CC BY
1Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №1(2023) УДК 621.3:621.22:620.91.
Парусная энергетическая установка наземного базирования: определение коэффициента мощности
Чекарев Константин Владимирович [0000-0002-5140-514211,2 Залиханов Алим Михайлович [0000-0002-2540-б045]1,з
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия
2E-mail: konstantintchekarev@yandex.ru ^-тт^: 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 точного измерения величины коэффициента трения, что позволило найти величину сил, действующие на платформу, и определить коэффициент эффективности использования кинетической энергии воздушного потока макетом парусной энергетической установки наземного базирования. 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 ветроколеса 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 развитием возобновляемой энергетики установки с преобразователем энергии в виде ветроколеса стали использоваться для производства электроэнергии, и устанавливаются как на суше, так и на море. Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся отраслей возобновляемой энергетики. По оценкам The Global Wind Council за 2021 год [2], 2020 был рекордным по вводу новых мощностей. 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 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 исследования 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 предлагаемой 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.
Известны варианты парусной энергетической установки, позволяющие снять проблему больших размеров преобразователя энергии ветрового потока и проблему устойчивости к волновому воздействию [4, 5, 6]. Вариант 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, и имеет систему изменения положения парусов и систему управления движением катамарана. Движение по дуговой траектории позволяет автоматизировать этот процесс [7]. 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 перемещение 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 вариант конструкции парусной энергетической установка наземного базирования [8], который является сухопутным аналогом ветроэнергетической морской установки [3]. Установка содержит платформы, соединенные в замкнутый состав, который движется по радиальному рельсовому пути. На платформах установлена система парусов, которые меняют положение в зависимости от направления ветра и участка пути. Электроэнергия вырабатывается с помощью электрогенераторов, соединенных с колесами платформ. 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. Была разработана методика и проведено определение сил, действующих на платформы путем определения скорости платформы при её движении с грузами разного веса.
Результаты этих исследований, представленные в статье [10], показали наличие ряда проблем, связанных с реализацией этой методики. Одной из них является разработка метода точного измерения величины коэффициента трения.
Нами была разработана методика точного измерения коэффициента трения, в которой 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. Было принято решение, что 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.
3 Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов
Экспериментальная установка включала генератор ветрового потока, платформы, на которых были установлены паруса, систему изменения положения парусов, направляющую систему, и систему управления движением платформ. Для проведения экспериментов с определением коэффициента трения была разработана конструкция двух типов эстакад. Платформы двигались по поверхности двух эстакад - конструкций склеенных из пластиковых профилей, расположенных на расстоянии 145 мм друг от друга, и отстоящих от горизонтальной плоскости на высоту 160 мм. В середине каждой эстакады находился направляющий рельс, выполненный из пластикового профиля сечением 12 х 12 мм, на котором была нанесена разметка с интервалом 10 см.
Генератор ветрового потока был выполнен в виде системы вытяжных вентиляторов в количестве 13 штук, расположенных рядом друг с другом на рейке, длиной 2 метра. Из-за того, что платформы двигались по эстакаде, размер вертикальных стоек, к которым крепилась рейка, был увеличен на 160 мм. На Рис. 1 представлено изображение генератора ветрового потока и эстакад. Центры эстакад отстояли от генератора ветрового потока на расстоянии 50 см и 65 см. 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.
Рис. 1. Генератор ветрового потока (на дальнем фоне) и эстакады с установленной
платформой.
см
I 2 м/с
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 22 см 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 легкими перемычками.
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 также 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
Были проведены две серии экспериментов. В первой серии проводилось измерение коэффициента трения платформ по разработанной методике.
Во второй серии экспериментов проводилось исследование движения платформ с грузами разного веса. При проведении этих экспериментов движение платформ снималось на видеокамеру. По полученным записям строились графики движения платформ в зависимости от времени, по которым определялась скорость движения платформ.
Эксперименты по измерению коэффициента трения кт платформы массой 183 г проводились с грузами 1 разного веса. Результаты измерений представлены в таблице 1, где груз 1 - это груз, утяжеляющий вес платформы, а груз 2 - это груз, при котором платформа могла двигаться с постоянной скоростью по эстакаде.
Таблица 1. Величина коэффициента трения платформы с грузами 1 разного веса.
Вес груза 1, г 0 100 200 300 400
Вес груза 2, г 4,2 6,0 7,7 9,6 11,6
коэффициент трения кт 0,023 0, 021 0,020 0,020 0,020
Как видно из таблицы 1, величина коэффициента трения зависит от веса 1, установленного на платформу. Вероятнее всего это связано с деформацией платформы.
Результаты второй серии экспериментов, в которой измерялись скорости платформы, движущейся по эстакаде с грузами 1 разного веса, представлены в таблице 2.
Таблица 2. Величина скорости платформы, движущейся по эстакаде с грузами 1 разной
величины.
Вес груза 1, г 0 100 200 300 400 500
Скорость платформы, см/с 59 47 38 28 20 11
На Рис. 4 приведен график движения платформы по эстакаде, направляющий рельс которой отстоит от генератора ветрового потока на расстоянии 50 см.
Рис. 4. График движения платформы на эстакаде, направляющий рельс которой расположен на расстоянии 50 см. от генератора ветрового потока.
