CC BY
20Статья поступила в редакцию 11.02.11. Ред. рег. № 934 The article has entered in publishing office 11.02.11. Ed. reg. No. 934
УДК 621.311.24
ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Е.В. Соломин
ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» 454080 г. Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел. (912) 317-1805, факс: (351) 264-7694, e-mail: nii-uralmet@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 20.02.11 Заключение совета экспертов: 24.02.11 Принято к публикации: 27.02.11
В статье описана универсальная методология разработки вертикально-осевых ветроэнергетических установок, освоенная в ООО «ГРЦ-Вертикаль» с привлечением разработчиков из ряда научных школ России и США.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, турбины, альтернативная энергетика.
Теоретические исследования принципиально новых вопросов аэродинамики, разработки и эксплуатации вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ВО ВЭУ) получили интенсивное развитие с начала 80-х годов XX века. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикально-осевые ВЭУ с ротором Дарье, причем в Канаде, США, Нидерландах предпочтение отдается классической схеме с криволинейными лопастями, а в Великобритании, Германии, Индии, Китае и России в качестве основной схемы приняты роторы с прямыми лопастями, параллельными оси вращения.
Диапазон мощности ВО ВЭУ непрерывно расширяется, она достигла 4 МВт (установка мощностью 4,3 МВт проходит испытания в Канаде с 1987 г.). Однако интерес к малым ВЭУ также растет по ряду причин (стремление потребителей к автономному энергоснабжению, доступность и простота монтажа, обслуживания, ремонта и т.д.). При этом стоимость малых ВЭУ, используемых для автономного энергоснабжения, неуклонно снижается за счет развития технологий производства комплектующих, снижения установочных расходов и т. д. Наблюдается тенденция приближения малых ВЭУ к месту проживания человека (стремление установить ВЭУ на кровле загородного коттеджа или многоэтажного дома, строения или сооружения). Такие решения весьма привлекательны как с технической, так и экономической точки зрения и реализованы в США, Канаде, Европе, Индии, Китае. В России эта тенденция также прослеживается, что подтверждается растущим количеством заявок от потенциальных потребителей на размещение ВЭУ до 30 кВт непосредственно на жилых домах. Количество подобных заявок составляет свыше 10% от общего количества, что может характеризовать потенциальный рынок этих ВЭУ. В связи с этим развитие малой ветроэнергетики и методологии быстрого проектирования недорогих и надежных изделий, по мнению ряда российских и зарубежных экспертов, является одной из приоритетных задач
ветроэнергетики и требует детального изучения, систематизации и улучшения параметров ВЭУ.
Процесс исследования на основе эксперимента является чрезвычайно дорогостоящим. Поэтому, учитывая мощное развитие компьютерной техники и основанных на ней математических аппаратов, одним из быстрых и менее дорогостоящих путей изучения параметров ветроэнергетических установок является компьютерное моделирование и всесторонний анализ физико-математических моделей.
Процесс разработки и оптимизации конструкции ВО ВЭУ включает ряд теоретических и экспериментальных этапов, по завершении которых проводится сравнение расчетных и опытных характеристик с проверкой на удовлетворительность по соответствующим критериям.
1. Разработка и оптимизация профиля лопасти включает в себя патентный поиск, теоретические и экспериментальные исследования различных профилей, анализ результатов и выбор наиболее эффективного профиля. Патентный поиск проводится в российских и зарубежных базах данных в полном объеме согласно ГОСТ Р 15.011-96 («Патентные исследования»). С целью выбора оптимального профиля лопасти, как правило, отбирается ряд профилей.
1.1. Модель каждого профиля строится в AutoCAD. Расчетные значения коэффициентов подъемной силы Cy и силы сопротивления Cx для разных углов атаки с поворотом лопасти к моделируемому набегающему потоку ветра заносятся в Ansys/ICEM CFD на основе инструмента генерации сетки при импорте из AutoCAD. Формулы сил выражаются
уравнениями (1).
C =_-_• C =_X_ (1)
C (pv72)S ' C (pv2/2)S" (1)
где Y - подъемная сила; Х - сила лобового сопротивления; p - плотность среды; v - скорость потока; S -площадь крыла (профиля). Сила лобового сопротив-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
ления складывается из профильного Хр (сопротивление давления и трения), индуктивного Х\ и волнового сопротивлений Х„:
Х = Хр + х + XV ~ Хр. (2)
На рис. 1 приведен профиль лопасти и схема сил, действующих на него в стационарном потоке газа, где V - скорость потока; Х^ - положение центра давления; а - угол атаки; Хр; У - сила сопротивления профиля и подъемная сила в поточной системе; М2 - момент сил относительно носка профиля; Т, N -тангенциальная и нормальная силы в связанной системе координат; Ь - длина хорды; д = р^/2 - скоростной напор; С = ХЛ/Ь и Су = У/(д£) -коэффициенты
сил давления и подъемной; X = Ь/Ь - удлинение лопасти; Ь - длина лопасти; £ = ЬЬ - площадь лопасти; Ст = Ы1/(д£Ъ) - коэффициент момента; Сп = М(д£); Ct = Т/(д£) - коэффициенты нормальной (поперечной) и тангенциальной (продольной) сил; Сх = Схр + + Су2/(кк) - коэффициент сопротивления лопасти; с - максимальная толщина профиля; хс - положение максимальной толщины от носка профиля.
На основе расчетных данных выбирается базовый профиль, показывающий наибольшую подъемную силу.
Аэродинамические характеристики базового профиля рассчитываются с помощью СРБ-программ в поточной системе координат (рис. 2).
Зитутганноа iuociohut У кромка профклл
а Ь
Рис. 1. Профиль лопасти (а) и схема сил, действующих на профиль в стационарном потоке газа (Ь)
Рис. 2. Расчетные характеристики базового профиля в поточной системе координат
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (93) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
1.2. После проведения теоретических вычислений профилей изготавливаются модели лопастей, а затем исследуются на предмет получения аэродинамических характеристик в аэродинамической или гидродинамической трубе (с соответствующим пересчетом по числу Рейнольдса), рис. 3-5.
1.3. После анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований аэродинамических характеристик моделей лопастей выбирается профиль с наилучшими аэродинамическими качествами с точ-
ки зрения применения в ВО ВЭУ. В приведенном примере в связи с проведенным анализом, а также на основании патентных исследований для исследуемой ВО ВЭУ был выбран профиль 8ЯСУ2035. Полученные экспериментальные данные с учетом результатов численных расчетов гидродинамических характеристик профилей были использованы для расчета аэродинамических характеристик роторов и в математических моделях исследуемых ВЭУ.
