АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВОК С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ПОЛУЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ ЛОПАСТЯМИ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Аксиальные ветроэнергоустановки (ВЭУ) с максимальным энергетическим КПД 0,3–0,4 за счет многократного изменения скорости ветра по направлению имеют фактический КПД не более 0,15–0,25. Получены аналитические зависимости для определения вращающего момента, мощности и КПД ветроэнергоустановки с вертикальными полуцилиндрическими лопастями (ВВПЛ). Согласно расчетам, КПД ВВПЛ может достигнуть значения 0,21. Экспериментально показана возможность запуска КПД ВВПЛ при скорости воздушного потока 1,5–2,0 м/с и устойчивой работы при скорости до 7,0 м/с. Простота конструкции лопастей ВВПЛ, отсутствие башни и системы ориентации на ветер существенно снижают капитальные затраты на ВЭУ и сокращают срок их окупаемости в 1,5–2,0 раза. Этот тип ВЭУ может быть использован для автономного энергоснабжения, а также опреснения воды на различных объектах, в том числе на нефтедобывающих платформах, промысловых и транспортных судах, что существенно сократит потребление топливно-энергетических ресурсов.

Ключевые слова:
аксиальные ветроэнергоустановки, ортогональные ветроэнергоустановки, ветроэнергоустановки с вертикальными полуцилиндрическими лопастями, энергетическая эффективность, автономное энергоснабжение, морские нефтедобывающие платформы, морские суда
Текст
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.
Список литературы

1. Елистратов В. В. Энергетика возобновляемых источников в ХХI веке: материалы Междунар. науч.-техн. семинара. – Сочи: РИО СГУТ и КД, 2001. – С. 6–12.

2. Коробков А. В. Преобразование энергии океана. – Л.: Судостроение, 1986. – 280 с.

3. Шишкин Н. Д., Балтаньязов И. В., Герлов В. Н. Использование возобновляемых источников энергии для энергоснабжения нефтедобывающих морских платформ // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. – 2009. – № 2. – С. 251–255.

4. Антипов В. Н., Данилевич Я. Б. Анализ и исследование ветрогенераторов различного конструктивного исполнения в диапазоне частот вращения 75–300 мин-1 с целью создания соразмерного ряда // Электротехника. – 2009. – № 1. – С. 27–33.

5. Автономная интегрированная ветроэнергоустановка с использованием наноструктурированных материалов для хранения и преобразования электрической энергии / Я. Б. Данилевич, В. Н. Антипов, И. Ю. Кручинина, Ю. Ф. Хозиков, А. В. Иванова, Б. Н. Миронов // Альтернативная энергетика и экология. – 2009. – № 4 (72). – С. 81–89.

6. Шишкин Н. Д. Эффективное использование возобновляемых источников энергии для автономного теплоснабжения различных объектов. – Астрахань: Изд-во АГТУ, 2012. – 208 с.

7. Пат. РФ № 2228503. Теплогенератор гидравлический / Бирюлин И. Б., Гостюнин Ю. В., Шишкин Н. Д. – М.: РАПТЗ. 2004. – 8 с.

8. Шишкин Н. Д., Манченко Е. А. Оценка технико-экономических показателей комбинированных солнечно-ветровых установок для автономного теплоснабжения // Проблемы совершенствования топливно-энергетического комплекса: сб. науч. тр.: материалы Междунар. науч. конф. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2011. – С. 138–142.