CC BY
9УДК 621.3:621.22:620.91.
Парусная энергетическая установка наземного базирования: увеличение мощности
Чекарев Константин Владимирович [оооо-ооо2-514о-5142]и Залиханов Алим Михайлович[оооо-ооо2-254о-бо45]1-3
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
2E-mail: konstantintchekarev@yandex.ru, ^-им^: 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. Разработана система управления положением парусов через контактный рельс, моделирующая передачу электричества внешнему потребителю. Предложен способ увеличения мощности установки за счет организации движения платформ по двум соседним путям. 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 появлением зеленой 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 лучшим 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 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.
Существуют варианты парусной энергетической установки, позволяющие снять проблему больших размеров преобразователя энергии ветрового потока и проблему устойчивости 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 может быть автоматическим [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, близким к курсу 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 электроэнергии 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. Предлагаемая конструкция, как и ветроэнергетическая морская установка (3), 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 угловом интервале 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]. Эксперименты показали работоспособность входящих в нее элементов, а также были определены элементы конструкции, которые могут быть использованы при реализации парусной установки наземного базирования.
Для реализации парусной энергетической установки необходимо разработать систему передачи вырабатываемой электроэнергии внешнему потребителю. Для моделирования этого процесса была разработана система управления положением парусов через контактный рельс.
В предложенном варианте парусной энергетической установки наземного базирования, при циклическом движении платформ выработка электроэнергии практически прекращается на участках изменения направления движения платформ. Разработан и экспериментально исследован способ увеличения мощности установки и уменьшения неравномерности выработки электроэнергии путем организации движения платформ по двум соседним путям.
3 Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов
Экспериментальная установка включала генератор ветрового потока, платформы, на которых были установлены паруса, систему изменения положения парусов, систему управления движением платформ и направляющую систему.
Генератор ветрового потока был выполнен в виде системы вытяжных вентиляторов в количестве 13 штук, расположенных рядом друг с другом на рейке, длиной 2 метра. На Рис. 1 представлено изображение генератора ветрового потока, а на Рис.2 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
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.
Рис. 2. График распределения скоростей в вертикальных плоскостях, отстоящих от генератора ветрового потока на расстояниях: 1) 35 см, 2) 50 см, 3) 65 см.
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 19 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 тремя ребрами. Для обеспечения одновременного изменения положения парусов нижние реи были соединены легкими перемычками.
Платформы двигались по гладкой, горизонтальной плоскости длинной 3 метра и шириной 1,2 м. Траектория движения платформ задавалось направляющей системой. Она включала 3 направляющих рельса, расположенных на расстоянии 35 см, 50 си и 65 см от выходных отверстий генератора ветрового потока. В качестве направляющих рельсов использовались пластмассовые короба для проводов сечением 12х12 мм и длиной 2 метра.
Рис. 3. Платформа с парусами на направляющем рельсе. Устройство радиоуправления на
переднем плане.
На всех направляющих рельсах была нанесена цифровая разметка, означающая интервал в 10 см. Начало разметки совпадало с серединой генератора ветрового потока. Направляющая система включала также 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.
Была разработана система управления положением парусов через контактный рельс, моделирующая передачу вырабатываемой установкой электроэнергии внешнему потребителю. Она включала направляющий рельс, который использовался как контактный рельс, на вертикальные стороны которого с двух сторон наклеивалась алюминиевая лента. Для электрического контакта системы изменения положением парусов с контактным рельсом на одной из коротких сторон рамки платформы, дополнительно к двум направляющим колесам,
крепились два металлических колеса с вертикальной осью вращения, расположенные по высоте так, чтобы они касались середины вертикальных сторон контактного рельса. Колеса прижимались к контактному рельсу петлей из тонкой резиновой нити. Контактные колеса были соединены электрическими проводами с электромотором системы изменения положения парусов. Для передачи электрического сигнала на систему изменения положения парусов к алюминиевым лентам, наклеенным на направляющий рельс, крепились контакты от пульта управления, с которого подавались электрические сигналы на изменения положения парусов.
На одной из платформ была установлена система управления движением платформ, моделирующая управление с помощью сигналов GPS. Управление осуществлялось с помощью радиосигналов, которые передавались с пульта управления на установленный на платформе приемник, соединенный с системой изменения положения парусов. По этому сигналу паруса изменяли свое положение на противоположное.
