0 times. This type of wind turbine can be used for electric power and water desalination at various facilities, including oil platforms, commercial and transport ships that greatly reduces the consumption of energy resources.
Axial wind turbines with maximum energy efficiency of 0.3–0.4 due to multiple changes in wind direction are not more than the actual efficiency of 0.15–0.25. Analytical dependences to determine the torque, power and efficiency of the wind turbine with vertical semi-cylindrical blades (WTVSB) are obtained. Calculations have shown that the efficiency can reach values WTVSB 0.21. Experiments have shown its ability to run at an air flow of 1.5–2.0 m/s and stable operation at speeds up to 7.0 m/s. The simplicity of design WTVSB blades, absence of tower and system of orientation to the wind significantly reduce the capital cost of wind turbines and reduce their payback period by 1.5–2.0 times. This type of wind turbine can be used for electric power and water desalination at various facilities, including oil platforms, commercial and transport ships that greatly reduces the consumption of energy resources.
Keywords:
axial wind turbines, orthogonal wind turbines, wind turbines with vertical semicylindrical blades, energy efficiency, independent power supply, offshore oil platforms, ships
axial wind turbines, orthogonal wind turbines, wind turbines with vertical semicylindrical blades, energy efficiency, independent power supply, offshore oil platforms, ships
Одним из возможных вариантов экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в том числе и на нефте- и газодобывающих платформах, а также на морских рыбодобывающих судах и плавбазах [1–3]. Среди ВИЭ для морских объектов наиболее перспективным представляется использование ветровой энергии. Ветроэнергоустановки (ВЭУ) могут использоваться как в составе энергокомплексов с ВИЭ, так и самостоятельно для выработки электроэнергии. Наиболее широкое применение для выработки электроэнергии получили аксиальные ВЭУ, у которых 2–4-лопастное колесо с лопатками аэродинамического профиля имеет горизонтальную ось вращения. Однако, кроме бесспорных преимуществ, главным из которых является достаточно высокий КПД (коэффициент мощности), достигающий 0,3–0,4, такие ВЭУ имеют один, но очень существенный недостаток – ориентировка на ветер. Разработчики и фирмы-производители сознательно замалчивают этот факт, информируя потребителя лишь о достоинствах этих установок. Мощность ВЭУ рассчитывается исходя из того, что направление ветра всегда совпадает с осью вращения ветроротора, т. е. ветер дует непосредственно на расчетную поверхность лопастей. В результате получается расчетная мощность ВЭУ. Однако известно, что направление ветра не является константой. На рис. 1 показана зависимость ометаемой площади ветроколеса и, соответственно, мощности ВЭУ от направления ветра, т. е. от угла наклона вектора ветрового потока к оси вращения ветроротора. Рис. 1. Зависимость площади, ометаемой ветроколесом, от направления ветра При мощности более 1 кВт наличие флюгера не может являться эффективным средством ориентировки на ветер. В связи этим необходимо наличие достаточно сложных и дорогостоящих систем управления (СУ) ветроколесом. Наличие СУ делает ВЭУ «медлительной» из-за долгой реакции, которая тем не менее не может быть уменьшена. Система управления реагирует на то изменение направления ветра, которое остается постоянным в течение 15 минут. Ветер может поменять направление, например, на 75° и держать его 10 минут, а затем принять исходное направление. В этом случае СУ не будет подавать сигнал на разворот ротора, а следовательно, ротор и ВЭУ в целом будет выдавать только 10 % номинальной мощности, т. е. в 10 раз меньше, и фактически КПД уменьшится до 0,03–0,04. Эта ситуация в течение суток может повторяться многократно, в результате средний КПД может снизиться до 0,15–0,25. В связи с вышеизложенным ВЭУ с горизонтальной осью вращения являются достаточно эффективными, но только тогда, когда точное направление ветра известно наверняка, чего практически не наблюдается. Кроме того, начиная с мощности 3 кВт, такие ВЭУ требуют специальных раскручивающих устройств, т. е. стартовать сами не могут. Это приводит к усложнению системы старта и управления, а значит, к удорожанию. В связи с этим среди различных типов ВЭУ для морских объектов наиболее целесообразным представляется использование ортогональных ВЭУ [4, 5]. Интерес к ним связан с рядом несомненных преимуществ, к числу