CC BY
51
Разрыв воды при превышении некоторой критической скорости вращения винта приводит к образованию газовой полости. При попадании в эту полость следующая лопасть винта может сломаться от удара о границу с жидкостью. В большинстве опытов растяжение достигается за счет центробежных сил при вращении жидкости в трубках различной формы. Этот процесс не является быстрым в отмеченном выше смысле, поэтому, видимо, измеренные таким образом кавитационные прочности различных жидкостей (то есть отрицательные давления, при которых наступает разрыв) весьма далеки от спи-нодали. Динамические опыты по разрыву жидкостей достаточно редки. Можно упомянуть здесь опыт Карлсона [ ]. В этом опыте ртуть наливалась в прозрачную кювету из оргстекла, которая закрывалась алюминиевой крышкой. В крышке при воздействии электронного пучка генерировалась ударная волна. При выходе волны на тыльную по отношению к излучению сторону кюветы при некоторых параметрах импульса происходил отрыв граничного слоя ртути.
Отрыв фиксировался по интерферометрическим наблюдениям за движением днища. Проведенные в [4] расчеты показали, что прочность ртути на разрыв в этих условиях близка к давлению, при котором начинается интенсивное гомогенное зародышеобразование.
В заключение следует подчеркнуть, что все рассмотренные эффекты (бинодаль, спинодаль, критическая точка, отрицательные давления и тому подобное) имеют место, разумеется, не только для уравнения Ван-дер-Ваальса, но и для других УРС, более адекватно описывающих поведение вещества в широком диапазоне изменения термодинамических параметров. Однако уравнение Ван-дер-Ваальса, будучи достаточно простым для изложения и понимания, делает возможным изучение на качественном уровне, доступном даже для студентов первого курса. Можно отметить, что за рамками статьи остались вопросы фазового равновесия (и его нарушений в метастабильной области) для систем жидкость — твердое тело или газ — твердое тело.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика [Текст] / Д.В. Сивухин.— М.: Наука, 1979.
2. Скрипов, В.П. Метастабильная жидкость [Текст] / В.П. Скрипов.— М.: Наука, 1972.
3. Carlson, G.A. // J. Appl. Phys.— 1975.Vol. 46. —
P. 4069-4070
4. Колгатин С.А. / Колгатин С.Н., Степанов А.М., Хачатурьянц А. В. // Журнал прикладной механики и технической физика.— 1984. № 5.— С. 55- 59.
УДК 551.55:551.508.5:551.508.8
М.В. Дюльдин, А.А. Панфилов, Н.В. Столяров
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕТРОВОГО ПОТОКА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
Развитие народного хозяйства в целом и агропромышленного комплекса в частности неразрывно связано с увеличением энергопотребления. Темпы развития централизованного энергоснабжения порой не отвечают повышенному спросу на электроэнергию и мощность. Этот сдерживающий фактор вынуждает отдельные сельскохозяйственные предприятия создавать собственные энергонезависимые произ-
водства. Как показывает мировой опыт, одним из решений данной проблемы является использование ветроэлектрических станций (ВЭС), которые могут не только удовлетворить собственные нужды энергопотребления, но и давать прибыль от продажи электроэнергии. Для обоснования параметров ВЭС и определения экономической эффективности их применения наряду с другими источниками энергоснабже-
ния необходимо в первую очередь определить ветроэнергетические ресурсы (ВЭР) региона.
Все используемые способы прогнозирования энергетической, а впоследствии — и экономической эффективности ВЭС основаны на использовании теоретических или эмпирических моделей распределения ветрового потока в приземном слое предполагаемого размещения ветроэлектрической установки (ВЭУ). В математическом плане расчеты сводятся к определению функции распределения скоростей ветра на высоте расположения оси ветроколеса ВЭУ с заданной рабочей характеристикой.
Для получения достоверных данных о функции распределения скоростей ветра, а также суточной, сезонной изменчивости и других характеристик необходимы данные наблюдений за период не менее 10 лет. Основным источником таких данных служат специализированные справочные издания, обобщающие результаты многолетних наблюдений на государственной метеорологической сети (ГМС) [1], а также данные аэрологических станций [2]. Однако для решения ряда практических задач ветроэнергетики имеющихся данных в большинстве случаев оказывается недостаточно из-за больших расстояний между ГМС (50—100 км и более), существенно превышающих масштабы пространственной изменчивости характеристик ветра, особенно в районах со сложной орографией и переменной шероховатостью. В случаях отсутствия метеостанций вблизи предполагаемого размещения ВЭС расчет ВЭР, определяющих предполагаемую выработку электроэнергии проектируемой ВЭС, существенно усложняется и может быть реализован двумя способами.
