CC BY
1УДК 621.3:621.22:620.91
EDN: URACNE
Парусная энергетическая установка наземного базирования: метод прямого измерения сил, действующих на платформы
Чекарев Константин Владимирович [0000-0002-5140-5142]1,2. Залиханов Алим Михайлович[0000-0002-2540-6045]1,3
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
2Е-шаИ : konstantintchekarev@yandex . ги, 3Е-шаИ : bulungu@yandex.ru
Аннотация. Установки большой мощности, преобразующие кинетическую энергию ветра в электроэнергию, из-за низкой плотности воздуха имеют большие размеры, что приводит к необходимости сооружать большие конструкции при использовании в установках ветроколеса с горизонтальной осью вращения. Предложен вариант парусной энергетической установки наземного базирования, в которой проблема, связанная с большими размерами преобразователей энергии ветра, снимается. Была разработана и создана экспериментальная установка для проведения исследований на макетах парусной энергетической установки наземного базирования, включающей платформы с установленными на них парусами. Проведенные экспериментальные исследования показали работоспособность входящих в экспериментальную установку систем, найдены элементы конструкции, которые могут быть использованы при реализации парусной установки наземного базирования. Разработан метод прямого измерения сил, действующих на платформу, что позволяет определить коэффициент эффективности использования кинетической энергии воздушного потока. Результаты исследований представлены в данной статье.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, ветровая установка, парусная энергетическая установка.
1 Введение
Использование кинетической энергии ветра в хозяйственной деятельности человека насчитывает много веков. Преобразователи энергии ветра в виде ветроко-леса использовались только на суше для совершения работы, а преобразователи ветровой энергии в виде паруса использовались в основном на воде для перемещения транспортных средств. Известны примеры использования парусов для перемещения транспортных средств на суше [1], но это направление развития не получило. С появлением зеленой энергетики, установки с преобразователем энергии в виде ветроколеса стали использоваться для производства электроэнергии, и устанавливаются как на суше, так и на море. В настоящее время ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся отраслей возобновляемой энергетики. По оценкам The Global Wind Council за 2021 год [2], в 2020 году было введено рекордное количество мощностей в глобальной ветроэнергетике. В большинстве действующих ветровых установках преобразование энергии ветрового потока в электроэнергию осуществляется с помощью ветроколеса с горизонтальной осью вращения и соединенного с ним электрогенератора, которые устанавливаются на мачте. В установках большой мощности диаметр ветроколеса может превышать величину 100 метров. Для удержания ветроколеса таких размеров необходима прочная конструкция и соответствующее основание, чтобы выдерживать большой вес установки и ветровые нагрузки, что приводит к усложнению конструкций и увеличению их стоимости. Предлагаются различные варианты решения проблемы, связанной с большими размерами преобразователей энергии ветрового потока.
2 Актуальность исследований и постановка цели
Известен вариант ветроэнергетической морской установки повышенной мощности, в которой система жестких парусов, выполненная в виде вертикальных лопастей, удерживается на поверхности воды кольцевым понтоном, который вращается вокруг вертикальной оси [3]. В этой конструкции энергетической установки проблема создания прочной опоры при больших размерах преобразователей энергии снимается, но при этом возникает другая проблема. Установка может работать только при большом диаметре кольцевого понтона, в противном случае система наветренных лопастей будет перекрывать систему лопастей, находящихся за ними, однако при большом диаметре кольцевого понтона практически невозможно создать конструкцию, способную выдерживать волновое воздействие.
Ранее нами были разработаны варианты парусной энергетической установки, позволяющие снять проблему больших размеров преобразователя энергии ветрового потока и проблему устойчивости волновому воздействию [4, 5, 6]. Другая конструкция энергетической установки (5) содержит парусный катамаран, к корпусам которого снизу прикреплен гидрогенератор, выполненный в виде крыльчатки и электрогенератора. Катамаран движется циклично по дуговой траектории в заданном угловом интервале, что позволяет увеличить эффективность преобразования энергии ветрового потока. Для движения по такой траектории катамаран выполнен в виде конструкции, симметричной относительно носа и кормы, электрическим кабелем соединен с буем, закрепленным на морском дне, и имеет систему изменения положения парусов и систему управления движением катамарана. Движение по дуговой траектории было автоматизировано [7]. Этот вариант парусной энергетической установки [6] позволяет повысить эффективность использования энергии ветрового потока за счет задания области перемещения катамарана, в которой он все время движется курсом галфвинд. Однако в предлагаемых вариантах энергетических установок их эффективность также оказывается низкой, поскольку часть энергии ветрового потока расходуется на преодоление сопротивления водной массы движению катамарана. Кроме этого, возникают сложности с передачей вырабатываемого электричества внешнему потребителю электричества.