На стадии равномерного движения платформы для действующих на неё сил выполняется равенство
F + ^ + ¥с = 0 (1)
Где:
Б - аэродинамическая сила ветрового потока, действующая на паруса Рт = кттд - сила трения Рс = ксУ2 - сила сопротивления V — скорость платформы
Используя равенство ( 1 ) для двух грузов с массами тг и т2 можно написать соотношения
кТ (т2 - т1)д = кс( V2 — 722 ) (2)
кс = кТАтд/АУ2 (3)
Подставляя в соотношение (3) данные из таблицы для скоростей двух грузов 200 г и 400 г, для которых, как это видно из таблицы 1, коэффициенты трения равны, можно найти значение величины коэффициента сопротивления кс =0,00383 г с2/см2 .
Зная величину коэффициента сопротивления, можно вычислить величины сил, действующих на платформу массой М=183 г, которая движется без груза: ^ = кТМд = 0,023 х 183 г = 4,2 г = 0,042 н
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №1(2023) с2 см2
Fc = fcc72 = 0,00383 г—;х 2209—= 8,5 г = 0,082н L L см2 с2
F = 4,2г + 8,5г = 12,7г = 0,127н Зная величину аэродинамической силы F, действующей на 4 паруса платформы, можно определить мощность, развиваемой этой силой и эффективность использования энергии ветрового потока макетом парусной энергетической установки наземного базирования. Мощность установки W равна произведению силы F на величину скорости платформы V.
W = F7 (4)
Подставляя в выражение (4) соответствующие значения получаем величину мощности установки W:
W = 12,7 г х 59 см/с = 0,127 н х 0,59 м/с = 0,0749 ватт Для определения коэффициента эффективности преобразования кинетической энергии ветрового потока при неравномерном распределении скоростей по вертикали необходимо найти среднюю скорость постоянного потока. Для её нахождения площадь паруса была разбита на полоски шириной 1 см, для каждой полосы было найдено значение скорости ветрового потока, который приходится на эту полосу. Посчитав объем воздуха, который приходится на каждую полосу и просуммировав объемы для всех полос, нашли величину средней скорости постоянного ветрового потока равную V= 1,6 м/с. При вычислении кинетической энергии ветрового потока используется величина площади парусов. Площадь одного паруса s равна s= 256 см. Площадь четырех парусов 4s = 256 см2 х 4 = 1024см2 = 0,1024 м2. При угле поворота парусов 45о полученную сумму необходимо умножить на cos 45о = 0,7. В результате площадь парусов S, с которой взаимодействует ветровой поток, оказывается равной S = 716 см2 = 0,0716 м2
Масса ветрового потока, взаимодействующая с площадью S равна плотности воздуха 1,22 кг/м3 умноженной на объем VS
М = 1,22кг/м3 х 0,0716 м2 х 1,6 м/с =0,139 кг Для определения кинетической энергии этой массы воздуха полученную величину необходимо умножить на 72/2 = 1,62 м2/ с2 /2 = 1,28 м2/с2 . В результате кинетическая энергия воздушного потока WB , приходящаяся на 4 паруса платформы за единицу времени равна
= 0,139 кг х 1,28 м2/с2 = 0,179 ватт Зная величину мощности W , развиваемой аэродинамической силой F, и величину кинетической энергии ветрового потока , приходящую на паруса за единицу времени, можно определить коэффициент эффективности макета платформы парусной энергетической установки с 4 парусами
Кэф = W/Wg = 0,0749ватт/ 0,179ватт = 0,42 Таким образом, коэффициент эффективности макета платформы парусной энергетической установки наземного базирования, вычисленный путем определения сил, действующих на платформу через вычисление скоростей платформы с грузами разного веса, оказался равным
Кэф = 0,42
Журнал «Окружающая среда и энерговедение» (ОСЭ) №1(2023) 5 Выводы
Разработан метод вычисления сил, действующих на парусную платформу, через определение скоростей платформы с грузами разного веса. Вычисление сил с помощью данного метода требует точного определения коэффициента трения. Была разработана методика точного измерения коэффициента трения, которая, однако, предъявляет определенные требования к поверхности, по которой движутся платформы: гладкость поверхности и ее стогую горизонтальность. Эти качества поверхности могут быть обеспечены, если платформа будет двигаться по эстакаде. С помощью разработанного метода были найдены значения коэффициентов трения, а также была вычислена величина силы воздействия на паруса со стороны ветрового потока, что позволило найти коэффициент эффективности преобразования ветрового потока. Коэффициент эффективности может быть повышен путем уменьшения силы сопротивления за счет изменения формы парусов.
Литература
1. Дигай.П. Под парусами по рельсам// Yachtrussia.com/articlts/2016/10/21/arti-clts_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. Парусные энергетические установки. // География возобновляемых источников энергии. ИД «Энергия», М., 2021. С.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/journal/2022-2/
10. Чекарев К. В., Залиханов А.М. Парусная энергетическая установка наземного базирования: нахождение величины сил, действующих на платформу// Окружающая среда и энерговедение, №3, 2022, С. 67- 79. http://jeees/ru/cftegory/jornal/2022-3/
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/
Land-Based Sailing Power Plant: Determination of the Efficiency Coefficient
Konstantin Chekarev 12 Alim Zalikhanov13
1Lomonosov 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 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 system for controlling the position of sails through a contact rail has been developed, simulating the transmission of electricity to an external consumer. A method is proposed to increase the capacity of the installation by organizing the movement of platforms along two adjacent paths. The research results are presented in this article.
Keywords: windpower, renewable energy sources, wind plant, sailing power plant.
