CC BY
139
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.548
И. А. Абдуллин, Г. Г. Богатеев, А. Б. Бекбаев,
Е. В. Петрова
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Ключевые слова: ветровая энергия, коэффициент использования энергии, ротор, воздушный поток, двигатель.
В статье исследованы процессы преобразования энергии ветрового потока в электрическую энергию в ветроэлектрических установках. Разработана усовершенствованная модель установок с горизонтальной осью вращения ветродвигателя и контрвращением двух ветровых колёс.
Keywords: windpower, energy efficiency, rotor, windblast, engine.
In this paper was researched the process of converting wind flow energy into electrical energy in wind power installations. Was developed an improved model systems with horizontal axis wind turbine and two wind farms Counter rotation of the wheels.
Перспективы развития ветроэнергетики обусловлены высоким потенциалом ветровой энергии, именно поэтому во многих странах намечены мероприятия по проработке вопроса развития ветроэнергетики в регионах, обладающих значительным потенциалом ветровой энергии. На данный период времени работы по использованию энергии ветра ведутся преимущественно на территориях с хорошими ветровыми условиями. Разработка и создание ветроэлектрических установок (ВЭУ) для большей части территории Казахстана со среднегодовой скоростью ветра менее 6 м/с, частыми перепадами его скорости и политропной розой ветров требуют поиска новых технических решений, обеспечивающих энергоэффективность ВЭУ вкупе с их невысокой стоимостью и небольшими массогабаритными размерами.
Нами исследованы процессы преобразования энергии ветрового потока в электрическую энергию, происходящие в ВЭУ с горизонтальной осью и контрвращением двух ветровых колёс. С точки зрения теорий идеального и реального ветряков Г. Х. Сабинина [1] оценивали вклад второго ветрового колеса в коэффициент использования энергии ветра; приведены новые экспериментальные результаты, доказывающие эффективность использования второго ветрового колеса, и предложена полуэмпирическая модель ветродвигателя с горизонтальной осью вращения и контрвращением двух ветровых колёс, объясняющая ощутимый вклад второго ветрового колеса в коэффициент использования энергии ветра.
Общий объем энергии Е (кВт-час), генерируемый ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветродвигателя (по Е. М.Фатееву) [2] в течение определенного времени, определяли по формуле:
v k
E =(р« S х T /2000 )) V ) x K „ x f (v )dV , (1)
v c
3 2
где p - плотность воздуха, кг/м ; S - ометаемая ветровым колесом площадь, м ; Т -время, с; Киэв - коэффициент использования энергии ветра; V0 - скорость ветра, м/с; f(v) - частота повторения скорости ветра; Vc и Vk - скорости стартового включения и буревого отключения ВЭУ соответственно. Для получения Emax необходимо максимизировать значение Киэв и приспособить номинальные параметры ветроагрегата к функции f(v), которая определяет локальные ветровые условия.
Результаты проведённых экспериментов подтверждают, что более полно энергию ветрового потока, падающего на ВЭУ, можно использовать, помещая за первым ветровым колесом, второе так, чтобы его лопасти были повернуты в противоположную сторону по отноше-
нию к лопастям первого. На основании этого рассматривается способ использования энергии ветра в ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветродвигателя, реализуемый посредством устройства (рис. 1) с взаимным противоположным вращением ротора и статора, что обусловливает более эффективную работу генератора при низких скоростях воздушного потока (менее 6 м/с).
Рис. 1 - Схема использования энергии ветра посредством контрвращения двух ветровых колёс: 1 - скользящие контакты; 2 - статор; 3 - магниты ротора; 4 - ротор; 5, 6 -ветровые колеса; 7 - подшипники качения; 8 - статор (размеры условны)
В качестве показателей, влияющих на значение э.д.с. генератора, использована частота вращения ротора Пр (по традиционному способу) и потн = Пр + пст (по рассматриваемому способу). Результаты измерения напряжения на обмотках статора показали увеличение э.д.с. при вращении ротора и статора в противоположные стороны по сравнению с вращением только ротора. Результаты испытаний данного способа приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты испытаний способа использования энергии ветра
О , > О И > Пр, об/мин Пст, об/мин Потн, об/мин Потн / Пр
5,0 3,3 56,3 51,7 108 1,92
4,0 2,7 53,5 49,9 103,4 1,93
3,4 2,3 47,4 45,0 92,4 1,94
2,5 1,7 42,5 40,4 82,9 1,95
1,5 1,2 39,1 38,0 77,1 1,97
*Примечания:
1. Диаметр ветровых колёс равен 0,075м.
