CC BY
136
УДК 621.548 001.5 ББК 31.62-041-07
Н. Д. Шишкин, Е. А. Манченко
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВОК С ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ПОЛУЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ ЛОПАСТЯМИ
N. D. Shishkin, Е. A. Manchenko
ANALYTICAL STUDY OF THE PARAMETERS OF WIND TURBINES WITH VERTICAL SEMI CYLINDRICAL BLADES
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.
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.
Key words: axial wind turbines, orthogonal wind turbines, wind turbines with vertical semicylin-drical 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.
100 %
Ометаемая площадь ротора при различных углах направления ветра по отношению к оси ротора
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 (и = 2-6), разнесенных на достаточно большое расстояние Я 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, п = 3
Значение вращающего момента, возникающего на каждой из лопастей за счет сил аэродинамического сопротивления, может быть определено по формуле
М{ = F¡ L¡,
где F¡ - сила гидродинамического давления на лопасть; L. - плечо силы давления.
Сила гидродинамического давления на лопасть (окружная сила)
Ft=±CtpStV2,
где С, - коэффициент аэродинамического сопротивления, зависящий от угла поворота лопасти; р - 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 ф (рис. 2), получим момент силы сопротивления М на каждой из лопастей:
М - - р V2 dH (D-d) C(sin ф+вш2ф)
8
и относительный вращающий момент, Н м:
M*=M/M_=0,50C(sin9+sin29)/Cmax .
Результаты расчета относительного вращающего момента одной лопасти ветродвигателя М* в зависимости от угла поворота ф приведены на рис. 3.
Зависимость М* =/(ф ), так же, как и значение момента М, носит квазисинусоидальный характер, принимая максимальное значение А/*тах = 1,00 при ф = 90°, нулевые значения при
ф = 0 и ф = 180° и отрицательные значения при 180° < ф < 360°. Значение относительного
вращающего момента ветродвигателя с и лопастями в зависимости от угла поворота ф может быть определено как сумма:
1 i=n Г -|
Мвд = — ZC. ■Lsin(^+^) + sin2((P + (Po,)J> (!)
m ax i=l
где фш. - фазовый угол, учитывающий угол между лопастями фш. -2п/п. М" *
Рис. 3. Зависимость относительного вращающего момента полуцилиндрической лопасти ветродвигателя от угла поворота
Зависимость М*д от угла поворотаф, определенная по формуле (1), приведена на рис. 4.
М,
ВД
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
j —N А О * Л /
• V —т % < \V • \ / 1 / \ ’ \ ф V/ ч 1 'J \
• \ \ / • / К \ // 1 Л / \
У Ч г 1\ 1 1 < Й 1 V ¡1 ! \
\ \ 4 V 1 / \
\ \ А \ \ 4 / \
3< 7 £ У \ S / / N <
п = 6
!= 4
п = з
п = 2
Ф,град
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Рис. 4. Зависимость относительного вращающего момента от угла поворота
Эта зависимость носит квазисинусоидальный характер с увеличивающимися максимальными значениями МдДтах и уменьшающимися периодами при увеличении количества лопастей п.
Среднее значение относительного вращающего момента ветродвигателя за полный оборот вала может быть определено путем интегрирования:
^ 2п
-^ВДСР2 — "I J ^ВД (ф)^ф * ZTZ л
(2)
С достаточной для практических расчетов точностью интегрирование по формуле (2) может быть заменено численным интегрированием с шагом Дф = 10° = п /18. Численным интегрированием получены средние значения относительного вращающего момента ветродвигателя
с 2-6 лопастями, равные МВДСР2 = 0,42, МВДСРЗ = 0,57, МВДСР4 =0,76 и МВДСР6 = 1,13. На основе этих соотношений был определен средний вращающий момент ВВПЛ:
=1с„м^СрРк2<да(д-</)
и мощность ВВПЛ с учетом соотношения между частотой « и окружной скоростью £/:
1 . з )
Рввпл = - стах М рГ3 К ----------------С/,
4 м I)
где £/ - окружная скорость ветроколеса, связанная с частотой вращения ветроколеса и, об/мин, соотношением
_ 7ЕИ£)
” 60 '
Мощность ветрового потока, набегающего на ветроколесо, может быть определена по известной формуле:
Рт=\(>НОУ\
Таким образом, энергетический КПД, а точнее, коэффициент мощности ортогонального ветродвигателя
р 1 й (-О - с?) г/
^впп с ------'ДЛ (3)
Рвп 2 тах £>2 К
и
Формулу (3) можно упростить, используя коэффициент быстроходности Z = — и вводя геометрический комплекс
.* (I
где а = — — относительная ширина полуцилиндрическои лопасти.