Эффективность парусной энергетической установки можно повысить и при этом снять проблему передачи вырабатываемой энергии внешнему потребителю, если сделать парусную энергетическую установку наземного базирования.
Известен более ранний вариант конструкции парусной энергетической установки наземного базирования [8], который является сухопутным аналогом ветроэнергетической морской установки [3]. Установка содержит платформы, соединенные в замкнутый состав, который движется по прямолинейному рельсовому пути. На платформах установлена система парусов, которые меняют положение в зависимости от направления ветра и участка пути. Электроэнергия вырабатывается с помощью электрогенераторов, установленных на платформах. Как и ветроэнергетическая морская установка [3], предлагаемая конструкция, может работать только при большом диаметре рельсового пути, поскольку при малых диаметрах система наветренных парусов будет перекрывать систему парусов, расположенную за ней, при этом эффективность преобразования энергии ветрового потока будет низкой, поскольку на половине пути платформы перемещаются под острым углом к направлению ветра.
Эффективность парусной энергетической установки наземного базирования можно повысить, если состав платформ сделать незамкнутым и изменить характер движения платформ так, как это сделано в парусной энергетической установке морского базирования [5]. Это означает, что платформы должны двигаться циклично в заданном интервале перемещений и иметь систему изменения положения парусов и систему управления движением платформ для того, чтобы платформы начинали двигаться в противоположную сторону в точках, ограничивающих интервал перемещений платформ. Была создана экспериментальная установка, элементы которой отрабатывалось в процессе проведения исследований, при этом учитывался опыт и использовались элементы экспериментальной установки, на которой проводились исследования парусной энергетической установки морского базирования [5]. Экспериментальные исследования, результаты которых изложены с статье [9] показали работоспособность входящих в неё элементов. Были проведены исследования по методике вычисления сил, действующих на платформы, путем определения скорости платформы при её движении с грузами разного веса [10]. Для проведения экспериментов по данной методике разработан метод точного измерения величины коэффициента трения [11]. Разработанный метод осуществлялся следующим образом: к одной из сторон платформы крепилась перекинутая через блок нить с подвешенным на другом конце грузом. Величина груза подбиралась таким образом, чтобы платформа начинала медленно двигаться с постоянной скоростью. В процессе проведения предварительных экспериментов по этой методике, выяснилось, что поверхность, по которой движется платформа, должна обладать рядом свойств: она должна быть ровной и строго горизонтальной. Эти условия могут быть выполнены, если платформа будет двигаться по эстакаде. Эксперименты с движением платформ по эстакаде были предусмотрены программой исследований, поскольку предполагалось, что парусные энергетические системы могут быть использованы в тех районах, в которых платформы не могут двигаться по земле, например, в районах вечной мерзлоты.
В данном исследовании предложенная нами методика точного измерения коэффициента трения используется для прямого измерения сил, действующих на парусную платформу, что позволяет найти коэффициент эффективности преобразования энергии ветрового потока.
3 Экспериментальная установка, методика проведения экспериментов
Экспериментальная установка включала генератор ветрового потока, платформы, на которых была установлены паруса, систему изменения положения парусов, направляющую систему, и систему управления движением платформ. Для проведения экспериментов с точным измерением величины коэффициента трения была разработана конструкция двух типов эстакад, изображения которых представлено на Рис 1. Платформы двигались по поверхности двух электрических коробов размером 25х16 мм, расположенных на расстоянии 145 мм друг от друга, и отстоящих от горизонтальной плоскости на расстоянии 160 мм. В середине эстакады находился направляющий рельс, выполненный из пластикового короба сечением 12 х 12 мм, на котором была нанесена разметка с интервалом 10 см. Направляющие рельсы эстакад отстояли от генератора ветрового потока на расстояниях 50 см и 65см. Генератор ветрового потока, изображение которого также представлено на Рис.1, был выполнен в виде системы вытяжных вентиляторов в количестве 13 штук, расположенных рядом друг с другом на рейке, длиной 2 метра. На Рис.2 представлен график распределения скоростей в вертикальных плоскостях, отстоящих от генератора ветрового потока на расстояниях 35 см, 50 см и 65 см. Как показали результаты исследований, изложенные в статье (9), несмотря на разницу распределения скоростей в этих плоскостях, эффективность воздействия ветрового потока на скорость платформ оказалась практически одинаковой. Это объясняется особенностью ветрового потока от применяемого ветрового генератора - наиболее высокие скорости в горизонтальной плоскости, проходящей по центру генераторной установки (Рис. 2). Высота парусов, установленных на платформах, позволяет перекрывать области с наибольшими скоростями ветра.
