CC BY
6
ПРОБЛЕМЫ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ
УДК 620.91+621.311 Н.Л. ДОН
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
РОЗРОБКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДУ З ОСНОВ В1ТРОЕНЕРГЕТИКИ
Розглянуто особливостг розробки та упровадження в навчальний процес лабораторного стенду для досл1дження параметргв горизонтально-осьових втроустановок. Пропонуеться методичне забезпечення до роботи.
Ключовi слова: втроенергетика, лабораторний практикум.
N.L. DON
Kherson National Technical University
DEVELOPMENT OF THE LABORATORY TEST BENCH IN WIND-POWER
ENGINEERING
Abstract
The features of development of the laboratory test bench for investigation of horizontal axis wind turbines and its introduction in education process are considered. The methodic recommendations for this work are proposed.
Keywords: wind-power engineering, laboratory practical training.
Постановка проблеми
Використання енергп вщновлюваних джерел як альтернативи традицшним енергонос1ям останшм часом стае все б1льш актуальним. Незаперечш переваги !х застосування - невичерпнють i еколопчна чистота, а також необхвдшсть забезпечення енергетично! безпеки кра!н, зменшення обсягiв шкiдливиx викидiв i збереження запасiв енергоресурсiв для майбутнix поколшь, обумовили бурхливий розвиток вщновлювано! енергетики як щлком конкурентноздатно! галузi енергетики, що швидко розвиваеться. Принципи перетворення енергп' залишаються практично незмiнними, а от обладнання постiйно модернiзуеться. Тому осмислений, професшний пвдхвд до проблеми ефективного використання вщновлюваних джерел енергп е необхвдною складовою дiяльностi майбутнього фах1вця-енергетика.
Основним критерiем роботи навчального закладу е рiвень пiдготовленостi випускнишв, рацiональне поеднання !х теоретичних знань з умшням застосовувати !х на практищ, що означае потребу вести пошук ефективних форм i методiв навчання, зокрема i забезпечення лабораторного практикуму необхщним устаткуванням та обладнанням. Одним iз перспективних напрямк1в розвитку кафедри енергетики, електротеxнiки i фiзики Херсонського нацiонального теxнiчного унiверситету, яка готуе спецiалiстiв з нетрадицiйниx та вщновлюваних джерел енерги, е модершзащя теxнiчного оснащения для п1дготовки спещалюпв, як1 вiдразу готовi до роботи з сучасним обладнанням.
AH^i3 останшх дослiджень i публiкацiй
Лабораторний практикум - це потенцшно найбiльш значущий i результативний компонент природничо-науково!, загально-професшно! та спецiальноl пiдготовки в галузi теxиiки i теxнологiй, призначений для отримання студентами навичок роботи на реальному обладнанш, з аналогами якого майбутньому фах1вию, можливо, доведеться мати справу у сво!й практичнiй дiяльностi [1]. Ефективнiсть даного виду занять багато в чому визначаеться можливостями навчального закладу.
Традицiйний лабораторний практикум - це, як правило, набiр практично готових, повнютю змонтованих лабораторних стендiв, призначених для експериментального вивчення базово! сукупностi об'ектiв з дано! навчально! дисципл1ни. Залежно вiд призначення, покладених функцiй i способiв реалiзацil розрiзияють: навчальнi тренажери, навчальнi лабораторш стенди, навчально-методичнi комплекси.
Навчальнi лабораторнi стенди - це форма реал1заци навчального лабораторного обладнання, призначена для експериментального дослвдження фiзичниx процесiв i техшчних показник1в досл1джуваних об'ектiв. Перевагою такого тдходу вважаеться цiльовий вiдбiр всього лабораторного обладнання для виршення вузького перелжу завдань единого об'екта вивчення, що виключае надмiрнiсть i, отже, забезпечуе мiнiмальну вартiсть лабораторного обладнання у перерахунку на один стенд.
На кафедрi енергетики, електротехшки i фiзики ХНТУ з навчально! дисциплши «Основи вiтроенергетики» лабораторний практикум передбачае наявнють стендiв з основних роздшв дисципл1ни,
як-от теоретичш основи вироенергетики, вироелектричш та вiтросиловi установки. Наявш на кафедрi впронасосна та вiтроелектрична установки не дозволяють у повн1й мiрi дослiдити аеродинам^ вiтрового колеса, у зв'язку з чим постало питання розробки та упровадження в навчальний процес лабораторного стенду iз врахуванням основних дидактичних принципiв вищо! технiчно! освiти: наочносп, систематичностi та послiдовностi, доступностi, науковосп, зв'язку теори та практики.
Формулювання мети дослiдження
Актуальнiсть роботи полягае у вирiшеннi проблеми нестачi лабораторного устаткування шляхом самостiйного створення стенду для подальшого його впровадження у навчальний процес. Загостренням проблеми слугують висока собiвартiсть iснуючих у продажу лабораторних стендiв та недостатне фшансування матерiально! бази унiверситетiв.