Первый способ подразумевает выполнение достаточно сложного и трудоемкого статистического и численного моделирования с использованием данных ближайших метеостанций или метеостанций-аналогов, данных о рельефе, свойствах подстилающей поверхности. Основной недостаток данного способа — невысокая точность, особенно при наличии неоднородности в рядах наблюдений, вызванной изменением инструментальной базы, высоты флюгера, периодичности измерений.
Второй способ предусматривает проведение натурных измерений ВЭС длительностью 1—2 года непосредственно в месте расположе-
ния. Данный способ, несомненно, имеет более высокую точность, особенно если учесть, что на некоторых метеостанциях до сих пор не осуществлен переход от флюгерных измерений с помощью доски Вильда к автоматическим измерениям с помощью анеморумбометров [1]. Установлено, что усредненные за двухминутный интервал скорости по флюгеру Вильда существенно отличаются от десятиминутных скоростей, осредненных автоматическими анемометрами типа М63. Недостатки данного способа — отсутствие учета годовой изменчивости ветра и более высокая стоимость. Как правило, при проектировании ВЭС для повышения точности измерений указанные методики используют совместно. Это позволяет установить соответствие данных ветромониторинга и региональных климатических норм.
При проведении ветромониторинга измерения производятся одновременно на разных высотах, поскольку существующие одноуровневые модели экстраполяции флюгерных измерений могут давать результаты, значительно различные в зависимости от местных ветровых условий. Так, например, при определении среднегодовой скорости ветра на высоте 100 м над поверхностью земли общепринятая в мировой практике датская логарифмическая экстраполяция дает погрешность до 50 %, а двухуровневая модель В.Г. Николаева «Флюгер-ХХ1» дает погрешность до 15 % [2].
Мачты, как правило, оборудуются автоматизированными метеорологическими комплексами, в состав которых, кроме датчиков скорости и направления ветра, входят датчики температуры, относительной влажности, атмосферного давления и осадков. Информация с датчиков регистрируется, архивируется и передается пользователю с помощью специального оборудования и программного обеспечения. Количество датчиков ветра зависит от высоты мачты.
Датчики скорости и направления ветра могут быть раздельными (рис. 1, а), объединенными (рис. 1, б—д), модульными с единым портативным модулем, в который помимо датчиков ветра, входят датчики температуры, влажности, давления, осадков, а также измерительный преобразователь. При проведении мачтовых измерений, как правило, используются чашечные и ультразвуковые датчики ветра.
Принцип работы чашечных анемометров основан на использовании зависимостей между скоростью воздушного потока и частотой вращения вертушки. К преимуществам чашечных анемометров относятся простота конструкции, низкая стоимость и широкое использование в мировой практике. К недостаткам можно отнести погрешности измерений за счет инерционности конструкции и трудоемкость обслуживания необогреваемых моделей при их обледенении.
Более точны и надежны ультразвуковые датчики благодаря отсутствию подвижных частей. В зависимости от модели датчики снабжаются тремя или четырьмя равноудаленными друг от друга ультразвуковыми измерительными преобразователями (рис. 1, г). Скорость и направление ветра определяются по времени, за которое ультразвук проходит от одного преобразователя до других. Время прохождения сигнала зависит от скорости ветра: при нулевой скорости ветра время прямого и обратного хода сигнала одно и то же; при ветре вдоль траектории звука время прохождения сигнала против ветра больше, а по ветру — меньше. Многократное измерение времени прохождения сигнала обеспечивает точность измерений до 0,01 м/с. Современные ультразвуковые датчики позволяют определять три компоненты скорости ветра. Единственный недостаток данного типа измерительного оборудования по сравнению с чашечными анемометрами — его более высокая стоимость.
Максимальная высота ветроизмерительных метеомачт варьируется от 50 до 100 метров, что позволяет полностью удовлетворить потребности малой ветроэнергетики (мощность ВЭУ до 100 кВт). При проектировании ВЭУ мегаватт-ного класса с высотой башни более 80 метров проведение мачтовых измерений полностью не перекрывает всю ометаемую площадь ротора,
а в некоторых случаях не позволяет оценить скорость ветра даже на высоте оси ротора. Поэтому часто полученные данные о скорости ветра с метеомачты должны быть пересчитаны при помощи метода экстраполяции на большую высоту, где будет находиться ось ветроколеса (рис. 2).