Рис. 1. Генератор ветрового потока.
Рис. 2. График распределения скоростей в вертикальных плоскостях, отстоящих от генератора ветрового потока на расстояниях: 1) 35 см, 2) 50 см,
3) 65 см.
Экспериментальные исследования, представленные в данной статье, проводились на тех же платформах, что и эксперименты, результаты которых приведены в статье [9]. Изображение платформы представлено на Рис.3. Рамка платформы, к которой крепились 4 пластмассовых колеса диаметром 40 мм, имела размер 22см в длину и 17 см в ширину. В середине платформы на высоте 30 мм от рамки крепилась рейка, на которой в поворотных устройствах глубиной 30 мм устанавливались мачты, выполненные в виде пластиковых трубок диаметром 5 мм и высотой 30 см. Мачты были расположенные на расстоянии 11 см друг от друга. Они поворачивались вокруг своей оси с помощью системы изменения положения парусов, включавшей электромотор с редуктором, на вал которого была надета небольшая шестеренка, а на одной из мачт была закреплена шестеренка большего диаметра. В зависимости от поставленной задачи мачты могли поворачиваться в угловом диапазоне 70о-100о. К мачтам были прикреплены паруса площадью 256 см2 каждый. Чтобы снизить ветровую нагрузку на систему изменения положения парусов, они были симметричной формы относительно мачты, как это видно на Рис. 3. Размеры парусов составляли по высоте 24 см, по ширине внизу 16 см и вверху 11 см. Паруса были сделаны из металлизированной пленки, которая крепилась к мачте и нижней рее, и были усилены 3 ребрами. Для обеспечения одновременного изменения положения парусов нижние реи были соединены легкой перемычкой.
Рис. 3. Платформа с парусами.
Генератор ветрового потока и эстакады находились на горизонтальной плоскости длинной 3 метра и шириной 1,2 м. Траектория движения платформ задавалось направляющей системой, которая включала направляющий рельс и 4 колеса диаметром 15 мм, закрепленных по 2 на коротких сторонах рамки платформы. Их оси были направлены вертикально, находились на расстоянии 32 мм и были установлены так, чтобы направляющий рельс находился между ними. При таком расположении колес платформы свободно перемещались вдоль направляющего рельса.
4 Результаты экспериментов и обсуждение
Было проведено две серии экспериментов. В первой серии экспериментов по разработанной методике проводилось прямое измерение сил, действующих на платформу. Чтобы оценить достоверность полученных результатов была проведена вторая серия экспериментов, в которой величина действующих на платформу сил определялась путем нахождения скоростей движения платформы с грузами разного веса по методике, описанной в статье [11].
Эксперименты первой серии проводились в два этапа. На первом этапе измерялось точное значение величины коэффициента трения при движении платформы с грузами 1 разной величины, которые клали на платформу. При выключенном генераторе ветрового потока для каждого груза 1 подбиралась такая величина груза 2, подвешенного на перекинутой через блок нити, при которой платформа начинала двигаться по эстакаде медленно с постоянной скоростью. Определив величину груза 1 и зная величину массы платформ равную 183 г вычисляем величину коэффициента трения: кт = 0,022.
На втором этапе включался генератор ветрового потока, и для каждого груза 1 подбиралась величина груза 2, при которой платформа начинала двигаться медленно с постоянной скоростью. В первом случае с помощью груза 2 определялась величина силы трения, действующая на платформу, а во втором случае вес груза 2 показывал разницу аэродинамической силы, действующей на паруса платформы, и силы трения при равномерном движении по эстакаде, что следует из векторного равенства (1 ):
~Р + 1^ + Тс = о (1)
где ^ - аэродинамическая сила ветрового пМесто для уравнения.отока, действующая на паруса платформы, - сила трения,
- сила сопротивления воздуха, действующая на паруса при её равномерном перемещении.
Из равенства ( 1 ) следует, что Ж - величина аэродинамической силы ветрового потока, действующей на паруса платформы, численно равна сумме сил трения
и силы сопротивления FCFc
^ = + ^
В таблице 1 представлены значения величин действующих на платформу сил, полученные прямым измерением для платформы с грузами 1 разного веса.