При проведении экспериментов движение платформ снималось на видеокамеру. По полученным записям с помощью разметки на направляющих рельсах строились графики движения платформ в зависимости от времени, по которым определялась скорость движения платформ.
4 Результаты экспериментов и обсуждение
Были проведены две серии экспериментов. В экспериментах первой серии исследовалось функционирование систем управления положением парусов через контактный рельс.
Во второй серии экспериментов проводилось исследование способа увеличения мощности установки путем организации движения платформ по двум соседним путям (Рис. 4). Если организовать движение платформ таким образом, чтобы моменты изменения направления их движений не совпадали по времени, то можно уменьшить неравномерность выработки электроэнергии, обусловленной цикличностью движения платформ.
Проведенные эксперименты первой серии показали, что созданные системы управления положением парусов через контактный рельс работают нормально. На рис.5 представлен график перемещения платформы с управлением положением парусов по сигналам, передаваемым по контактному рельсу. Как видно из графика, созданная контактная система, в принципе может быть использована для передачи вырабатываемой электроэнергии внешнему потребителю.
Рис. 4. Две платформы, установленные на соседних параллельных путях 80 60 40 20_0_20 40 60 80 см
1
2
3
4
5
6
( —— 7
\ 8
.9
10
tc
Рис. 5. График перемещения платформы с управлением положением парусов по сигналам, передаваемым по контактному рельсу.
На Рис.6 представлен график перемещений двух платформ по двум соседним направляющим рельсам. Платформа с радиоуправлением двигалась по направляющему рельсу, отстоявшему от генератора ветрового потока на расстоянии 50 см, а платформа с управлением по контактному рельсу двигалась по направляющему рельсу, отстоящему от генератора ветрового потока на расстоянии 65 см. Скорости платформ, вычисленные по траекториям движения платформ, оказались практически равными и находятся в интервале 50-55 см/с. Из Рис. 6 видно, что скорость платформы с управлением по контактному рельсу после встречи с платформой с радиоуправлением, когда перекрывается воздушный поток, не изменяется. Это означает, что можно организовать движение платформ по соседним путям так, чтобы скорости платформ не менялись.
80 60 40 20 О 20 40 60 80 см
Пла тфо эма 1 1 111 атф зрм 2
3
4
5
7
8
9
,lfU
11
12
13
14
15 tc
Рис. 6. График перемещений двух платформ по двум соседним направляющим рельсам. (Платформа 1 - с радиоуправлением, Платформа 2 - с управлением по контактному
рельсу).
В исследованиях движений макетов платформ парусной энергетической установки наземного базировании, результаты которых представлены в статье
(10), показано, как можно найти силы, действующие на платформы. Зная величину силы F, действующей на паруса платформы, движущейся со скоростью V, можно рассчитать мощность W, развиваемой этой силы по формуле
W = F V
Количество парусов, установленных на платформе с радиоуправлением и на платформе с управлением по контактному рельсу было равным, из этого следует, что величины сил, действующие на паруса платформ тоже равны. Поскольку скорости платформ оказались практически равными, это означает, что мощности, развиваемые этими силами, также равны. Это означает, что при движении платформ по двум соседним направляющим мощность удваивается. Если организовать движение платформ таким образом, чтобы изменение направления их движения не совпадали по времени, то можно уменьшить неравномерность выработки электроэнергии, обусловленной цикличностью движения платформ.
5 Выводы
На основании результатов, полученных в процессе проведения экспериментов, можно сделать следующие выводы. Эксперименты с передачей сигналов на изменение положения парусов по контактному рельсу показывают, что таким же образом можно передавать электроэнергию внешнему потребителю.
Способ организации движения платформ по двум соседним путям позволяет увеличить мощность парусной установки. Если организовать движение платформ таким образом, чтобы моменты изменения направления их движений не совпадали по времени, то можно уменьшить неравномерность выработки электроэнергии, обусловленной цикличностью движения платформ.
Литература
1. П.Дигай. Под парусами по рельсам// Yachtrussia.com/ar1iclts/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 energet-icheskie 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., Berezkin 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 nazem-nogo bazirovaniya // 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 nazem-nogo bazirovaniya: nakhojdenie velichiny sil, deistvuiuschih na platformu // Okruzhayushchaya sreda I energovedenie. №3 (15), 2022. S.67-79. http://jeees.ru/ /cat-egory/journal/2022-3/
The Power Increasing of the Land-based Sailing
PowerPlant
1 2
Konstantin Chekarev '
1 3
Alim Zalikhanov '
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.