которых относятся независимость от направления ветра, возможность самозапуска и возможность работы уже при малой скорости ветра – 2–3 м/с, а не при скорости 5–6 м/с, как у большинства аксиальных ВЭУ. Целью работы являлось аналитическое исследование параметров ортогональных ВЭУ с вертикальными полуцилиндрическими лопастями. Рассмотрим основные аэродинамические и энергетические параметры ортогонального ветродвигателя с вертикальными полуцилиндрическими лопастями (ВВПЛ). В отличие от классических ветроагрегатов с роторами Савониуса, ВВПЛ имеет небольшое количества лопастей (n = 2–6), разнесенных на достаточно большое расстояние от оси вращения, и коэффициент затенения лопастями ометаемой поверхности порядка 0,3–0,7 (рис. 2). Такой ветродвигатель может быть скомпонован с электрическим или механическим теплогенератором [6, 7]. Для повышения частоты вращения вала электро- или теплогенератора может быть использован мультипликатор с передаточным числом 3–6. Рис. 2. Расчетная схема ветродвигателя с вертикальными полуцилиндрическими лопастями, n = 3 Значение вращающего момента, возникающего на каждой из лопастей за счет сил аэродинамического сопротивления, может быть определено по формуле Мi = Fi Li, где F – сила гидродинамического давления на лопасть; L – плечо силы давления. Сила гидродинамического давления на лопасть (окружная сила) , где С – коэффициент аэродинамического сопротивления, зависящий от угла поворота лопасти; – плотность воздуха; S – площадь проекции лопасти. Таким образом, для определения окружной силы и вращающего момента, возникающего на каждой из лопастей за счет сил аэродинамического сопротивления, необходимо знать величину коэффициента аэродинамического сопротивления в зависимости от угла поворота лопасти. Выражая площадь проекции и плечо силы лопасти ВВПЛ через угол (рис. 2), получим момент силы сопротивления М на каждой из лопастей: и относительный вращающий момент, H×м: . Результаты расчета относительного вращающего момента одной лопасти ветродвигателя М* в зависимости от угла поворота приведены на рис. 3. Зависимость М* = f ( ), так же, как и значение момента М, носит квазисинусоидальный характер, принимая максимальное значение М*max = 1,00 при = 90˚, нулевые значения при = 0 и = 180° и отрицательные значения при 180° < < 360°. Значение относительного вращающего момента ветродвигателя с n лопастями в зависимости от угла поворота j может быть определено как сумма: , (1) где – фазовый угол, учитывающий угол между лопастями . Рис. 3. Зависимость относительного вращающего момента полуцилиндрической лопасти ветродвигателя от угла поворота Зависимость от угла поворота , определенная по формуле (1), приведена на рис. 4. Рис. 4. Зависимость относительного вращающего момента от угла поворота Эта зависимость носит квазисинусоидальный характер c увеличивающимися максимальными значениями и уменьшающимися периодами при увеличении количества лопастей n. Среднее значение относительного вращающего момента ветродвигателя за полный оборот вала может быть определено путем интегрирования: = ( ) d . (2) С достаточной для практических расчетов точностью интегрирование по формуле (2) может быть заменено численным интегрированием c шагом Dj = 10° = /18. Численным интегрированием получены средние значения относительного вращающего момента ветродвигателя с 2–6 лопастями, равные = 0,42, = 0,57, =0,76 и = 1,13. На основе этих соотношений был определен средний вращающий момент ВВПЛ: и мощность ВВПЛ с учетом соотношения между частотой n и окружной скоростью U: РВВПЛ = Cmax V , где U – окружная скорость ветроколеса, связанная с частотой вращения ветроколеса n, об/мин, соотношением . Мощность ветрового потока, набегающего на ветроколесо, может быть определена по известной формуле: . Таким образом, энергетический КПД, а точнее, коэффициент мощности ортогонального ветродвигателя . (3) Формулу (3) можно упростить, используя коэффициент быстроходности и вводя геометрический комплекс , где – относительная ширина полуцилиндрической лопасти. . (4) Расчеты по формуле (4) показывают, что энергетический КПД ВВПЛ может достигнуть значения 0,21, сравнявшись с КПД для аксиальных ВЭУ с учетом несовпадения ориентации оси их вращения с направлением ветрового потока. Следует, однако, отметить, что необходима экспериментальная проверка полученных нами формул, в частности зависимости (4). В научно-исследовательской лаборатории кафедры «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» Астраханского государственного технического университета (с ноября 2012 г. кафедра «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений») разработана экспериментально-демонстрационная ВВПЛ, показанная на рис. 5. Эта установка имеет ветроколесо диаметром 0,5 м и вертикальные полуцилиндрические лопасти диаметром 0,07 м и высотой 0,4 м. Предварительные эксперименты показали возможность ее самостоятельного запуска при скорости воздушного потока 1,5–2,0 м/с и устойчивую работу при скорости ветра до 7,0 м/с. В дальнейшем предполагается разработать экспериментальную ВВПЛ больших размеров, снабдить ее системой поддержания постоянной частоты вращения при изменении скорости ветра, электрогенератором для определения энергетической эффективности и проведения более детальных исследований параметров этого типа ВЭУ. Рис. 5. Экспериментально-демонстрационная ВВПЛ Простота конструкции лопастей ВВПЛ, отсутствие дорогостоящей башни, т. к. имеется возможность расположения мультипликаторов и электрогенераторов внизу, а также системы ориентации на ветер позволят существенно сократить капитальные затраты на ВЭУ, соответственно сократив срок их окупаемости в 1,5–2,0 раза. Предлагаемые ВВПЛ могут применяться как самостоятельно, так и в сочетании с солнечными водонагревательными и опреснительными установками [3, 6–8]. Разработанный тип ортогональных ВЭУ может быть использован для автономного электро- и теплоснабжения, а также опреснения воды на различных морских и сухопутных объектах, в том числе на нефтяных и газовых промыслах (в частности, для нефтедобывающих платформ, промысловых и транспортных судов), что существенно сократит потребление ТЭР на производственные и хозяйственно-бытовые нужды. Заключение У традиционных аксиальных ВЭУ, имеющих максимальный КПД 0,3–0,4, за счет многократного изменения скорости ветра по направлению средний КПД снижается до 0,15–0,25. Предложено использовать более простые ортогональные ВЭУ. Рассмотрены основные аэродинамические и энергетические параметры ВВПЛ. Получены аналитические зависимости для определения вращающего момента, мощности и КПД ВВПЛ. Расчеты показали, что энергетический КПД ВВПЛ может достигнуть значения 0,21, практически сравнявшись с КПД для аксиальных ВЭУ. Предварительные эксперименты показали на возможность ее запуска при скорости воздушного потока 1,5–2,0 м/с и устойчивую работу при скоростях до 7,0 м/с. Простота конструкции лопастей ВВПЛ и отсутствие башни и системы ориентации на ветер позволят существенно снизить капитальные затраты на ВЭУ, соответственно сократив срок их окупаемости. в 1,5–2,0 раза. Этот тип ортогональных ВЭУ может быть использован для автономного электро- и теплоснабжения, а также опреснения воды на различных объектах, в том числе на нефтедобывающих платформах, промысловых и транспортных судах, что существенно сократит потребление ТЭР.
1. Elistratov V. V. Energetika vozobnovlyaemyh istochnikov v HHI veke: materialy Mezhdunar. nauch.-tehn. seminara. - Sochi: RIO SGUT i KD, 2001. - S. 6-12.
2. Korobkov A. V. Preobrazovanie energii okeana. - L.: Sudostroenie, 1986. - 280 s.
3. Shishkin N. D., Baltan'yazov I. V., Gerlov V. N. Ispol'zovanie vozobnovlyaemyh istochnikov energii dlya energosnabzheniya neftedobyvayuschih morskih platform // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. - 2009. - № 2. - S. 251-255.
4. Antipov V. N., Danilevich Ya. B. Analiz i issledovanie vetrogeneratorov razlichnogo konstruktivnogo ispolneniya v diapazone chastot vrascheniya 75-300 min-1 s cel'yu sozdaniya sorazmernogo ryada // Elektrotehnika. - 2009. - № 1. - S. 27-33.
5. Avtonomnaya integrirovannaya vetroenergoustanovka s ispol'zovaniem nanostrukturirovannyh materialov dlya hraneniya i preobrazovaniya elektricheskoy energii / Ya. B. Danilevich, V. N. Antipov, I. Yu. Kruchinina, Yu. F. Hozikov, A. V. Ivanova, B. N. Mironov // Al'ternativnaya energetika i ekologiya. - 2009. - № 4 (72). - S. 81-89.
6. Shishkin N. D. Effektivnoe ispol'zovanie vozobnovlyaemyh istochnikov energii dlya avtonomnogo teplosnabzheniya razlichnyh ob'ektov. - Astrahan': Izd-vo AGTU, 2012. - 208 s.
7. Pat. RF № 2228503. Teplogenerator gidravlicheskiy / Biryulin I. B., Gostyunin Yu. V., Shishkin N. D. - M.: RAPTZ. 2004. - 8 s.
8. Shishkin N. D., Manchenko E. A. Ocenka tehniko-ekonomicheskih pokazateley kombinirovannyh solnechno-vetrovyh ustanovok dlya avtonomnogo teplosnabzheniya // Problemy sovershenstvovaniya toplivno-energeticheskogo kompleksa: sb. nauch. tr.: materialy Mezhdunar. nauch. konf. - Saratov: Izd-vo Sarat. un-ta, 2011. - S. 138-142.