Рис. 3. Экспериментальные значения Су для профиля БРСУ2035 в зависимости от угла атаки
-^— Cm
/I
A ¥
0 ( 3 ) a : a ) 1: 0 1< 0 ll \ 0 2< 0 2" Ü 3( 0
1 i
Рис. 4. Экспериментальные значения Ст для профиля БРСУ2035 в зависимости от угла атаки
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
-30 О 30 60 90 120 150 180 210 2« 2 70 300 330 "360
Рис. 5. Экспериментальные значения Сх для профиля БРСУ2035 в зависимости от угла атаки
2. Разработка и оптимизация ротора ВО ВЭУ включает в себя патентный поиск, трехмерное компьютерное моделирование компонентов ротора, функциональное математическое моделирование ротора, исследование взаимовлияния компонентов ротора, оптимизацию параметров ротора, отладку трехмерных моделей, разработку агрегатов аэродинамического регулирования и т.д.
2.1. Конструкция ротора ВЭУ разрабатывается с помощью импульсно-вихревой теории и подтверждается при необходимости аэродинамическими расчетами в СББ программах. Процессы аэродинамики ротора описываются осредненными по Рей-нольдсу уравнениями Навье - Стокса несжимаемой жидкости:
dj
Эх,.
= 0;
di+ dt дх
d(vjvi) __ 1 др + _д_
р dx¡ дх.
(и + и,)
(
dvt ду,) —L + —-
У дх, dx¡
(3)
(4)
где х,, I = 1,2 - декартовы координаты (х, у); t - время; у, - декартовы составляющие вектора средней скорости потока (у, и); Р - давление; р - плотность; и и иг - молекулярный и турбулентный коэффициенты кинематической вязкости.
В расчетах необходимо учесть нестационарные явления (динамический срыв потока, образование сложной системы вихрей, повышение уровня турбулентности в затененной области, взаимодействие вихрей различных размеров, скоростей движения и интенсивности с твердыми поверхностями ротора ВО ВЭУ). Коэффициент заполнения с (отношение площади лопастей к площади проекции ротора) в
приведенном примере принят 0,35. Исследования модели показывают, что это значение вместе с определенным фиксированным углом установки лопастей позволяет получить положительный стартовый крутящий момент практически во всем диапазоне коэффициента быстроходности 2 (отношение линейной скорости точек лопасти к скорости ветра).
Расчетные графики для коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) и крутящего момента в зависимости от быстроходности 2 приведены на рис. 6, где Р -аэродинамическая мощность; £ - фронтальная площадь; - крутящий момент; р - плотность воздуха; V - скорость ветра. Теоретический КИЭВ близок к 40%. При быстроходности менее 2 и более 4 эффективность значительно меньше.
Эти результаты приводят к очень важному выводу - при осуществлении регулирования мощности ВЭУ за счет поддержания частоты вращения ротора на определенных уровнях можно оптимизировать работу ВЭУ, поддерживая КИЭВ максимальным при разных скоростях ветра. Эта задача может быть реализована с помощью соответствующей системы регулирования на основе ШИМ-модуляции.
С целью оптимизации мощности ВЭУ необходимо построить график оптимальной нагрузки ротора, который может быть представлен изолиниями мощности (рис. 7). В расчетах учитывается КИЭВ, аэродинамические потери в траверсах, влияние вихревых потоков, концевых эффектов и т. д.
При определенной скорости ветра ротор располагает определенной мощностью. Если нагрузить генератор меньшей мощностью, использование ротора будет неэффективно. Если перегрузить генератор большей мощностью, чем располагает ротор, кинетическая энергия ротора перейдет в электрическую энергию генератора и ротор остановится.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (93) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
N, об/мин
О 2 4 в 3 10 12 14 Ii 18 20 22 ¿4 26 28 30 32 36 38 40 42 44 46 48 ' О 52 54 56 SB 60
Рис. 7. Мощность ротора ВЭУ с учетом КИЭВ
Более того, при превышении мощности, на которую рассчитан генератор, можно вывести его из строя. В связи с этим задача регулирования мощности ВЭУ и оптимизации работы решается следующим образом:
- максимальная частота вращения ограничивается аэродинамическими регуляторами, не позволяю-
щими ротору раскручиваться свыше определенной частоты;
- во всем диапазоне частот вращения до максимальной необходимо отслеживать характеристику, показанную на рис. 7 по пикам мощности жирной пунктирной линией.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
2.2. После проведения теоретических вычислений изготавливаются образцы и проводятся полевые испытания. При этом данные могут сохраняться на флэш-карте. Пример приведен на рис. 8 с пересчетом и приведением к аэродинамической мощности с уче-
том КИЭВ. Учтен также КПД регулятора 95%, КПД генератора 85%, учтено механическое трение подшипников 95%. Экспериментальный график мощности приведен на рис. 9.
V, м/с 0 1 г 3 4 5 6 7 в 9 10 11
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
30 0.0 76,2 165,5 218,4 251.8 277.2 307,9 346,3 391.8 444.3
35 0.0 58,3 188,3 272,9 329,4 366,7 399,0 438.5 486.5 542,6
40 0 0 34,8 188 6 323,2 409,3 469.4 511,7 552,2 601 5 6602
45 0.0 9.9 173,4 ЗБ2.0 486.8 577,4 641.7 690.5 740 4 800.5
40 0.0 133,2 372.3 558.5 685.8 780.8 849.9 906.7 9672
55 0.0 95,9 360.6 617.1 789,9 922,9 1022.8 1097,8 1163.9
60 0.0 327.9 643.3 886.9 1063,3 1201,5 1306,8 1389 0
70 0.0 636.4 969 0 1197.8 1381,4 1525 0 1636.2
80 0.0 609.6 1016,3 1323.9 1557.4 174 7 1 1896.8
50 0.0 552.4 1019,5 1433.2 1726 1 1968 1 2163 9
100 0.0 466.4 996,7 1506 1 1884,9 2183.5 2432.8
110 0.0 947,8 1526.2 2025,3 2390,3 2698.7
120 0.0 859.9 1508 4 2127,5 2585.6 2957,3
130 0.0 1466.2 21712 2760 8 3205.8
140 0.0 1387,6 2163.4 2896 1 3441.5
150 0.0 2126 0 2969 1 3655.2
160 0.0 2978 4 .3827,3
170 0.0 2946 1 .3934.8
180 0.0 2884.9 3967 9
Коэффициент использования энергии вегра Ср = Рдкспер'Ро = Рзкспер-ф S-V-V-V/2)
о 36 j: - Т": • I : • I_■: • ¡ : • | : | ::■;:.:
<1 5 Б 7 8 9 10 11
188.6 372,3 643.3 1019.5 1526.2 21712 2978.4 3967.9
Рис. 8. Экспериментальные данные мощности ВЭУ (в ваттах, по вертикали - частота вращения ротора, об/мин,
по горизонтали - скорость ветра, м/с)
Р, Вт
4500,0
4001), 0 --
3500,0 3000,0 2500.0
2000,0 --
1500.0 1000,0
г.00,0--
0.0
0 2 4 0 8 10 12
Рис. 9. График мощности ВЭУ по экспериментальным данным рис. 8
2.3. Анализ данных говорит о том, что реальный КИЭВ составил 0,365 (в сравнении с теоретическим 0,38-0,40). Этот факт объясняется, во-первых, погрешностями измерений, а во-вторых, наличием неучтенных потерь (например, аэродинамические потери в местах болтовых соединений, погрешности сборки, люфт и т.д.). Кроме этого, долю КПД каждого из преобразующих энергию компонентов невозможно оценить точно. Это позволяет утверждать, что реальный КИЭВ с учетом конструктивных доработок и достижения высокого качества изготовления и сборки может быть несколько выше 0,4. Однако очевидно, что задача регулирования решена, реализова-
на и отработана. Непосредственно электронный регулятор рассматривается ниже. В целом можно утверждать, что работа ВЭУ оптимизирована.