В связи с этим внимание привлекают метод дистанционного акустического зондирования ветрового потока (Sodar — Sound Detection and Ranging) и метод дистанционного оптического зондирования (Lidar — Light Detection and Ranging), которые предлагают альтернативный подход к измерениям скоростей ветра. В основе принципа работы Sodar (аналогично работает Lidar, только вместо звукового сигнала используется лазерный луч) лежит эффект Доплера, который описывает изменение частоты звуковой волны от движущегося источника, регистрируемое неподвижным приемником. Sodar посылает в атмосферу высокочастотные звуковые сигналы (около 4,5 кГц) последовательно в трех направлениях: один луч в вертикальном направлении (W) и два ортогональных луча с наклоном примерно 17 градусов от вертикали (U, V). Акустические волны отражаются от подвижных турбулентных воздушных масс в атмосфере, и часть посланного сигнала возвращается в Sodar c некоторой измененной частотой. После этого So-dar измеряет отраженный сигнал, рассчитывается доплеровское изменение частоты для ряда высот (до 200 м) с интервалом в 10 метров по каждому направлению луча. После чего скорости ветра по каждому направлению луча усредняются за десятиминутный интервал и рассчитывается средняя векторная скорость ветра и направление ветра.
Следует отметить, что точность измерения скорости ветра при помощи Sodar немного отличается от точности измерений с помощью
б)
г)
д)
Рис. 1 Датчики скорости и направления ветра: а — чашечный анемометр; б — анеморумбометр с чашечным анемометром; в — анеморумбометр типа М63 с крыльчатым анемометром; г — ультразвуковой датчик ветра; д — ультразвуковой 3D датчик ветра
к, м 200
80
01_
5<20 % 5ВЭУ
иВЭУ
а
Зоёаг^ёаг
Рис. 2. Высотное сравнение метеомачты высотой 80 м, установок типа Sodar/Lidar и габаритов ВЭУ мегаваттного класса
чашечных анемометров. Sodar измеряет ортогональные компоненты скорости ветра и затем осредняет их для определения векторной скорости ветра. Чашечные или крыльчатые анемометры измеряют скалярную скорость ветра. Скалярная скорость обычно на 1—2 % больше векторной [3].
Помимо измерения скорости ветра, установка Sodar автоматически рассчитывает дополнительные параметры: стандартное отклонение, интенсивность турбулентности, скорость и направление порыва. Пример массива данных, измеренных на площадке СПбГПУ 27 января 2012 года и осредненных за десятиминутный интервал, приведен в таблице. Состояние атмосферы и акустические помехи от близлежащих зданий в момент измерений позволили получить качественные данные только на интервале высот от 40 до 170 метров.
Для проведения ветромониторинга в удаленных и не имеющих централизованного электроснабжения местах могут использоваться автономные передвижные установки Sodar или Lidar. На рис. 3, а представлена установка Sodar Wind-ехр^гсг, закупленная ФГБОУ ВПО СПбГПУ в 2011 году в рамках реализации программы национального исследовательского университета (НИУ). Установка состоит из двуосного прицепа в прочном фанерном корпусе, в который встроены антенный модуль и рефлектор, электронный блок с компьютером, панелью управления и жестким диском, датчики скорости ве-
тра, температуры, влажности, дождя и снега. Для работы в условиях холодного климата предусмотрен подогревающий элемент на корпусе рефлектора в целях предотвращения накопления снега и удаления льда. Для более длительного и постоянного использования установки Sodar оснащаются небольшим бензиновым генератором, солнечными фотоэлектрическими модулями и иногда ветрогенератором малой мощности, которые автоматически подзаряжают встроенные аккумуляторные батареи, когда это необходимо. Для сравнения на рис. 3, б представлен внешний вид установки Lidar WindcubeV2 в неавтономном исполнении и ее габариты.
Установки Sodar и Lidar используются в практике ветромониторинга с целью снижения неточности в измерениях скорости ветра, присущей традиционному методу ветромониторинга при помощи метеомачт, часто не позволяющему провести измерения на высоте оси ветроколеса ВЭУ мегаваттного класса с высотой башни более 80 м. Отсутствие данных натурных измерений на требуемой высоте вынуждает прибегать к математическим экстраполяционным моделям, пересчитывать имеющиеся скорости ветра с высоты расположения анемометра на необходимую высоту оси ветроколеса. Как уже было отмечено, применение методов экстраполяции неизбежно приводит к увеличению неточности оценки конечных результатов. На рис. 4 сравниваются три основные технологии, позволяющие измерять характеристики ветрового потока. Из данного рисунка видно, что установки дистанционного зондирования позволяют получать более детальный высотный профиль ветрового потока, чем ГМС и метеомачты, имеют большую регулярность измерений, а также являются значительно более мобильными, что приводит к увеличению точности оценки ве-тропотенциала.