2. В таблице приняты следующие обозначения: Vа - скорость ветрового потока перед ветровым колесом ротора; Vв - скорость ветрового потока за ветровым колесом ротора (при отсутствии ветрового колеса статора) на расстоянии 0,15 м от ветрового колеса ротора; Пр - частота вращения ротора (по прототипу); Пст - частота вращения статора (ветровое колесо статора находится по другую сторону от ветрового колеса ротора генератора); потн - частота вращения ротора относительно статора.
Отношение Потн/Пр показывает во сколько раз увеличивается частота вращения ротора при использовании контрвращения двух ветровых колёс по сравнению с прототипом. В данном случае отношение характеризует коэффициент использования энергии ветра, т.к. э.д.с. электрического генератора на постоянных магнитах прямо пропорциональна частоте вращения ротора по отношению к статору. Возрастающие значения этой величины подтверждают,
что использование данного способа позволяет увеличить коэффициент использования энергии ветра по сравнению с прототипом.
При сравнении э.д.с., возникающих в традиционной ВЭУ и в предлагаемой ВЭУНТ при воздействии воздушного потока, получены зависимости (рис. 2а), на основании которых построена зависимость отношения э.д.с. исследуемых ветроустановок от скорости набегающего потока (рис. 2б).
На лабораторном стенде (диаметр ветровых колёс составлял 0,1 м) проведены измерения напряжения и силы тока на выходе электрических генераторов, и по известной формуле (2) рассчитаны коэффициенты использования энергии ветра для ВЭУ традиционного типа и ВЭУНТ с контрвращением двух ветровых колёс:
ЕГ и х I
КИЭВ _ Е _ -12 \/ 3 (2)
Е х^г рх ^ х У0 х^г
где Ег и Е - энергия, вырабатываемая генератором и энергия ветрового потока соответственно, Вт; р - плотность воздуха, кг/м3; и - напряжение, вырабатываемое генератором, В; I - ток, А; Ь -диаметр ветрового колеса, м; У0 - скорость набегающего ветрового потока, м/с; пГ - коэффициент полезного действия генератора.
При скорости ветра 4 м/с для ВЭУ (с одним ветровым колесом) получено значение Киэв равное 47,7 %; для ВЭУНТ (с контрвращением двух ветровых колёс) - значение Киэв равное 77,9 %; соответственно, вклад второго ветрового колеса в Киэв ВЭУНТ составил 30, 2 %.
Рис. 2 - Характеристики работы ВЭУ традиционного типа (кривая 1) и ВЭУНТ (кривая 2)
Теоретические оценки Киэв и вклада в Киэв второго ветрового колеса в ВЭУНТ согласно теориям идеального (73,5 и 4,8 %) и реального (61,4 и 12,4 %) ветряков Г.Х. Сабинина (при скорости ветра 4 м/с) противоречат экспериментальным данным (77,9 и 30,2 %). В отличие от теории, эксперименты показывают значительное приращение э.д.с., а значит и Киэв ВЭУНТ за счёт работы второго ветрового колеса.
Для объяснения указанного противоречия предложена полуэмпирическая модель ветродвигателя с горизонтальной осью вращения и контрвращением двух ветровых колёс, адекватно учитывающая протекающие в нем процессы и экспериментальные данные.