3. В процессе разработки ротора ВЭУ создается конструкторская документация, эволюционирующая по мере улучшения конструкции. В примере приведены только оптимизированные конструкции.
ВЭУ представляется рядом основных модулей (рис. 10) и является интегрированной системой превращения кинетической энергии набегающего потока ветра в электрическую энергию за счет непосредственной передачи момента вращения ротора на вал генератора.
Ротор ВЭУ с лопастями
Генератор
Аэродинамический регулотор
Ступица
Мачта
Рис. 10. Конструкция малой ветроэнергетической установки ВЭУ-3 с вертикальной осью вращения мощностью 3 кВт
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (93) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Поэтапная оптимизация конструкций механических компонентов ВЭУ на основе итераций (повторяемых поэтапных прогонов) двух последовательных математических моделей: трехмерной и функциональной - является по сравнению с экспериментом недорогим способом улучшения изделия в целом. Процесс оптимизации конструкции компонентов ротора распадается на ряд задач, заключающихся в последовательном исследовании свойств его компонентов (рис. 11).
Разработка и анализ конструкции компонентов производится с точки зрения наилучшей аэродинамики с учетом требований по безопасности, устойчивости к внешним воздействиям, надежности, эргономики и технической эстетики, с учетом ГОСТ Р 51237-98, ГОСТ Р 51990-2002, ГОСТ Р 51991-2002, относящихся к ветроэнергетике. Математическое
моделирование проводится с рядом допущений, не оказывающих существенного влияния на конечный результат (ламинарность и устойчивость давления и направления ветрового потока, однородность материалов).
Характеристики внешних воздействий на конструкцию ВЭУ определяются с учетом технических условий безопасности ветроустановок (Требования Ллойда, применимые стандарты). По результатам проведенного анализа для расчета нагрузок и напряжений в конструкции при создании модели выбирается ряд расчетных случаев, максимальный из которых соответствует скорости ветра 45 м/с при континентальных условиях окружающей среды. Коэффициенты безопасности закладываются: от гравитационных сил - 1,2; от инерционных сил - 1,3; от аэродинамических сил - 1,5.
Рис. 11. Поэтапная итерационная оптимизация параметров компонентов ВЭУ
С целью вычисления влияния внешнего механического воздействия на внутренние силовые факторы и напряжения в сечениях компонентов ВЭУ расчет проводится сначала отдельно по воздействиям, затем по группам воздействий, затем по совокупности всех воздействий. В группы объединяются воздействия статического характера (статические нагрузки) и воздействия динамического характера (динамические нагрузки).
Гравитационные силы представляются произведением ускорения свободного падения на распределение масс, принятое в расчетной схеме конструкции. Моделирование центробежных сил обеспечивается заданием в качестве исходных данных скорости вращения ротора. Нагрузки, связанные с дисбалансом ротора, определяются из условия, что он имеет статическую несбалансированность, обусловленную поперечным
смещением центра масс относительно оси вращения на величину е = 0,5% от радиуса ротора. Указанная величина эксцентриситета задается в соответствии с Требованиями Ллойда для ротора, изготавливаемого с выполнением операции балансировки. Аэродинамические силы задаются согласно результатам аэродинамического расчета вращающегося в стационарном ветровом потоке ротора ВЭУ. Указанный расчет включает определение аэродинамических внешних нагрузок (сил и моментов сил), действующих на ротор в целом, а также отдельно на лопасть.
Аэродинамические внешние нагрузки на ротор задаются компонентами
Fx = CxqS, Fy = CyqS, Mz = CmqSr,
(5)
где Гх, Fy - проекции вектора результирующей аэродинамической силы на оси Ху и Уу поточной системы
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
координат ХуУ^у (ось Х„ направлена по вектору горизонтальной скорости ветра, ось Уу нормальна к нему и к оси вращения ротора, ось 2У совпадает с осью вращения ротора); М2 - крутящий момент вокруг оси ротора; Сх, Су, Ст - аэродинамические коэффициенты, зависящие от углового положения ротора по отношению к вектору скорости ветра (угла ф между плоскостью и плоскостью, проходящей через ось 2У и продольную ось одной из лопастей), а также от параметра быстроходности 2 = юг/К; д = рУ2/1 - скоростной напор ветра; р = 1,225 кг/м3 -плотность воздуха; V - горизонтальная скорость ветрового потока; = 2гк - площадь прямоугольника, являющегося проекцией ротора на плоскость Уу2у поверхности, ометаемой ротором; г = 1,7 м - радиус ротора; И = 4,08 м - высота ротора; ю - угловая скорость вращения ротора.
В примере вычисленные значения сил Ех, ¥у и момента М2 представлены на рис. 12 в виде зависимостей от углового положения ротора. Как следует из этих зависимостей, аэродинамические внешние нагрузки на ротор являются периодическими. За один полный оборот ротора реализуются шесть периодов, причем переменная составляющая нагрузок близка к гармонической. Исходя из этого, в расчет-
ной модели принимается, что каждый из действующих на ротор силовых факторов Ех, ¥у, М2 представляет собой сумму некоторого среднего за оборот значения (называемого далее статической составляющей) и переменного слагаемого (динамической составляющей). Динамическая составляющая является гармонической, а ее частота равна увеличенной в шесть раз частоте вращения ротора.
На основе трехмерной (3Б) компьютерной модели, построенной в программном комплексе М8С/МЛ8ТЯЛМ, методом конечных элементов определяются силовые факторы и напряженно-деформированное состояние, вычисляются частоты собственных колебаний компонентов, проводится подбор удовлетворительных материалов, конструкция анализируется на удовлетворительность всех параметров. Вычисления проводятся для предельно допустимой скорости ветра.
Максимальные напряжения в основных элементах силовой конструкции ВЭУ сводятся в таблицы. Конечноэлементные модели ступицы и лопасти для приведенного примера приведены на рис. 13. Наиболее нагруженным элементом конструкции является основание, в котором максимальные напряжения достигают 1250 МПа (в зонах крепления траверс).