Таблица 1. Значения величин действующих на платформу сил, полученные прямым измерением для платформы с грузами 1 разного веса.
Вес груза 1, г 0 60 120
Величина силы ¥ — РТ, г 4,2 3,0 1,6
Величина силы трения Рт, г 4,1 5,3 6,6
Величина силы Ж, г 8,3 8,3 8,2
В результате проведения экспериментов второй серии были получены значения скоростей платформы при движении с грузами 1 разного веса. Полученные значения скоростей представлены в таблице 2.
Таблица 2. Величины скоростей платформы при движении с грузами 1 разного веса.
Вес груза 1 г 0 30 60 90 120
Скорость платформы см/с 40 35 30 26 20
В равенстве (1) сила трения Рт определяется выражением Рт = кттд , где кТ - коэффициент трения, а сила сопротивления Рс выражением Рс= ксУ2 , где кс - коэффициент сопротивления.
Используя равенство (1) для двух грузом с массами т1 и т2 можно написать соотношение:
кТ(т2 — т±)д = кс( V* - У22) ( 2 ) кс = кТ Лт д/ЛУ2 ( 3 )
Подставляя в соотношение ( 3 ) данные из таблицы 2 для скоростей двух грузов получаем значение коэффициента сопротивления кс = 0,0023 г с2/см2 . Используя значения коэффициента трения и коэффициента сопротивления получаем величину аэродинамической силы F воздействия ветрового потока на 3 паруса платформы
Ж = 7,7г = 0, 077н
Величина силы F , полученная прямым измерением, оказывается немного больше величины силы, вычисленной через определение скорости движения платформы с грузами 1 разного веса. Одной из причин разницы значений может быть сила трения в блоке, через который перекинута нить с грузом 2. Причина полученной разницы значений сил будет исследоваться в последующих экспериментах.
Зная величину аэродинамической силы Ж, полученную двумя способами, можно определить мощность №= Ж V , развиваемую этой силой: Ш = 0,033ватт = 0,031н
5 Выводы
Разработан метод точного измерения величины коэффициента трения парусной платформы, который был использован для прямого измерения действующих на неё сил. Для верификации полученных значений сил, было проведено вычисление действующих на платформу сил путем определения скорости платформы при движении с грузами различного веса. Сравнение показало, что оба метода можно использовать для нахождения величины сил, действующих на платформу, однако значения, полученные разными методами, немного различаются. Выяснение причины небольшой разницы значений является задачей следующих экспериментов.
Литература
1. П. Дигай. Под парусами по рельсам //Yachtrussia.com/articlts/2016/10/21/articlts_ 391.htlm
2. Global Wind Report 2021 https: //gwec.net/global-wind-report-2021/
3. Чебоксаров В.В., Кузнецов Н.Н.// Гибридные ветро-солнечные морские энергетические установки//Строительство и технологическая безопасность. №18(70)-2020. С.67-81
4. Патент № 2722760 РФ, МПК В63В 35/44 (2006.1) / Парусная энергетическая установка, преобразующая энергию потоков двух сред; № 2019136097, Заяв. 2019.11.11 / Соловьев А.А., Чекарев К.В., Соловьев Д.А. - заявители и правообладатели // «Изобретения. Полезные модели». 2020. № 16.
5. Патент № 2745173 РФ, МПК B63B 35/44 (2006.01) / Парусная энергетическая установка; № 2020128596, заявл. 2020.08.28 / Чекарев К.В., Дегтярев К.С., Залиханов А.М. - заявители и правообладатели // «Изобретения. Полезные модели». 2021. № 9.
6. Патент № 2779605 РФ, МПК B63B 35/44 (200.01) / Парусная энергетическая установка с автоматической системой управления её движением / № 2022107300, Заявл. 21.03.2022 / Чекарев К.В., Березкин М.Ю., Залиханов А.М. - заявители и правообладатели // «Изобретения. Полезные модели». 2022. № 26.
7. Чекарев К.В., Залиханов А.М., Дегтярев К.С. Парусная энергетическая установка/география возобновляемых источников энергии. ИД Энергия. Москва 2021, cc. 180-197 .
8. Патент № 2125182 РФ, МПК F 03 D 5/04 / Ветроэнергетическая установка; № 96123627/06, заявл. 1996.12.16 / Цыбульников С.И. - заявитель и правообладатель.