Системы дистанционного зондирования позволяют проводить ветромониторинг для более точного и достоверного прогнозирования среднегодовой выработки электроэнергии, обеспечения прогноза выработки с вероятностью до 90 % и, как следствие, снижения инвестиционных рисков строительства ВЭС, что служит ключевой информацией для банков и инвесторов при принятии решения по финансированию проектов [4].
Измеряемые и расчетные параметры ветрового потока установкой SODAR за десятиминутный интервал
YN SPD DIR W SDW IW GSPD GDIR U SDU NU IU SNRU V SDV NV IV SNRV NW SNRW
170 7,31 117 - - 31 8,17 116 6,5 0,44 30 36 3 -3,34 0,83 34 36 3 27 5
160 7,28 112 -0,03 0,41 40 10,65 113 6,72 0,99 53 45 4 -2,78 0,63 73 51 4 56 6
150 3,68 108 -0,04 0,37 59 5,86 98 3,5 0,7 84 60 5 -1,15 0,39 101 95 7 92 8
140 1,65 105 -0,12 0,22 170 3,34 102 1,59 0,52 99 102 7 -0,43 0,49 107 109 7 109 19
130 4,3 114 0,1 0,36 88 7,88 113 3,94 0,84 95 79 5 -1,72 0,55 95 94 6 102 10
120 4,22 111 0,02 0,32 81 5,62 95 3,93 0,48 97 85 6 -1,53 0,35 104 121 8 98 9
110 3,61 111 -0,04 0,42 90 5,53 95 3,38 0,48 106 114 7 -1,26 0,47 103 125 8 104 9
100 3,69 108 0,02 0,46 99 5,16 93 3,51 0,44 107 134 8 -1,11 0,47 106 149 8 101 10
90 2,99 112 -0,04 0,4 142 4,59 88 2,77 0,47 107 173 8 -1,13 0,5 109 159 8 108 11
80 3,63 108 -0,1 0,25 244 5,29 83 3,46 0,44 107 210 10 -1,12 0,53 106 194 8 109 17
70 3,24 102 -0,03 0,32 284 4,69 113 3,16 0,45 108 257 9 -0,69 0,45 109 330 9 109 15
60 2,47 86 -0,09 0,25 308 3,56 68 2,46 0,33 109 355 11 0,18 0,36 109 405 11 109 15
50 1,87 91 -0,14 0,4 202 4,08 87 1,87 0,48 108 346 10 -0,02 0,41 109 343 10 109 12
40 2,94 88 -0,16 0,45 202 4,85 91 2,94 0,47 107 242 8 0,1 0,45 107 270 9 108 12
Примечание: HT — высота над землей, м; SPD — скорость ветра, м/с; DIR — направление ветра, град.; W — вертикальная скорость ветра, м/с; SDW— стандартное отклонение W, м/с; NW— количество успешно зафиксированных измерений луча W; IW — вертикальная интенсивность турбулентности; SNRW— отношение сигнал/шум луча W; GSP — скорость порыва ветра, м/с; GDIR — направление порыва ветра, град; U — скорость ветра по направлению ортогонального луча U, м/с; SDU — стандартное отклонение U, м/с; NU— количество успешно зафиксированных измерений луча U; IU — интенсивность турбулентности луча U; SNRU — отношение сигнал/шум луча U; К — скорость ветра по направлению ортогонального луча V, м/с; SDV — стандартное отклонение V, м/с; NV — количество успешно зафиксированных измерений луча V; IV — интенсивность турбулентности луча V; SNRV — отношение сигнал/шум луча V
м О
х
tr
п>
и
п п i л>
ь
о
[л й) X X 20
Рис. 3. Внешний вид установки Sodar WindExplorer производства компании ASC на территории Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (а) и установки Lidar
WindcubeV2 (б)
Несмотря на схожий принцип работы, системы Sodar и Lidar имеют ряд принципиальных различий. Так, установки Sodar имеют относительно низкое энергопотребление и более низкую стоимость, чем Lidar. К недостаткам Sodar относят помехи в виде эха, которые образуются в случае отражения звукового сигнала от близко расположенных препятствий (деревья или строения), шумовые помехи от внешних источников (транспортные магистрали, строительные площадки и т. п.), снижение точности измерений в периоды атмосферных осадков, невозможность расположения установки Sodar в непосредственной близости с метеомачтой. По причине ис-
пользования не звуковой, а световой волны установки Lidar не имеют недостатков в виде помех из-за эха и позволяют получать достоверные данные в периоды осадков. Эти установки производятся в компактном и легком исполнениях (вес около 45 кг) и могут быть установлены двумя рабочими менее чем за 20 минут [5]. К недостаткам установок Lidar можно отнести их высокую стоимость, более высокое энергопотребление, чем у Sodar, и наличие хрупких компонентных частей, что требует обеспечения дополнительной безопасности при транспортировке.