за» тар so» за»
Fi^H «»
Fy.H за»
Mi,H-h am 10» в
-1000 по
—
/ * * t á 1«. 1 v. i Г i.*. V- с ■i, t '
\ч ч i * 2 \ t * Г • с. S" V. i .* ♦ v Ч i ."
I'.-- V ■у
0 30 6С « ш U0 ]Я> 210 2Я 2?0 304 33« МО
9
Рис. 12. Зависимость аэродинамических нагрузок на ротор ВЭУ-3 от его углового положения (V = 45 м/с, 2 = 2,5) (а)
и схема набегания потока (Ь)
Y
b
а
а Ь
Рис. 13. Конечноэлементные модели ступицы ротора (а) и лопасти (Ь) ВЭУ-3 в ЫДвТРДЫ (картина распределения эквивалентных напряжений)
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (93) 2011
© Научно-технический центр «TATA», 2011
Собственные частоты колебаний ротора в основном определяются жесткостными характеристиками основания ротора и его моментом инерции. На основе расчета воздействия на ВЭУ возмущающих силовых факторов и внутреннего напряженно-деформированного состояния выделяются собственные частоты и формы основных тонов упругих колебаний, определяющих поперечную динамику ВЭУ (рис. 14).
1,60 Гц
3,01 Гц
6,70 Гц
12,67 Гц
Рис. 14. Формы основных тонов упругих поперечных колебаний ВЭУ
SEb»—ш-
ш I-HJJ—
_D.1B.LJ-*{>Г|— зно|снгрчш?г poi?p«
L «ÖZED (1—
ГПДШ-«ТОТСЭТ-
I II I_.—Ч 1Ы I - Лпшгрццнг-
LiüJ I—МТШ- una*«»
ПИП *Н г* гии Лгп.ФЩ...
Z&Z
ГТЖ1 I-KS-
1-LÄJ 1-И № I— ¿гиг.рырл»
И—До-
оценка усталостной прочности конструкции ВЭУ выполняется по известным методикам.
4. На основе математической функциональной модели, построенной в программе - визуальном си-муляторе функций у1б81ш, проводится анализ воздействия возмущающих аэродинамических и центробежных сил и моментов на конструкцию ВЭУ, выявляются возможные резонансы, получаются численные значения виброперемещений и воздействия на фундамент, а затем проводится оптимизация конструкции за счет регулирования жесткости и формы элементов (при необходимости с повторением этапов 1-3) с целью смещения резонансных явлений в безопасные частоты.
Основными факторами, вызывающими вибрации ВЭУ, передающиеся на фундамент, являются аэродинамические силы и моменты, действующие на ротор, а также периодические инерционные силы и моменты, рис. 15.
»«та; нч«л» о а*п
Л
пж
i в-а'л Г)рлк* BAI OwyiKUW Дм^у» BflWM rttcFPr^eifu Оа» ?
-IW 'I
Di^iHiai -| *i?i | .м*1 кзю^ изаиаи
<■■111 -ii 1111 ■> | о to I olo I a|p 11 j| о И о Ii ■:■! i-ili : -■! sd I al . ■ ■; jd jdiJol iJjJal 'I и el й им г i Isl
( ПУ«| [ i
№ ]3tL4 fr.". II: M
1П1ЕН+ ЙК7
QTjtiCwirjpde1 i.M .. ft] TKfpaw ■■. |
b
Д <. К It:»
Рис. 15. Пример интерфейса VisSim (а) и содержание блоков функций (b)
а
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Поведение системы определяется системой дифференциальных уравнений сил и моментов с учетом силового воздействия, перемещения, трения, упругости:
MX + Rx + Kx = F; Jrö + Dœ + Ею = M,
(7)
где М, Я, К, J, Б, В - матрицы коэффициентов.
Ввод данных осуществляется поблочно, с включением обратных связей и выводом графиков.
Пример на рис. 16 приведен для одной из сил действующей в горизонтальном направлении на мачту со стороны вала ротора и вызывающей резонанс подшипникового узла ВЭУ.
алл н
i ' /i/ 1 КОЛ 1 к
1_____
20
JU
w
b
Рис. 16. Зависимость силы Ру (а), действующей на мачту с о стороны вала ротора и направленной перпендикулярно
ветровому потоку, от времени Т. Спектр Фурье колебательной составляющей силы Ру (Ь)
5. Определение виброперемещений компонентов ротора и мачты наглядно демонстрируется графиками колебательных процессов, рис. 17.
На основании исследований функциональной модели ВЭУ получаются зависимости колебаний сил и моментов, частотные спектры и величина виброперемещений компонентов. Анализ спектра силовых воздействий проводится способом разложения действующих негармонических колебаний сил, моментов и виброперемещений в ряд Фурье с получением соответствующих спектров частот. На основании спектрального анализа делаются выводы, на каких частотах вращения ротора ВЭУ ожидается резонанс, получается его амплитуда и преобладающие частоты, составляются таблицы резонансов.
Из анализа получаемых данных следует, что резонанс колебаний элементов ВЭУ может вызываться как дисбалансом массы ротора, так и действием переменных аэродинамических сил. Резонансная частота может быть изменена за счет варьирования жесткостью компонентов, то есть изменением частот их собственных колебаний.
LMH
0.673 0,674 0.675 0.676 0.677 0.670 0.679 0.6В0 0.6В1 0.6В2
100 150 200 250 300 350 400
Т, с
0.20 0.10 О
-0.10 -0.20 -0.30 -0.10 -0.50,
ÁL
háÉ ¡3.......... Iii Ши
f * Ш щ
......... m
........ ш 1
::: ::: 41 Í
i [
1 г
... — ..... ?
50 100
200 250 Э00 350 400
Т, с
Ь
Рис. 17. Смещение 1„нв нижней (а) и 1„вв верхней (Ь) точек
мачты в месте крепления соответственно к фундаменту и ступице в вертикальном направлении (мм) в зависимости от времени Т
Поворотные щитки
регулятора
Рис. 18. Аэродинамический регулятор вертикально-осевой ВЭУ
Ограничение максимальной скорости вращения ротора ВЭУ могут обеспечить регуляторы, заключенные в аэродинамические обтекатели (рис. 18), активируемые на определенной скорости вращения ротора и ограничивающие дальнейшее увеличение частоты вращения. Такое устройство позволяет эксплуатиро-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (93) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
а
-3
м
a
вать ВЭУ практически на любой скорости ветра без применения балластной нагрузки и остановки ротора.
6. Разработка и оптимизация генератора включает в себя все стадии традиционного проектирования электромашины.
7. Разработка электронного интеллектуального контроллера (регулятора) мощности исследуемой ветроэнергетической установки имеет следующие особенности (приведено для исследуемого примера):
- регулирование мощности ВЭУ в диапазоне частот вращения ротора от 40 до 180 об/мин с поддержанием максимального КИЭВ;
- частота вращения ротора ВЭУ ограничивается на 180 об/мин за счет аэродинамических регуляторов и далее не поднимается;
- отсутствие балластной нагрузки.