9. Чекарев К.В., Залиханов А.М. Парусная энергетическая установка наземного базирования// Окружающая среда и энерговедение: №2 (14) . 2022. С.77-90. http ://jeees/ru//category/j ournal/2022-2/
10. Чекарев К. В., Залиханов А.М. Парусная энергетическая установка наземного базирования: определение величины сил, действующих на платформу // Окружающая среда и энерговедение № 3 (15), 2022, сс. 67-79. http://jeees.ru/category/journal/2022-3/
11. Чекарев К.В., Залиханов А.М.. Парусная энергетическая установка наземного базирования: определение коэффициента эффективности/Окружающая среда и энерговедение: №1 (17), 2023, сс. 78-89. http://jeees.ru/ /category/journal/2023-1/
References
1. Digaj P. Pod parusami po rel'sam// Yachrussia.com/articlts/2016/10/21/ arti-clts_391.ktml
2. Global Wind Report 2021 https: //gwec.net/global-wind-report-2021/
3. Cheboksarov V.V., Kuznecov N.N. Gibridnye vetro-solnechnye morskie energeticheskie ustanovki // Stroitel'stvo I tekhnologicheskaya bezopasnost'. №18 (70), 2020. S.67-81.
4. Patent RU 2722760 C1, B63B 35/44 (2006.1) / Sailing Power Plant Converting Flow Energy of Two Media / Application # 2019136097, 2019.11.11 / Solovev A.A., Chekarev K.V., Solovev D.A. - inventors and proprietors // Izobretenija, Poleznyja modeli / 2020 / # 16.
5. Patent RU 2745173 C1 / B63B 35/44 (2006.01) / Sailing power plant / Application: # 2020128596, 2020.08.28 / Chekarev K.V., Degtyarev K.S., Zalikhanov A.M. - inventors and proprietors // Izobretenija, Poleznyja modeli / 2021, # 9.
6. Patent RU 2779605 C1/ B63B 35/44 (200.01) / Sailing Power Plant With Automatic Control System of its Movement / Application: # 2022107300, 21.03.2022 / Chekarev K.V., Be-rezkin M.Y., Zalikhanov A.M. - inventors and proprietors // Izobretenija, Poleznyja modeli / 2022, # 26.
7. Chekarev K.V., Zalikhanov A.M., Degtyarev K.S. Parusnye energeticheskie ustanovki. // Geografiya vozobnovlyaemyh istochnikov energii. ID «Energiya», M., 2021. S.180-197.
8. Patent RU 2125182 C1 / F 03 D 5/04 / Wind-electric Power Plant /Application: # 96123627/06, 16.12.1996 / Tsybul'nikov S.I. - inventor and proprietor //
9. Chekarev K.V., Zalikhanov A.M. Parusnaya energeticheskaya ustanovka nazemnogo bazi-rovaniya // Okruzhayushchaya sreda I energovedenie. №2 (14), 2022. S.77-90. http://jeees.ru/ /category/journal/2022-2/
10. Chekarev K.V., Zalikhanov A.M. Parusnaya energeticheskaya ustanovka nazemnogo bazi-rovaniya: nakhojdenie velichiny sil, deistvuiuschih na platformu // Okruzhayushchaya sreda I energovedenie. №3 (15), 2022. S.67-79. http://jeees.ru/ /category/journal/2022-3/
11. Chekarev K.V., Zalikhanov A.M. Parusnaya energeticheskaya ustanovka nazemnogo bazi-rovaniya: opredelenie koeffitchienta effektivnosti. // Okruzhayushchaya sreda I energovedenie. №1 (17), 2023. S.78-89. http://jeees.ru/ /category/journal/2023-1/
Land-Based Sailing Power Plant: a Method of Direct Measurement of Forces Acting on Platforms
1 2
Konstantin Chekarev ' 1 3
Alim Zalikhanov '
^Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia 2E-mail: konstantintchekarev@yandex.ru, 3E-mail: bulungu@yandex.ru
Abstract. High-power installations that convert kinetic wind energy into electricity have large dimensions due to the low air density, which leads to the need to construct large structures when using wind wheels with a horizontal axis of rotation in installations. A variant of a land-based sailing power plant is proposed, in which the problem associated with the large size of wind energy converters is removed. An experimental installation was developed and created to conduct research on models of a land-based sailing power plant, including platforms with sails mounted on them. The conducted experimental studies have shown the op-erability of the systems included in the experimental installation, structural elements have been found that can be used in the implementation of a land-based sailing installation. A method of direct measurement of the forces acting on the platform has been developed, which makes it possible to determine the efficiency coefficient of using the kinetic energy of the air flow. The results of the research are presented in this article.
Keywords: windpower, renewable energy sources, wind plant, sailing power plant.