Таким образом, сравнивая результаты измерений ветрового потока различными спосо-
h, м
U, м/с
Рис. 4. Сравнительная характеристика измерений скорости ветра ГМС, стационарной мачтой и установкой Sodar/Lidar
бами, можно сделать вывод, что установки дистанционного зондирования ветрового потока позволяют дополнять, а в некоторых случаях заменять ветромониторинг при помощи анемометров, получать более точные и достоверные данные по ветру одновременно на нескольких заданных высотах, снижать затраты на проведение ветромониторинга, уменьшать технические
риски, связанные с реализацией проектов строительства ВЭС.
Статья подготовлена в рамках реализации ФЦП «Научные и начно-педагогические кадры инновационной России» (ГК № 02.740.11.0750) и ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК № 16.516.11.6107).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Климатические факторы возобновляемых источников энергии [Текст] / Под ред. В.В. Елистрато-ва, Н.В. Кобышевой, Г.И. Сидоренко.— СПб.: Наука. 2010.— 235 с.
2. Николаев, В.Г. Национальный кадастр ветроэнергетических ресурсов России и методические основы их определения [Текст] / В.Г. Николаев, С.В. Ганага, Ю.И. Кудряшов / Под ред. В.Г. Николаева.— М.: Атмограф, 2008.— 584 с.
3. Long Island, MA: SODAR-Based Wind Resource Assessment [Электронный ресурс]: University of Massachusetts Amherst, RERL, 2006. Режим доступа: http:// www.umass.edu/windenergy/publications/resource/ Long_Island/Report/Long_Island_Wind_Resource_As-
sessment_Report.pdf, свободный — Загл. с экрана — Яз. англ.— Дата обращения: 13.03.2012.
4. Pierce, N. What Is Sodar? A Snapshot of Wind Development Applications[Электронныйресурс] / Naomi Pierce. — SECONDWIND: WindlQ Knowledge Center-Электрон. дан.— Режим доступа: http://info.sec-ondwind.com/knowledge-center/bid/5958 9/ What-Is-Sodar-A-Snapshot-of-Wind-Development-Ap-plications, свободный— Загл. с экрана— Яз. англ.— Дата обращения: 14.03.2012.
5. Technical specs WINDCUBEv2 [Электронный ресурс]: Leosphere.com— Электрон. дан.— Режим доступа: http://www.leosphere.com/products2.php?ru-brique = 36&cat = wl&item = 1wc7ts, свободный— Загл. с экрана— Яз. англ. Дата обращения: 13.03.2012.
УДК 007.52: 629.786.2
В.А. Дьяченко, А.Н. Тимофеев
АНАЛИЗ СТРУКТУР И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МАНИПУЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Манипуляционные средства необходимы для формирования и эксплуатации орбитальных станций, межпланетных комплексов и автоматических космических аппаратов, а также поддержания напланетной деятельности (на Луне и Марсе). Обычно для одного объекта требуется группировка, состоящая из нескольких манипуляторов.
Каждый манипулятор несет, по меньшей мере, один рабочий орган (РО). Для задания произвольного положения РО достаточно 6 степеней подвижности. Но если в рабочей зоне вдруг окажутся препятствия, если манипулятор требуется компактно сложить для прохождения шлюзовой камеры или выведения на орбиту, если по разным
причинам накладывается требование симметричности манипулятора, то необходимо вводить, по меньшей мере, одну избыточную степень подвижности, т. е. манипулятор становится семистепенным. Такое устройство условимся называть полным манипулятором.
В практике космической робототехники из-за сложности и громоздкости поступательные степени подвижности распространения не получили, поэтому далее они не рассматриваются.
Манипуляторы на базе вращательных кинематических пар могут иметь разнообразные компоновки. Но из них рациональны по критерию минимального отношения размеров собственной конструкции к размерам рабочей зоны схемы,