В связи с этим задачей разработки и оптимизации являлось снижение потерь при преобразовании и максимально полное использование энергии ветра. Таким образом, для получения максимума мощности требуется придерживаться определенной линии, называемой «линией оптимальной мощности» на графике изолиний мощности ротора ВЭУ, которая и выступает в качестве исходных данных при разработке алгоритма электронного преобразователя энергии.
Схема контроллера может быть построена на основе программируемого микроконтроллера. Для настройки, диагностики и программирования контроллер должен иметь интерфейс Я8-232.
Общая схема контроллера представлена на рис. 19.
8. Технологический процесс производства лопастей подбирается исходя из существующих технологий. Одним из перспективных вариантов может служить процесс изготовления изделий на основе создания наноцирконийполикарбоксилана - предкерами-
ческого полимера, устойчивого к перепадам температур и идеально подходящего для применения в лопастях ВЭУ.
Рис. 19. Схема контроллера ВЭУ
В приводимом примере на основе описанной методологии разработки и оптимизации разработки ВО ВЭУ создано семейство малых вертикально-осевых ветроэнергетических установок мощностью 0,1-30 кВт. В общей сложности полевые испытания успешно прошло 9 различных по конструкции и мощности модификаций ВЭУ. Примеры приведены на рис. 20.
Почти все установки с 6 лопастями продемонстрировали КИЭВ до 38%, с 4 лопастями до - 35%, с 3 лопастями - до 38%.
Шум и вибрации у созданных ВО ВЭУ находятся в пределах требований ГОСТ 12.1.012-90 («Вибрационная безопасность» Санитарные нормы спектральных показателей вибрационной нагрузки на оператора.
0,1 кВт (Челябинск)
0,3-0,5 кВт (Челябинск)
1 кВт (США)
*
—
гЧ
m
3 кВт (США)
3 кВт (Кумертау)
30 кВт (Челябинск)
Рис. 20. Семейство вертикально-осевых ВЭУ мощностью 0,1-30 кВт
Общая вибрация, категория 3, тип «в») и СН 2.2.4/2.1.8.566-96 («Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий», таблица 9 «Допустимые значения вибрации в жилых помещениях, палатах больниц, санаториев»). Высокое качество исполнения ВЭУ обеспечивается обязательным проведением вибробалансировки.
Приведенная методология может быть со временем реализована в части математических моделей в
одном программном комплексе. Методика динамической вибробалансировки может быть разработана без учета статической весовой балансировки путем определения векторного распределения масс в пространстве ротора с обеспечением автоматической ликвидации дисбаланса в процессе работы.
В результате применения приведенной методологии себестоимость изделия может быть снижена в 2-3 раза при сохранении или улучшении характеристик.
Г>С1 — TATA — LXJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Статья поступила в редакцию 11.02.11. Ред. per. № 934
The article has entered in publishing office 11.02.11. Ed. reg. No. 934
DEVELOPMENT AND OPTIMIZING OF VERTICAL AXIS WIND TURBINES
E.V. Solomin
South Ural State University 76 Lenin ave., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel. (912) 317-1805, fax: (351) 264-7694, e-mail: nii-uralmet@mail.ru
Referred: 20.02.11 Expertise: 24.02.11 Accepted: 27.02.11
The article describes the universal methodology of development of Vertical Axis Wind Turbines designed at SRC-Vertical, Ltd. with involvement of scientific schools of Russia and USA.
Key words: wind power, renewable source of power, turbine, alternative energy.
Theoretical research of principally new problems of aerodynamics, design and operation of Vertical Axis Wind Turbines (VAWT) had started developing intensively from 80th of XX Century. Today almost all countries use VAWT with Darrieus rotor. In Canada, USA, Netherlands the classic design with curvilinear air foils considered as preferable. In Great Britain, Germany, India, China and Russia the dominating design is Darrieus type with straight air foils parallel to the rotation axis.
The range of VAWT power constantly increases and reached 4 MW (4.3 MW VAWT is being tested in Canada from 1987). However the interest to the small wind turbines is also growing up due to several reasons (the tendency of consumers to get the autonomous power supply, simple and affordable montage, servicing, repairs, etc.). In addition the cost of small turbines used for autonomous power supply, is constantly going down due to the improvement of technology of fabrication of components, reduction of installation expenses, etc. There is also a tendency of bringing small turbines closer to the place of human living (willing to install the windmill on the roof top of the small home or multi-store house, building or construction). Such solutions are attractive both from technical and economical point of view and built in USA, Canada, Europe, India, China. Such tendency is proved by the growing number of inquiries from potential customers on installation of Wind Power Units (WPU) up to 30 kW. The amount of similar requests reaches 10% of the total amount which can determine the potential market of these turbines. Due to that fact the development of small WPU and methodology of the fast design of inexpensive and reliable units is one of the prior tasks of Wind Power Engineering and requires the detail research, systemizing and improving of parameters, in accordance with the opinion of US, Russian and other experts.
The research process on the base of experiment is extremely expensive. Therefore due to the powerful
development of computer techniques, one of the fast and less expensive ways of studying the parameters of wind turbines, is computer modeling and comprehensive study of physic-mathematical models.
1. The process of design and optimizing of the VAWT structure includes the patent research, theoretical and experimental research of different profiles. The patent research should be done in full in accordance with the standard(s) applied in the country of research. To get the optimal profile, several profiles should be studied, as a rule.
1.1. The modeling of each profile starts from building it in AutoCAD. The calculated values of coefficients of lifting force Cy and force of resistance Cx for different angles of attack turning the air foil to the modeled wind flow, can be generated by CFD software (Ex. Ansys/ICEM). The model should be formed on the base of instrument of generating the net while importing it from AutoCAD. The formulas for the forces:
C =_Y_; C =_X_
y (pv72)S ' x (pv2/2)S '
(1)
where Y - lifting force, X - force of head resistance, p -density of medium, v - wind of flow, S - square of air foil (profile). Force of head resistance is the sum of profile resistance Xp (resistance of pressure and friction), inductance X and wave resistance Xv:
X — Xp, + Х i + Xv
'< Xp.
(2)
Fig. 1 illustrates the profile of air foil and the forces acting on it, where V - the speed of flow; Xd - location of pressure center; a - angle of attack; Xp, Y - force of resistance of profile and lifting force in the flow coordinate system; Mz - torque of forces relatively the profile nose; T, N - tangent and normal forces in the connected coordinate system; b - chord length; q = pV2/2 - velocity pressure; Cd = Xd/b and Cy = Y/(qS) -
coefficients of forces of pressure and lifting; X = Lib -elongation of air foil; L - length of air foil; S = bL -square of air foil; Cm = Mzl(qSb) - torque coefficient; Cn = Nl(qS); Ct = Tl(qS) - coefficients of normal (crosscut) and tangent (longitudinal) forces; Cx = Cxp + + Cy-2l(nX) - coefficient of air foil resistance; c -
maximum thickness of profile; xc - location of maximum thickness from the nose of profile.