Метою роботи е створення лабораторного стенду та його впровадження в навчальний процес з основ вироенергетики, що надасть можливють дослвджувати широкий спектр параметрiв вiтроустановок. Важливо найбiльш реально вщтворити всi елементи конструкци у зменшеному масштабi. При розробцi лабораторного стенду, о^м опрацювання основних принципiв перетворення енерги вiтру, передбачалось вивчення методик визначення потенцiалу вiтрового потоку та визначення основних техшчних параметрiв впроустановок.
Виклад основного матер1алу дослiдження
При розрахунку вiтродвигуна з горизонтальною вюсю обертання найбiльш важливим е досягнення максимально! потужностi i пiдвищення ККД установки. При цьому необхвдно отримати робочi характеристики вiтродвигуна за вихвдними даними аеродинамiчно! характеристики, визначити геометричш параметри лопатi для конкретного аеродинамiчного профiлю, побудувати аеродинамiчний профiль лопал за заданою хордою профiлю, розрахувати характеристики вихвдно! потужностi. У цьому випадку проведення анал1тичних розрахунк1в може бути здшснено за стандартними методиками, викладеними в [2], як1 дозволяють дослвджувати аеродинамiку вiтродвигуна, спроектувати i розрахувати вiтроколесо, оцiнити швидкостi i перемiщення, що дшть на елементи конструкций навантаження, визначити геометрiю перерiзу i профiль вiтроколеса.
Передумовою проведення розрахунку е визначення вихщних даних, що мютять наступнi основнi показники:
- потужшсть, отримання яко! передбачаеться вщ вiтроустановки (отримуеться за навантажувальними характеристиками);
- швидшсть вiтру, при яшй розвиваеться задана потужнiсть;
- швидкохвдшсть (кiлькiсть модул1в) ротора при максимальному коефщенп потужностi даного типу ротора;
- коефщент потужностi вiтроустановки.
Вiтроустановки, лопатi яких здiйснюють обертання у вертикальнiй площиш навколо горизонтально! осi, ввдносяться до класу горизонтально-осьових вiтродвигунiв. Типовий горизонтально-осьовий вiтродвигун мiстить вiтроколесо з радiально встановленими лопатями, поворотну головку з трансмгаею i навантаженням, а також несучу опору.
Потужшсть впродвигуна
М кв •п
N = -АР • I,
974
де N - потужшсть впродвигуна, кВт; Мкр - крутний момент, Нм; п - шльшсть обертiв вiтроколеса, об/хв.
(1)
Крутний момент на валу ротора
2
Мкр =р!?н Цг, (2)
де р - щiльнiсть повпря;
Я - радiус вiтроколеса, м; Н - висота вiтроколеса, м; и - швидшсть вирового потоку, м/с.
Розрахункова затрачена потужнiсть впродвигуна
затр 204
де 8 - повна площа мвделевого перетину ротора,
Nатр = и, (3)
S = DH,
(4)
D - дiаметр ротора.
Коефщент використання енерги виру
Коефщент швидкохiдностi
4 =
N
N~T
z = -
nnR 30u'
(5)
(6)
Визначивши для кожного моменту часу значення кутово! швидкосп ю, визначаеться коефiцieнт швидкохiдностi, що ввдповвдае отриманому крутному моменту вггряка Мкр, потiм будуються характеристики м= f (z) i 4 = f (z) •
Стенд створювався на основi наивно! аеродинашчно! труби прямокутного перерiзу. Повiтряний потiк всередиш труби створюеться за допомогою асинхронного двигуна типу АВ-071-4У4, трифазного живлення частотою 50 Гц, потужнiстю 250 Вт, cos ф 0,68, 1380 об/хв., напругою 220/380 В, ККД 70 %• При перемiщеннi слайдер вщкривае вiкно, що перерозподiляе потж повiтря через робочу частину аеродинамiчноl труби та вiкно. За таким принципом здшснюеться керування швидк1стю руху повiтря у трубi.
Схема випробування вiтроколеса в аеродинамiчнiй трубi представлена на рис. 1.
Положення слайдера
Рис. 1. Схема дослвдноТ установки для дослщження вггрового потоку в аеродинамiчнiй Tpy6i
Модель вiтроколеса розташовуетъся в аеродинамiчнiй трубi, де створюеться повпряний потiк певно! потужностi. Шд дiею повiтряного потоку вiтроколесо рушае з мiсця i розбiгаетъся з прискоренням, досягаючи пiсля деякого пром1жку часу максималъних синхронних обертiв. При сталому потоцi к1лък1стъ обертiв дат не змiнюетъся, що дозволяе отримати залежнiстъ потужностi вiтрового потоку в аеродинамiчнiй трубi вiд швидкостi цъого потоку (положення слайдера) при рiзноманiтних формах профшя лопатi ротора та рiзних швидкохiдностях (рис. 2).
Для зняття характеристик вiтроустановки використовуетъся стандартний набiр вимiрювалъноi технiки: магазин опорiв, вольтметр, амперметр, тахометр, анемометр.
Розробка лабораторного стенду передбачала пiдбiр генератора, у якосп якого обрано анемодатчик ДСВ-2 , призначений для перетворення частоти обертання осi ротора в електричний сигнал, що представляе собою послщовшсть електричних iмпулъсiв з частотою проходження пропорцiйною швидкостi обертання крильчатки.