Г| = — С М*К1. (4)
1 ^ тах 4 7
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 XXI веке: материалы Междунар. на-уч.-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., Балтанъязое 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. Кручини-на, 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.
REFERENCES
1. Elistratov V. V. Energetika vozobnovliaemykh istochnikov v XXI veke [Energetics of renewable sources in XXI century], Materialy Mezhdunarodnogo nauchno-tekhnicheskogo seminara [Proc. of Int. sci. tech. seminar], Sochi, RIO SGUT i KD, 2001, pp. 6-12.
2. Korobkov A. V. Preobrazovanie energii okeana [Transformation of ocean energy], Leningrad, Sudos-troenie Publ., 1986. 280 p.
3. Shishkin N. D. Baltan'iazov I. V., Gerlov V. N. Ispol'zovanie vozobnovliaemykh istochnikov energii dlia energosnabzheniia neftedobyvaiushchikh morskikh platform [Use of renewable power sources for power supply of oil drilling marine platforms]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologii, 2009, no. 2, pp. 251-255.
4. Antipov V. N., Danilevich la. B. Analiz i issledovanie vetrogeneratorov razlichnogo konstruktivnogo is-polneniia v diapazone chastot vrashcheniia 75-300 min'1 s tsel'iu sozdaniia sorazmemogo riada [Analysis and research of wind generators of different constructive operation within rotation frequencies 75-300 per minute with the purpose of creation of proportionate number], Elektrotekhnika, 2009, no. 1, pp. 27-33.
5. Danilevich la. B., Antipov V. N., Kruchinina I. Iu., Khozikov Iu. F., Ivanova A. V., Mironov B. N. Av-tonomnaia integrirovannaia vetroenergoustanovka s ispol'zovaniem nanostrukturirovannykh materialov dlia khraneniia i preobrazovaniia elektricheskoi energii [Autonomous integrated wind installation with the use of nanostuctural materials for storage and transformation of power energy], Al'temativnaia energetika i ekologiia, 2009, no. 4 (72), pp. 81-89.
6. Shishkin N. D. Effektivnoe ispol'zovanie vozobnovliaemykh istochnikov energii dlia avtonomnogo te-plosnabzheniia razlichnykh ob"ektov [Effective usage of renewable sources of power for autonomous power supply of different objects]. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2012. 208 p.
7. Biriulin I. B., Gostiunin Iu. V., Shishkin N. D. Teplogenerator gidravlicheskii [Hydraulic heat generator], Patent RF, no. 2228503. Moscow, RAPTZ, 2004. 8 p.
8. Shishkin N. D., Manchenko E. A. Otsenka tekhniko-ekonomicheskikh pokazatelei kombinirovannykh solnechno-vetrovykh ustanovok dlia avtonomnogo teplosnabzheniia [Assessment of technical and economical indices of combined solar-wind installations for autonomous heat supply]. Problemy sovershenstvovaniia top-livno-energeticheskogo kompleksa: sbornik nauchnykh trudov: materialy Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii [Problems of improvement of fuel and energy complex: collection of papers: proc. of Int. sci. con.]. Saratov, Izd-vo Sarat. un-ta, 2011, pp. 138-142.
Статья поступила в редакцию 30.01.2013 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Шишкин Николай Дмитриевич — Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; [email protected].
Shishkin Nickolai Dmitrievich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; [email protected].
Манченко Евгений Александрович— Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Эксплуатация нефтяных и газовых месторождений»; [email protected].
Manchenko Evgenii Aleksandrovich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; [email protected].