The basic profile should be chosen on the base of calculated data, it should have maximum lifting force.
Force parameters of basic profile can be calculated by CFD program in flow coordinate system, as shown on Fig. 2.
/T*
a b
Fig. 1. Profile of air foil (a) and forces acting on the profile in stationary gas flow (b)
—
/ - m -
-
f
1
= -
( Sw Ct N ;
zz 4 — _ _ /
- 1 -
_ _
1.4
1.3 1.2 1.1 1
a.s
0.3 0.7 0.6 tJ.J 0.4 0.3 0.2 0.1 0
-n i -0.2 -0.3 -0.4
-o.i -0.6 -0.7 -OS -0.9
10 Й 30 40 io to Ю SO 100 110 120 130 140 (50 160 170 13(
Fig. 2. Calculated parameters of the basic profile in the flow coordinate system
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
1.2. After theoretical calculations several profiles of air foils should be made and tested for getting the aerodynamic characteristics. The testing can be made in aerodynamic or hydrodynamic pipe (with the appropriate re-calculation according to Reynolds number), Fig. 3-5.
1.3. After getting the theoretical and experimental research of profile models the best aerodynamic profile should be chosen for application in VAWT. In the illustrated example the profile SRCV2035 was chosen
on the base of patent, theoretical and experimental research from the studied profiles because of highest lifting force and no vibrations on edges comparing to NASA0015 profile.
The results of theoretical and experimental research along with the numerical calculations of aerodynamic characteristics of profiles should be used for calculations of aerodynamic characteristics of rotor in the mathematic models of WPU.
Fig. 3. Experimental values of Cy for SRCV2035 profile versus angle of attack
-^— Cm
ft
A ¥
0 ( 3 ) s ) 9 ) 1: о к 0 il: 0 2' о 2; 0 3< 0
V 4
Fig. 4. Experimental values of Cm for SRCV2035 profile versus angle of attack
30 SO 90 120 150 180 210 240 2 70 300 330 360
Fig. 5. Experimental values of Cx for SRCV2035 profile versus angle of attack
2. Design and optimizing of rotor includes patent research, 3D (3 dimension) modeling of rotor components, functional mathematic modeling of rotor, research of interaction of rotor components, optimizing of rotor parameters, debugging of 3D models, design of aggregates of aerodynamic regulation, etc.
2.1. Design of WPU rotor can be made with the help of vortex-pulse method and proved by aerodynamic calculations in CFD software, if required. The processes of aerodynamics of rotor can be determined by Navier -Stokes equations for incompressible fluid, averaged by Reynolds number.
Эх,.
• = 0;
dv,.
- +
d(vjV ).
dt dx,
1 dP +_d_
p dxj dxj
(u + u, )
f
dv. dv, ) —L + —
У dxj dx.
(3)
(4)
where x,, I = 1,2 - Decart coordinates (x, y); t - time; v , -Decart components of vector of medium flow speed (v, u); P - pressure; p - density; u u ut - molecular and turbulent coefficients of kinematic viscosity.
In calculations it is necessary to take into account non-stationary phenomenas (dynamic flow separation, formation of complex vortex system, increase of turbulence level in the shaded areas, interaction of vortexes of different size, speed of motion and intensity with hard surfaces of WPU rotor). Fill factor is considered in the presented example as 0.35. Research of the model shows that this value together with the determined air foil mounting angle allows getting the positive starting torque in almost all range of specific speed Z (ratio of linear velocity of air foil points to the wind speed).
Calculated curves for the coefficient of wind power usage (CWPU) and rotating torque versus specific speed Z are presented on Fig. 6, where P - aerodynamic power; S - front area; Mz - rotating torque; p - air density; V -wind speed. Theoretical CWPU is closed to 40%. On specific speed less than 2 and higher than 4, the efficiency is much less.
These results lead to a very important conclusion -regulating the WPU power while supporting the rotation frequency of rotor on the determined level can be used to optimize the WPU operation supporting the CWPU at maximum level at different wind speeds. This task can be realized by the appropriate control system on the base of PDM-modulation.
To optimize the WPU power it is necessary to draw the curves of optimal loading of rotor which can be presented by isolines of power (Fig. 7). In calculations the CWPU, aerodynamic losses in traverses, influence of vortex flows, edge effects, etc., are taken into account.
On the specific wind speed rotor has the determined power. If the alternator will be loaded by less power, then the usage of rotor will not be efficient. If the alternator will be overloaded more than rotor carries, then kinetic energy of rotor will be transformed into the electric energy of alternator and rotor will be stopped. Moreover if the loaded power will exceed the maximum safe power calculated for this alternator, it may fail.
In connection with the said above, the task of regulating the WPU power and optimizing of operation can be solved by the following approaches:
- maximum frequency of rotation should be limited by aerodynamic regulators which does not allow rotating of rotor over the determined frequency;
- in all range of rotation frequency up to maximum level, it is necessary to trace the line shown on Fig. 7 along the peaks of power by bold dashed line.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
N, об/мин
Fig. 7. Power of rotor of wind turbine in isolines of power
2.2. After theoretical calculations the prototypes should be fabricated and placed on field testing. Data can be stored on flash card. The example is presented on Fig. 8 where the power registered on the controller, is recalculated and equated to aerodynamic power taking
CWPU into account. Efficiency of controller 95%, efficiency of alternator 85% and mechanical friction of bearings 95%, are also taken into account. Experimental curve of power is presented on Fig. 9.