В1д генератора через силовий кабель електричне коло замикаеться на навантаження та вимiрювальне коло. Розроблено есшзи лопатей, створено дек1лька варiантiв лопатей рiзних профiлiв з рiзних матерiалiв для дослiдження вiтроколес рiзноl швидкохщносл з горизонтальною вiссю обертання (рис. 3).
2---
\
1,5
0,5
—
Лопать 1 Лопать 2 Лопать 3 "Лопать 4
0 ^ ^ ^ ^ ^ гЛ* ^ ^ о.Т> ^ ^ ^ гР ^ ^ ^ ^ ¿Р ¿Р
О' О' О' О' О' О' О- О' ^ О- О' О' О' О' О- О' <У О' ^ О' О' О' О' О' О'
Координата аеродинампно! труби х, м
Рис. 2. График залежносп потужностi вiтрового потоку в аеродинамiчнiй трубi вiд швидкосп вiтрового потоку для роторiв з рiзними профилями
0
Рис. 3. Зображення ротора тихох1дного багатоломатевого та швидкохвдного вiтроколес
У якостi матерiалу лопатей використовувалися алюмiнiевi сплави та твердий картон. Лопап з твердого картону тд час дослвдження було розвернуто вiтровим потоком, !м надано форму, близьку до реальних профiлiв лопатей впроустановок. При цьому передбачена можливють змiнювати к1льк1сть лопатей та !х форми. Розраховано аеродинамiчнi властивостi лопатей, розроблено методику проведения лабораторних робгт з дослщження вiтроустановки на базi лабораторного стенду.
Лабораторний стенд у готовому до випробувань виглядi зображено на рис. 4.
Дослiдження параметрiв вiтроустановок проводилося шляхом зняття навантажувальних, механiчних та робочих характеристик роторiв з рiзною к1льк1стю та формою лопатей. Зокрема, на рис. 5 наведено навантажувальну характеристику тихоходного восьмилопатевого впроколеса, а на рис. 6 - швидкохвдного дволопатевого вiтроколеса.
Шсля проведення експериментальних дослiджень стало можливим наочно переконатися у залежиостi параметрiв вiтроустановки вiд матерiалу, кiлькостi та форми лопатей. Було визначено, що найкращi вихiднi характеристики мае швидкохвдне вiтроколесо, тодi як тихохiдна вироустановка спрацьовуе при малому потоцi повиря (до 1,8 м/с).
Важливою перевагою розробленого стенду е легкость, компактшсть, транспортабельнiсть, максимальна зручнiсть у розташуванш вимiрювальних приладiв та пристро!в регулювання. Усi елементи та пристро! розташоваш компактно, доступно та логiчно пов'язаш помiж собою. Безпечнiсть стенду забезпечена електричним захистом з'еднань та комутацшних елементiв, надiйним крiплениям конструктивних елеменпв.
Рис. 4. Зовшшнш вигляд лабораторного стенду для дослщження параметрiв вггроустановок
Навантаження К Ом
у=3,7 м/с Н у=3,4 м/с * у=3,1 м/с х у=2,6 м/с ^ у=2,4 м/с * у=2,0 м/с у=1,8 м/с
Рис. 5. Навантажувальна характеристика восьмилопатевого тихохщного вiтроколеса
Навантаження К, Ом
—♦—у=4,8 м/с ^ \/=4,2 м/с \/=3,7 м/с \=3,4 м/с
Рис. 6. Навантажувальна характеристика дволопатевого швидкохвдного
вггроколеса
Висновки
Навчально-лабораторний стенд для дослщження параметрiв вггроустановок розроблений iз врахуванням основних дидактичних принцитв (наочностi, систематичностi та послвдовносп, доступносп, науковостi, зв'язку теори та практики). Стенд дозволяе розширити спектр дослщжуваних явищ в рамках вивчення дисциплши «Основи вироенергетики», його можна ефективно застосовувати як у лабораторному практикум^ так i в науково-дослвдницькш робот студентiв, у тому числГ i при виконаннi випускних квалiфiкацiйних роби\
Основними критерiями розробки та виконання стенду були: вадповаднють навчальнш програмi, дидактичнiсть, унiверсальнiсть, мо6Гльшсть, ергономiчнiсть, безпечнiсть, ремонтопридатнiсть та технологiчнiсть.
Апробащя стенду проведена шд час лабораторного практикуму з дисциплши «Основи вироенергетики» для студентiв 3 курсу напряму 6.050701 «Електротехшка та електротехнологп» за професшним спрямуванням «Нетрадицiйнi та вщновлюваш джерела енерги».
Список використаних джерел
1. Эрганова, Н.Е. Методика профессионального обучения: учеб. пособие / Н.Е. Эрганова. - М.: Академия, 2008. - 160 с.
2. Кривцов, В.С. Неисчерпаемая энергия. Книга 1. Ветроэлектрогенераторы. / В.С. Кривцов, А.М. Олейников, А.И. Яковлев. - Харьков: ХАИ, 2003.