Если скорость набегающего потока Уо, то за первым ветровым колесом поток имеет скорость Уі, а после прохождения второго ветрового колеса - скорость У2. Пользуясь некото-
рыми допущениями, определили значение коэффициента использования энергии ветра £, кі для первого ветрового колеса:
5„ = (Екин - Е,)/ЕКин = (у03 - V,3)/У03 (3)
и для второго ветрового колеса £, к2 . Считали, что на второе ветровое колесо действует воздушный поток, прошедший через первое ветровое колесо и воздушный поток, созданный первым ветровым колесом, которое работает ещё и как вентилятор, поэтому:
^к, = (Е, + Ев - Е2 )/Екин = (V,3 - V3 - )у3 (4)
где Ув - скорость воздушного потока, который создаёт первое ветровое колесо, работая как вентилятор.
Тогда коэффициент использования энергии ветра £, вэунт в ВЭУНТ:
5вэунт =5к, +5к2 = (Уо3 - V,3)У + (У + V3 - V3К3 = (у3 + Ув3 - V3К (5)
Для ВЭУ традиционного типа с одним ветровым колесом:
5вэу =(Уо3 - V,3К3 (6)
На рисунке 3 приведена зависимость скорости воздушного потока (Ув), который создает первое ветровое колесо, от частоты его вращения (п), (вращение колеса осуществлялось от внешнего привода), характеризующая работу первого колеса как вентилятора.
Рис. 3 - Зависимость скорости воздушного потока, который создает первое ВК, от частоты его вращения
В предлагаемой полуэмпирической модели определение коэффициента использования энергии ветра осуществляли только по скоростным характеристикам воздушных потоков перед и за ветровыми колёсами. В табл. 2 приведены результаты расчетов, выполненные согласно предложенной модели в сравнении с результатами теоретической оценки (согласно теориям идеального и реального ветряков Г. Х. Сабинина) и с экспериментальными результатами.
Приведенные результаты являются теоретическим и экспериментальным (в рамках предложенной полуэмпирической модели) подтверждением эффективности использования контрвращения двух ветровых колёс в ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветродвигателя с целью получения повышенного значения коэффициента использования энергии ветра.
Таблица 2 - Теоретические и экспериментальные значения Киэв ВЭУ и ВЭУНТ
Метод определения Киэв ВЭУ, % Киэв ВЭУНТ, % Вклад второго ветрового колеса в Киэв, %
По теории идеального ветряка Г.Х. Сабинина 68,7 73,5 4,80
По теории реального ветряка Г.Х. Сабинина 49,0 61,4 12,4
Экспериментально с учетом к. п. д. генератора 47,7 77,9 30,2
По предложенной модели 51,6 79,2 27,6
Таким образом, формула (1) для ВЭУ традиционного типа приобретает вид:
Евэу = (р X в X Т/2000)|К3 - V,3 )х ) (V>14 (7)
«о
а для ВЭУ нового типа с контрвращением двух ветровых колёс (ВЭУНТ):
«к
ЕВЭУНТ =
(рхвXТ/2000)ро3 -Vв3 - V23)х)(v)dV, (8)
«о
В уравнениях (7) и (8) функции V1= )(Vо), а также Vв= )(Vо) и V2= )^о) являются эмпирическими зависимостями, полученными экспериментальным путём.
В связи с отсутствием алгоритма расчёта угла атаки второго ветрового колеса, произведена его теоретическая оценка на основании теории Г.Х. Сабинина, при этом приращение угла атаки второго колеса по отношению к первому составило 2°15'
Таким образом, предложен инновационный способ использования энергии ветра, позволяющий увеличить КИЭВ за счет энергии второго ветрового колеса, расположенного позади первого и вращающегося в противоположенную сторону от первого, что существенно увеличивает величину создаваемой ветрогенератором э. д. с.
Литература
1. Сабинин, Г. Х. Теория идеального ветряка / Г. Х. Сабинин // Труды ЦАГИ, 1927. - Вып. 32 - С. 47-54.
2. Фатеев, Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки / Е. М. Фатеев.- М.: Сельхозиздат, 1948., 1957. -536 с.
© И. А. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ, ilnur@kstu.ru; Г. Г. Богатеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; А. Б. Бекбаев - д-р техн. наук, проф. Казахского национального технического университета им. К.И. Сатпаева; Е. В. Петрова - канд. техн. наук, Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева..