V, mis 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
30 0.0 76,2 165.5 218.4 251.8 277,2 307,9 346.3 391.8 444.3
35 0.0 58,3 188,3 272,9 329,4 366.7 399.0 438.5 486.5 542,6
40 0.0 34,8 188.6 323,2 409,3 469,4 511,7 552,2 601.5 6602
45 0.0 9,9 173.4 362,0 486.8 £77,4 641.7 690.5 740.4 800.5
40 0.0 138.2 372.3 558.5 685.8 780,8 849.9 906 7 9672
55 0.0 95,9 360.6 617,1 789,9 922.9 1022.8 1097.8 1163,9
60 0 0 327.9 643.3 886.9 1063,3 1201,5 1306.8 1389 0
70 0 0 636.4 969.0 1197,8 1381.4 1525 0 1636,2
80 0.0 609,6 1016,3 1323.9 1557.4 1747 1 1896.8
90 0,0 552,4 1019,5 1433,2 1726 1 1968 1 2163.9
100 0 0 466.4 996,7 1506 1 1884.9 2183,5 2432.8
110 0.0 947,8 1526.2 2025,3 2390,3 2698.7
120 0.0 859,9 1508 4 2127 5 2585.6 2957.3
130 0.0 1466,2 21712 2760.8 3205.8
110 0.0 1387.6 2163.4 2896 1 3441.5
150 0.0 2126 0 2969 1 3655.2
160 0.0 2978.4 3827,3
170 0 0 2946 1 3934.8
180 0.0 2884.9 3967.9
Coefficient of wind power usage Cp = Pexperiment/Po = Pexperiment-'lp SV'V-V/2)_
0-36 104 | 0-36500 | 0.36499 | 0 35425 | 0,35531 | 0.36499 | 0 35500 | 0.36534
4 5 6 7 8 9 10 11
188.6 372.3 643.3 1019,5 1526.2 21712 2978.4 3967.9
Fig. 8. Experimental data of wind turbine power (in Watts, rotation frequency in vertical columns, RPM),
wind speed in horizontal lines, m/s)
P, Watts
4500,0
4000,0 --
3500,0 3000,0 2500.0
2000,0 --
1500.0 1000,0
.500,0---
0.0
0 2 4 6 S 10 12
Fig. 9. Curve of wind turbine power in accordance with experimental data of Fig. 8
2.3. Analysis of data says that the real CWPU is 0.365 (comparing to the theoretical value 0.38-0.40). This fact is explained by errors of measurements and losses (aerodynamic losses in bolted joints, assembling inaccuracy, yawns, etc.). In addition the part of efficiency of power transferring components is hard to evaluate accurately. This allows considering that the real CWPU can exceed 0.4 by achieving the high quality of fabrication and design improvements. However it is evident that the task of regulation is solved, realized and proved. The electronic controller will be discussed below. In general it is considered that the operation of WPU is optimized.
3. Design documentation should be made during the process of designing the rotor. It evolutes together with the design improvement. The example represents the optimized design only.
WPU is presented by the basic components or modules (Fig. 10) combined into the integrated system of transferring the kinetic energy of wind flow into electric energy by transferring the torque or rotor rotation to the alternator shaft.
¿tinnier Cotter/ pact
Fig. 10. Design of small WPU-3 vertical axis wind power unit on 3 kW power
Step by step optimizing of the design of mechanical components of WPU on the base of iterations (repeating step by step testing) of two consecutive mathematic models (3D and functional models) is less expensive approach of improvement of the WPU, than the experiment. The process of optimizing of components design includes the row of tasks of serial research of their properties (Fig. 11).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Fig. 11. Step by step iteration optimizing of WPU parameters and components
Design and analysis of components should be made in order to achieve the best aerodynamics, taking into account the safety requirements, durability to external impacts, reliability, ergonomics and technical aesthetics in accordance with the applicable standards (Ex. IEC-6400, etc.). Mathematic modeling has several assumptions which do not affect the end result (laminarity, stable pressure and direction of wind flow, homogeneity of materials, etc.).
Characteristics of external action on the WPU is determined in accordance with the technical conditions of WPU safety (Lloyd requirements, applicable standards). The cases for calculations and analysis of loading and tensions should be determined for the maximum wind speed 45 (60) m/s in continental conditions of the environment. Coefficients of safety are: for gravitation forces - 1.2; for inertial forces - 1.3; for aerodynamic forces - 1.5.
The calculation of external mechanical impact on internal force factors and tensions in WPU component cross-sections, should be made first separately for each impact, and then for the groups of impacts. The impacts are combined in groups of static and dynamic loading.
Gravitation forces represent the factum of acceleration of gravity and mass distribution determined for the calculating structure. Modeling of inertial forces is determined by rotor rotation frequency as the initial parameter. Loading from unbalanced rotor is determined from the statement that it has static unbalance caused by crosscut displacement of the center of mass relatively the rotation axis on eccentricity e = 0.5% from radius of rotor. This value is determined according to Lloyd requirements for the rotor fabricated with the necessary balancing procedure. Aerodynamic forces are determined by the results of aerodynamic calculations of
WPU rotor, rotating in the stationary wind How. The calculation includes the determination of aerodynamic external loading (forces and torques) acting on rotor in full, and separately on each air foil.
Aerodynamic external loading on rotor are determined by the following components:
Fx = CxqS, Fy = CyqS, Mz = CmqSr, (5)
where Fx, Fy - projections of vector of resulting aerodynamic force on Xv u Yv axes of the flow coordinate system XvYvZv (axis Xv is directed along the vector of horizontal wind speed, axis Yv is normal to it and to the axis of rotor rotation, axis Zv is directed along the axis of rotor rotation); M2 - rotating torque around the rotor axis; Cx, Cy, Cm - aerodynamic coefficients, depending on the angle location of rotor relatively the wind speed vector (angle 9 between the plane YvZv and the plane through the axis Zv and longitudinal axis of one of the air foils), and also on parameter of specific speed Z = ar/V; q = pV2/2 - wind velocity pressure; p = 1,225 kg/m3 -density of air; V - horizontal speed of wind flow; S = 2rh - square of rectangle (projection of surface, swept by rotor, on the plane YvZv; r = 1.7 m - radius of rotor; h = 4.08 m - height of rotor; a - angular velocity of rotor rotation.
In the shown example the calculated values of forces Fx, Fy and torque Mz are presented on Fig. 12 in the form of dependence on angular location of rotor. It shows that the external aerodynamic loading on rotor is periodical. There are six periods in one full turn of rotor, and the alternating component is closed to harmonic. Due to this fact the calculating model is representing each force factor Fx, Fy, Mz as the sum of some average value per one turn (static component) and alternating value
(dynamic component). The dynamic component is harmonic, its frequency is equal to rotor frequency multiplied by six (number of acting air foils).
Force factors, stressedly-deformed condition, self frequencies of components, selection of acceptable materials and analysis of the construction should be made by finite element method on the base of 3D computer model, built in graphic software (Ex.
3000 7CO)
£000 ЯП
Fi,H ЛХЮ Fy>H 3000 Mi, H H 2BQ iMO 0 '1000 ной
MSC/NASTRAN). Calculations should be made for the required maximum wind speed.
Maximum stresses in the main components of WPU force structure can be presented in tables. Fig 13 illustrates the finite element models of the hub and air foil for the presented example. The most stressed component in the structure is the base of the hub where maximum stress is 1250 MPa (in the places of traverse mounting).
—
.'ê s \ i я V" f % v. / Г IT« г 1 t * 1
i t : j t \ t * h ; H V * 9 ■ ■ * ш* i * Ч\ Vi ч П \ 1
** у
ы
.. , f \ —
0 30 É0 « ]30 IM ISO 2W 24} 270 300 ЗЯ Ш
b
Fig. 12. Curves of aerodynamic loading on WPU-3 rotor versus its angle location (V = 45 m/s, Z = 2.5) (a) and flow direction (b)
а
Fig. 13. Finite element models of hub (a) and air foil (b)
b
а
The self oscillations of rotor are mostly determined by rigid characteristics of base of rotor and its inertial torque. Self oscillations and forms of basic modes of elastic oscillations determining the crosscut dynamics of WPU, are extracted on the base of calculation of perturbing force factors and internal stressedly-deformed condition (Fig. 14).
1.60 Hz
3.01 Hz
6.70 Hz
12.67 Hz
Fig. 14. Forms of basic modes of elastic crosscut oscillations of WPU
The evaluation of fatigue strength should be made on the base of known methods.
4. The analysis of action of perturbing aerodynamic and centrifugal forces and torques for determination of possible resonances, with getting the vibrodisplacements and their action on the foundation, can be made on the base of functional mathematic model built in visual simulator of functions (Ex. VisSim software). Then the optimizing of the structure can be made by varying and adjusting the rigidity and shape of components in order to displace the resonances into safety frequencies (repeating steps 1-3, if required).
The basic factors causing the vibrations acting on the foundation, are the aerodynamic forces and torques acting on rotor, along with the periodical inertial forces and torques, Fig. 15.
rem ■ m—
ЗЖ1-ИлЕ- i/JM
ГЯП »Гаг- MB,
fwi-HJb
ша— □D-
Fife '—m HCTtt-ГГШД1-*(й№Г1-
шю—c^gg:
ПШ-(=$8=
ггап Ч7"! IibJ—
70D* irwl.............. ISO* \l " 1 ЮМ
rw....... so*
г
7 ьо*о ь 1* an is H 70 10 ?ио
j
0|й|н|й| »f'-iai 1.1 j.I t[rj Jtl,"МД1 ц|ДЮТМД5|и|в1вЫИ
MIM'i I|I.>|)-I|I I|I-I|I IIU'EM i i|:-]|i [Мм'ИмИчЫ ..-|U|U| i ;|i > ■■!■[ НИ'ЗМиЫмИ
JalEI ¿J2IJU
/ ГЦ'[H I -DAHU ' * * f-.l.y- ; : .. *'.1 IICIH
b
3B -H К i< я
Fig. 15. Example of interface of VisSim (a) and function block content (b)
а
000 В
-400 -SOS -1200 -leso -2000
ï M A {p. : ! r\¡
t X /\{ j l\
! К
{ 4 V "¡J
¡ г t i
: T
i ,
f ; f ; i С
1 КОЛ rR
Я1Н1Ц
Mofi
-»(III и
дай
О 0.04 0,00 0,12 0.16 0,20 0,24 0.2В
a
j 4 I I I J i I I I i I I I J I I I I I j I I J M I I M i I I M I [ I D I 10 20 JO 36
b
Fig. 16. Curve of Fy force (a) acting on the mast from rotor shaft and directed in perpendicular to wind flow, versus wind. Fourier
spectrum of oscillating part of Fy force (b)
The behavior of the structure is determined by the system of differential equations of forces and torques taking into account force action, displacement, friction and elastics:
MX + Rx + Kx = F; Jœ + Deo + Ею = M, (7)
where M, R, K, J, D, Е - matrixes of coefficients.
The input of data should be made by functional blocks including the feedbacks, with outputting the diagrams.
The example on Fig. 16 is presented for one of the forces Fy, acting in horizontal direction on the mast from the rotor shaft and causing the resonance of bearing module of WPU.
5. Fig. 17 illustrates the diagrams of oscillation processes which determine the vibrodisplacements of rotor and mast components.
I -3
Lmhb, м
0.673 0.674
0.675 ........... ......
0.676 .цшДИ^И^ИШммГ-...............
0.677
0.67В..........ЩМР
0.679
0.6В0 II
0.661 f................i.......
0.6В2......
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Т, s
а
spectrum of force action can be made by disintegrating the acting non-harmonic oscillations of forces, torques and vibrodisplacements into Fourier row with getting the appropriate frequency spectrums. The conclusions on which frequencies resonances are expected with the determination of their amplitudes and dominating harmonics, can be made on the base of spectrum analysis.
The study of the example shows that the resonances of oscillations of WPU components can be caused both by unbalanced mass of rotor and action of alternating aerodynamic forces. Resonance frequency can be changed by varying the rigidity of components, i.e. changing of their self oscillations.
Limitation of maximum rotation speed of WPU rotor can be provided by regulators concluded into aerodynamic fairings (Fig. 18), activated on the determined speed of rotor rotation and limiting further rotation frequency increase. This aggregate allows WPU operating at any wind speed without using the ballast load and stopping the rotor.
Turning shields or blades
Fig. 18. Aerodynamic regulator of vertical axis WPU
-0.40
"0"SI,D 50 100 ISO 20O 2S0 300 3S0 400
T, s
b
Fig. 17. Displacement of L„HB lower part (a) and L„BB upper part (b) of mast in the place of mounting to the base and hub accordingly
The dependences of forces and torques oscillations, frequency spectrums and vibrodisplacements of components should be determined on the base of research of functional WPU model. The analysis of
6. Design and optimizing of alternator includes all stages of traditional development of electric machine.
7. Design of electronic intellectual controller of power for the wind turbine has the following features (for the presented example):
- adjusting of WPU power in the range of rotor rotation frequency from 40 to 180 RPM supporting the CWPU on maximum level;
- rotor rotation frequency is limited on 180 RPM by aerodynamic regulators and cannot be increased higher;
- no ballast load.
The task of design and optimizing is the reduction of losses while transferring power, and maximum usage of wind energy. To get the maximum power it is required to trace the determined line named "the line of optimal power" on the diagram of isolines of WPU rotor power, which represents the basic data for the development of the algorithm of electronic converter of energy.
The circuit of controller can be built on the base of micro-controller. It should have RS-232 interface for adjustment, diagnostics and programming. General circuit of controller is presented on Fig. 19.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
8. Technological process of air foil fabrication can be considered on the base of existing technologies. One of the most prospective approaches is the fabrication of air foils on the base of nanozirconiumpolycarboxylan - pre-ceramic polymer steady to the temperature differentials and ideally applied for the WPU air foils.
For the presented example, on the base of the described methodology of development and optimizing of VAWT, the family of 0.1-30 kW small vertical axis wind turbines were fabricated. Total 9 different in design and power WPUs successfully passed through the field testing. The examples are shown on Fig. 20.
Fig. 19. WPU controller circuit
0.1 kW 0.3-0.5 kW 1 kW 3 kW 3 kW 30 kW
(Russia) (Russia) (USA) (USA) (Russia) (Russia)
Fig. 20. Family of vertical axis WPU on 0.1-30 kW power
Almost all turbines with 6 blades had shown the CWPU up to 38%, with 4 blades up to 35%, with 3 blades up to 38%.
Noise and vibrations of all turbines meet the requirements of all applicable standards. The high quality of the turbines is provided by weight dynamic balancing.
The presented methodology can be realized further in one software package module in the part of mathematic
models. The method of dynamic balancing can be developed without static balancing, by the determination of vector distribution of masses in rotor space, providing automatic removal of unbalance during the operation.
Due to the methodology the self cost of the wind turbine can be reduced 2-3 times keeping or improving the parameters.
